CN102292134A - 用于将水力能转化为机械能或电能的设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将水力能转化为机械能或电能的设施，其包括至少一水轮机，一蓄水区(R)和一供给管道(5)，所述供给管道给所述水轮机给送来自所述蓄水区的水(E)。所述设施还包括：一装置(200)，该装置浸没在所述蓄水区中、并且能够对在所述蓄水区中(R)、在所述供给管道(5)的管口(51)方向上前进的一水流(E₀)限定一上升运动；和气体收集部件(400)，所述气体收集部件布置在所述装置(200)的一部分(V₂₀₀)的上方，在所述装置(200)中进行水流(E₀)的上升运动。

Description

用于将水力能转化为机械能或电能的设施

技术领域

本发明涉及用于将水力能转化为机械能或电能的设施，这类设施包括一水轮机，所述水轮机用于被来自所述蓄水区、如水坝水库或等同物的强制水流穿过。

背景技术

在某些条件中，水力发电的水坝会产生温室效应气体。实际上，例如在热带环境，在蓄水区中浸没的植物来源或地质来源的有机物质的分解会引起甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)或其它气体的形成。这类现象特别是在沿着森林边上的蓄水区中或当蓄水区在先存的森林之上建立时发生。甲烷主要地在缺少氧气的水库区域中形成，即在水库的底部和库边的不流动的区域附近。二氧化碳主要在表面形成。甲烷具有比二氧化碳更大的温室效应。

以此形成的气体可通过不同的途径排进大气。这些气体通过消散或鼓泡散出，这些现象分布在蓄水区的整个表面上，并且在实际中不能被避免。这些气体也在一范围内在水坝的水轮机的位置散出，该范围是这样的一种范围：穿过水轮机时，水经历较大的压力差。实际上，在穿过水轮机之前，水处于取决于供给管道在蓄水区中的取水深度的一高压，以使得每种气体大量地在水中溶解。在离开水轮机时，水处于相对低的一压力，即接近大气压力的一压力，以使得水至少能够容纳所溶解的气体。由于经过水坝的该或多个水轮机产生的水压降低，在水中溶解的数量相对大的甲烷和其它气体因而能够通过鼓泡释出。

在某些设施中，如在《能源》(第32卷第6期)中发表的文献《从热带水电大坝的甲烷排散物的损失减轻和重新获得》，作者L.Bambace，F.Ramos，I.Lima和R.Rosa，已知地，在蓄水区中安装金属箱，阻止接近底部的水进入水轮机的供给管道中。这避免在水轮机中的除气，不过并不允许对留存在蓄水区底部的载有气体的水进行处理。需要使用与金属箱相独立的附加系统以及泵和转子喷洒器，来对水进行除气，这耗费能量并且安装和运行复杂。

发明内容

本发明更为特别地旨在通过提出在水力设施、如水坝中对温室效应气体的排散进行限制来消除这种问题，并不对这些设施的运行造成干扰。

为此，本发明涉及用于将水力能转化为机械能或电能的设施，该设施包括至少一水轮机，一蓄水区和一供给管道，该供给管道给所述水轮机给送来自所述蓄水区的水。所述设施的特征在于，所述设施包括：

-一浸没装置，其浸没在所述蓄水区中，并且能够对在所述蓄水区中、朝所述供给管道的管口方向前进的一水流施行一上升运动，和

-气体收集部件，其布置在所述浸没装置的一部分的上方，在所述浸没装置中进行水流的上升运动。

借助于本发明，所述浸没装置允许使得引向供给管道的水的回升，以使得这部分水经历能够通过鼓泡释出其所容纳的气体、如甲烷的降压。这些气体排出至蓄水区的表面，位于装置附近。气体收集部件继而允许在气体散逸进大气中之前，对这些气体进行回收。本发明允许使得引向所述或多个水轮机的水相对地负载很少的溶解气，以使得在强制流在水轮机中经过时产生的降压在水轮机出口产生很少的气泡。

根据本发明的有利的但非强制性的方面，按照技术上可行的各种组合，所述设施可包括一个或多个以下的特征：

-所述浸没装置包括至少两板体，所述板体布置在所述蓄水区(R)中并且在它们之间限定所述水流的上升流动容积。

-在这两个板体中，根据水流在所述蓄水区中的总体流向，第一板体位于第二板体的上游；并且，所述第一板体远离所述蓄水区底部地延伸，水流进入所述上升流动容积中的一进入通道布置在所述第一板体的下边部和所述蓄水区的底部之间。有利地，所述第一板体超出所述蓄水区中的水面。

-所述第二板体延伸到所述蓄水区的底部；并且，水流相对于所述上升流动容积的一出离通道布置在所述第二板体的上边部和所述蓄水区的水面之间。

-所述板体是固定的。作为变型，所述板体至少部分是可垂直地活动的，这允许使板体的运行适于根据季节会变化的蓄水区的高度。

-所述气体收集部件包括一腔室，所述腔室通过一凹形结构形成，所述凹形结构的凹面朝向所述装置的一部分，并且向所述底部敞开。

-所述凹形结构在所述蓄水区的水面浮动。凹形结构可基本布置在上升流动容积的上方和在第二板体的上边部上方。

-所述设施配设有水流向所述水轮机下游流通的一导管；和至少一气体收集室，其与所述导管的内部容积在流体方面联通。

-至少一气体收集室在所述导管的基本水平的一部分中，与所述导管的内部容积的一上部区域在流体方面联通；所述的或多个的气体收集室通过一个或多个开口与所述导管的内部容积相连，所述的或多个的开口平行于所述导管的基本水平的部分的纵向轴线地分布；并且，所述气体收集室通过一壳体界定，所述壳体接合在所述导管的一壁体的上部分上，并且在该上部分上密封地连接。

-所述气体收集室是唯一的，并且通过多个开口与所述导管的内部容积相连。

-多个气体收集室在所述导管的基本水平的部分的长度上分布，并且每个气体收集室通过至少一开口与所述导管的内部容积相连。

-在一方面平行于所述导管的水平部分的中心轴线地测量的、在所述水轮机的轮体的转动轴线和所述气体收集室的最上游的开口的上游边部之间的距离和另一方面轮体的直径之间的第一比例大于1，特别是等于2；并且，在一方面平行于所述中心轴线测量的、在所述轮体的转动轴线和所述气体收集室的最下游的开口的下游边部之间的距离和另一方面轮体的直径之间的第二比例大于2，当所述第一比例等于1时所述第二比例特别是等于3。

-所述气体收集室通过一导管与一气体储积罐相连接，如有需要该气体储积罐是可拆换的，或与对在所述收集室中所收集的气体进行处理的一处理单元相连接。

-所述收集室与所述收集气体的排送或处理部件相连接。

附图说明

通过阅读接下来的根据本发明原理的设施的多个实施方式的描述，本发明将更好地得到理解，且本发明的其它优点将更为清晰地得到展示，这些实施方式仅作为示例给出并且参照附图，附图中：

-图1是根据本发明的设施的原理的示意图，其根据水轮机的轮体的转动轴线的轴向剖面示出。

-图2是图1的细部II的放大比例图；

-图3是图1的细部III的放大比例图；

-图4是根据图3的线IV-IV的剖视图。

-图5是与图2相似的视图，用于根据本发明的第二实施方式的设施；和

-图6是与图3相似的视图，用于根据本发明的第三实施方式的设施。

具体实施方式

在图1和图2上示出的设施I包括轴同辐流式类型的一水轮机1，其轮体2用于通过来自一蓄水区R的一强制流E按围绕一垂直轴线X₂的方式被施以转动，蓄水区通过一堤坝D界定。与轮体2相连在一起的一轴体3与一交流发电机4联接，交流发电机根据轮体2的转动将交流电发送到未示出的一电网。设施I因而允许将强制流E的水力能转化为电能。

设施I可包括多个从蓄水区R进行供给的水轮机1。

作为变型，轴体3可与一机械组件相联接，在此情形下设施I将强制流E的水力能转化为机械能。

一供给管道5允许将强制流E带至轮体2，且在蓄水区R和一导流罩壳6之间延伸，导流罩壳配有导流叶片61，导流叶片允许对强制流E进行调节。

在水轮机1下游设置一导管8，用于排送强制流E和将强制流送回由其形成蓄水区R的河床。

设置一控制单元10，用于特别是根据从交流发电机4供给的电网的电力需要来控制水轮机1。单元10能够限定设施I的多个运行点，且分别地向交流发电机4和导流叶片61发送控制信号S₁和S₂。

一装置200浸没在蓄水区R中，用于对引向管道5的管口51的水限定一上升运动。在蓄水区R中的、在管口51方向上的水流记为E₀。该水流整体上在堤坝D的方向上产生。

装置200包括第一板体202，第一板体基本上在蓄水区R的整个宽度上延伸，即该蓄水区的平行于堤坝D的尺寸。装置200还包括第二板体204，第二板体基本平行于第一板体202并且也在蓄水区R的整个宽度上延伸。

相对于水流在蓄水区R中的方向，板体202位于板体204的上游。

在蓄水区R的宽度较大的情形中，板体202和204可仅仅在蓄水区的一部分宽度上延伸，因此用于进入管道5中的全部的水在这些板体之间流过。为此，可设置垂直于堤坝D的隔板，以将管口51与蓄水区R的一部分隔开。

板体202通过在板体长度上规则地间隔的支脚206支撑，以使得板体202的下边部208在相对于蓄水区R的底部F的一非零高度H₁上延伸。选择支脚206和板体202的高度使得板体超过在蓄水区R中的水面S_E。

板体204建立在底部F上并且其上边部210在蓄水区R中浸没到一深度P₁，该深度取决于水在蓄水区R中的水位。

在板体202和204之间安装撑杆212，这赋予装置200以良好的稳定性。

将在板体202和204之间限定的容积记为V₂₀₀。

由于板体204支撑在蓄水区R的底部F上，引向管道5的管口51的水流E₀应必须地在板体204的上边部210上方经过。为此，水流E₀应具有在容积V₂₀₀中的上升运动。

由于板体202超过表面S_E，水流E₀应必须地在该板体下方经过并且进入必定存在前述的上升运动的容积V₂₀₀中。

水流E₀通过经过第一通道214，进入板体202和204之间，第一通道在高度上在边部208和底部F之间限定，在宽度上在至少两支脚206之间限定。从通道214，水流E₀在容积V₂₀₀内部具有一上升运动，直到流向在板体204和堤坝D之间的蓄水区R的下游部分，以进入管道5中。水流E₀的流入经过在板体204的上边部210和表面S_E之间限定的一通道216进行。

水流E₀在容积V₂₀₀中和向通道216的这种上升运动被获得，而不需使用一泵或另一种使水运动的装置。因此产生水在蓄水区(R)中的自然流动。

由于水流E₀在容积V₂₀₀中的上升运动，组成该水流的水经历递减的压力。实际上，水压在底部F附近较大，而在表面S_E附近显著减小，这是因为该压力与水的深度成正比。因此，水流E₀在容积V₂₀₀中的上升运动具有降低水流E₀所经历的压力的作用，使得在表面S_E附近，在水流E₀中形成甲烷或其它气体的气泡B。换句话说，对在进入管道5的管口51前的水流E₀限定在容积V₂₀₀中的一垂直上升运动的事实具有使在该水流中存在的甲烷和其它气体通过鼓泡释出的作用。

收集和回收以此释出的甲烷气泡的部件以一浮筏400的形式设置，浮筏在表面S_E上浮动并且在容积V₂₀₀和板体204的上方保持不动。该浮筏400包括保证其吃水线的一轮缘402，以及凹形形状的一罩壳404，罩壳的凹面朝向表面S_E。因此，到达蓄水区R的表面，进入轮缘402内部的甲烷和/或其它气体的气泡B可通过由罩壳404形成的一收集室412进行回收。

罩壳404通过一挠性导管406与一储积罐420相连接，储积罐420通过堤坝D支撑，和在其中存储在收集室412中回收的气体。储积罐420是可拆换的，以在装满的时候进行替换。

实际上，水流E₀可能包含多种气体且气泡B可能是不同气体的混合物，这些不同的气体通过浮筏400收集并被引向储积罐420。

板体202和204以金属、混凝土或复合或合成材料制成。板体通过未示出的部件，例如锚固块和/或支撑在堤坝D上的支柱在蓄水区R内部保持不动。

导管8包括一上游部分81，该上游部分是基本垂直的、截锥形的并且在轮体2的转动轴线X₂上定中心。导管8还包括在基本水平的一轴线X₈₂上定中心的一下游部分82。在本申请的含义中，就轴线X₈₂与水平面形成小于20°的一角度而言，轴线X₈₂是基本水平的。实际上，轴线X₈₂可在水流E的方向上略微上升。一90°弯管83将导管8的部分81和82相连。通过弯管83形成的角度值小于90°。将导管8的内部容积记为V₈。

一收集室12布置在导管8的部分82的上方，并且通过多个开口14与容积V₈相联通，开口在导管8的壁体16中实施，位于该壁体的上部分。开口14沿着轴线X₈₂分布在部分82的长度上。

因此，当在水轮机1的出口在水流E中形成甲烷气泡B时，由于水流经过轮体2产生的该水流E的压力降低，这些气泡向下游部分82中的容积V₈的上部分S₈流动，并且经过开口14，如通过图2和图3的箭头F₁所示，以使得收集室12收集在水流E中存在的一部分气体。

收集室12因此允许回收通过水流E释出的大部分甲烷，因而避免甲烷向大气蔓延。

收集室12通过一管道18与在其中可储积甲烷的一储积罐20相连接。一阀门22允许控制收集室12的甲烷向储积罐20的流动。单元10通过一信号S₃对阀门22进行控制。

实际上，收集室12允许收集由于水流E在水轮机1中的压力下降所释出的不同气体，且在上文中述及的是甲烷的情况下，这里还涉及其它的气体。

储积罐20是可拆换的，以在装满时进行替换。

代替在收集室12中所收集的该或多种气体的储积罐20，可设置这些气体的一处理单元，以使得这些气体对于周围大气而言是较为无害的。该单元可包括允许产生热量的一燃烧器。

将在轴体X₂和收集室12的上游边部121之间的、平行于轴线X₈₂测量的距离记为d₁。将在轴体X₂和收集室12的下游边部122之间的、平行于轴线X₈₂测量的距离记为d₂。边部121和122分别地形成最上游的开口14的上游边部和最下游的开口14的下游边部。对于轮体2的直径D₂大约为5米的设施，距离d₁大于5米，优选地等于大约10米，而距离d₂大于10米，优选地等于大约15米。可以考虑的是，d₁/D₂比大于1，例如等于2，而d₂/D₂比大于2，例如当d₁/D₂等于2时等于3。这些值是象征性的，并且特别是如果出现一现有堤坝整修的情况，可适于导管8的构型。

收集室12通过钢制的一壳体24界定，壳体嵌接在壁体16的上部分161上并且在上部分上密封地连接，例如通过焊接。壳体可以不同于钢的一材料制成，特别是以合成材料或混凝土制成。

相对简单的通过构件18到24形成的整体结构允许设计修改现有的设施，以对温室效应气体，如甲烷进行回收。当然，设施也可以新的设施进行实施。

根据本发明的未示出的一实施方式，收集室12可被多个单独的收集室替代，这些收集室沿着导管8的部分82分布，每个收集室通过一或多个开口与导管8的内部容积V₈相连接。

该或多个收集室12使装置200和浮筏400的作用变得完整，用于回收在设施I中形成的气泡。不过这些收集室12的使用不是强制性的。

在图5上示出的本发明的第二实施方式中，与第一实施方式相似的元件采取相同的标记。

在该实施方式中，下游板体204由一固定部分2042和一活动部分2044形成，固定部分在蓄水区R中保持不动，活动部分通过安装在固定部分2042上的一作动缸2046控制。活动部分2044能够相对于固定部分垂直地运动，如通过双箭头F₁所示的，这允许调整板体204的上边部210相对于水面S_E的位置，以使得容积V₂₀₀的出离通道216可保留一给定高度。换句话说，边部210所处的高度P₁可借助于作动缸2046进行调整。

这允许考虑到水在蓄水区R中的高度，该高度可根据降水量变化。深度P₁越小，应在表面S_E附近经过的水流E₀越大和形成气泡B的现象越突出。然而，P₁的值被保持大于一最小值，以不引起会损害设施效率的涡流。

上游板体202是固定的并且其上边部超过水面S_E。上游板体与下游板体204限定一容积V₂₀₀，在其中由装置200对用于进入强制管道5的管口51中的水流E₀限定一上升运动，这引起气泡B的形成，如在第一实施方式中一样。

在该实施方式中使用的浮筏400在容积V₂₀₀上方保持不动，并且配备有安装在其罩壳404上的一火炬架418，这允许燃烧以气泡B的形式流向通过罩壳404限定的收集室412的气体，如甲烷。这些气体因而通过燃烧焚毁，并因此产生于该燃烧的气体，主要是CO₂，与甲烷相比，对温室效应的影响较小。

根据本发明的未示出的一变型，板体202也可设置为至少部分地垂直地活动的。例如，支脚206可是伸缩性的或板体202可是浮动的且通过在底部F上固定的一框架垂直地导向。不过板体202的上边部总是超过水面S_E。

在所描述的两实施方式中，未示出的部件，如固定在板体202上的缆绳被设置以将浮筏400保持在容积V₂₀₀和通道216的上方。

根据本发明的未示出的一变型，收集通过水流E₀在装置200中的上升运动产生的气泡的收集部件可通过板体202的上部分支撑，以使得不需要使用浮筏。

在图6上示出的本发明的第三实施方式中，与第一实施方式相似的元件采用相同的标记。

在下文中，仅描述该实施方式与前述实施方式的不同之处。

在该实施方式中，三个收集室12、12′和12″沿着轴线X₈₂分布在导管8下游部分82的长度上。这些收集室每个通过一开口14、14′、14″与设施的排送导管8的内部容积V₈的上部分S₈相连接，以使得这些收集室允许收集在该导管中形成的甲烷气泡B或其它的温室效应气体。

每个收集室12通过钢制的一壳体24界定，壳体密封地嵌接在导管8的壁体16的上部分161上。

不同的收集室相互之间通过导管18的部分相连接，导管将这些收集室集体地与一储积罐相连接，如第一实施方式的储积罐20，或与所收集气体的一处理单元相连接。

如在第一实施方式中一样，将平行于轴线X₈₂测得的、在水轮机的轮体的转动轴线，且分别地收集室12的上游边部121和收集室12的下游边部122之间的距离记为d₁和d₂。以与第一实施方式相同的标记，d₁/D₂比大于1，而d₂/D₂比大于2和大于d₁/D₂。

根据未示出的一实施方式，收集室12、12′或12″的每个可通过多个开口与导管8的内部容积V₈相连接，开口本身也根据轴线X₈₂分布。

无论所考虑的实施方式如何，装置200和浮筏400的结构的实施相对简单，以使得这种结构不仅可使用于新的设施，也可使用于现有设施的整修。

本发明并不局限于包括一轴同辐流式水轮机的设施。本发明可在包括另一类型的水轮机，例如轴流转桨式水轮机或灯泡式水轮机的各种设施中进行实施，在其中由于强制水流穿过水轮机，溶解在水中的一或多种气体可被释出。

也可设计其它的变型。因此，收集室412可通过一浮筏支撑，同时浸没在蓄水区中，这使得收集室412相对于图2的收集室而言对风和波浪较不敏感。为此，只需在罩壳404上方布置浮筒402。此外，在要整修的设施的情形中，可延长现有的排送导管，以允许气体收集室的安装。作为变型，气体收集室可通过“料钟”类型的一装置形成，该装置布置在排送导管的管口，例如在水流表面上浮动的一浮筏上，位于设施的下游，或钩挂在排送导管的下游端部上。

所设计的不同实施方式和变型的技术特征可在本发明的范围内相互进行组合。

Claims (16)

1.用于将水力能转化为机械能或电能的设施(I)，该设施包括至少一水轮机(1)，一蓄水区(R)和一供给管道(5)，该供给管道给所述水轮机给送来自所述蓄水区的水(E)，其特征在于，所述设施包括：

-一浸没装置(200)，其浸没在所述蓄水区中，并且能够对在所述蓄水区(R)中、朝所述供给管道(5)的管口(51)方向前进的一水流(E₀)施行一上升运动，和

-气体收集部件(400)，其布置在所述浸没装置的一部分(V₂₀₀)的上方，在所述浸没装置中进行水流(E₀)的上升运动。

2.根据权利要求1所述的设施，其特征在于，所述浸没装置包括至少两板体(202，204)，所述板体布置在所述蓄水区(R)中并且在它们之间限定所述水流(E₀)的上升流动容积(V₂₀₀)。

3.根据权利要求2所述的设施，其特征在于，在这两个板体中，根据水流(E₀)在所述蓄水区(R)中的总体流向，第一板体(202)位于第二板体(204)的上游；并且，所述第一板体远离(H₁)所述蓄水区底部(F)地延伸，水流进入所述上升流动容积(V₂₀₀)中的一进入通道(214)布置在所述第一板体的下边部(208)和所述蓄水区的底部(F)之间。

4.根据权利要求3所述的设施，其特征在于，所述第一板体(202)超出所述蓄水区(R)中的水面(S_E)。

5.根据权利要求3或4所述的设施，其特征在于，所述第二板体(204)延伸到所述蓄水区(R)的底部(F)；并且，水流相对于所述上升流动容积(V₂₀₀)的一出离通道(216)布置在所述第二板体(204)的上边部(210)和所述蓄水区的水面(S_E)之间。

6.根据权利要求2到5中任一项所述的设施，其特征在于，所述板体(202，204)是固定的。

7.根据权利要求2到5中任一项所述的设施，其特征在于，所述板体(202，204)至少部分(204)是可垂直地(F₁)活动的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述气体收集部件包括一腔室(412)，所述腔室通过一凹形结构(404)形成，所述凹形结构的凹面朝向所述装置(200)的一部分，并且向所述底部敞开。

9.根据权利要求8所述的设施，其特征在于，所述凹形结构在所述蓄水区(R)的水面(S_E)浮动(400)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述设施还包括水流(E)向所述水轮机(1)下游流通的一导管(8)；并且，至少一气体收集室(12)与所述导管(8)的内部容积(V₈)在流体方面联通。

11.根据权利要求10所述的设施，其特征在于，至少一气体收集室(12；12，12′，12″)在所述导管的基本水平的一部分(82)中，与所述导管(8)的内部容积(V₈)的一上部区域(S₈)在流体方面联通；所述的或多个的气体收集室通过一个或多个开口(14；14，14′，14″)与所述导管的内部容积相连，所述的或多个的开口平行于所述导管(8)的基本水平的部分(82)的纵向轴线(X₈₂)地分布；并且，所述气体收集室(12)通过一壳体(24)界定，所述壳体接合在所述导管(8)的一壁体(16)的上部分(161)上，并且在该上部分上密封地连接。

12.根据权利要求1所述的设施，其特征在于，所述气体收集室(12)是唯一的，并且通过多个开口(14)与所述导管的内部容积相连。

13.根据权利要求1所述的设施，其特征在于，多个气体收集室(12，12′，12″)在所述导管(8)的基本水平的部分(82)的长度上分布，并且每个气体收集室(12，12′，12″)通过至少一开口(14，14′，14″)与所述导管(8)的内部容积(V₈)相连。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，在一方面平行于所述导管(8)的水平部分(82)的中心轴线(X₈₂)地测量的、在所述水轮机(1)的轮体(2)的转动轴线(X₂)和所述气体收集室(12)的最上游的开口(14)的上游边部(121)之间的距离(d₁)和另一方面轮体的直径(D₂)之间的第一比例(d₁/D₂)大于1，特别是等于2；并且，在一方面平行于所述中心轴线(X₈₂)测量的、在所述轮体(2)的转动轴线(X₂)和所述气体收集室(12)的最下游的开口(14)的下游边部(122)之间的距离(d₂)和另一方面轮体的直径(D₂)之间的第二比例(d₂/D₂)大于2，当所述第一比例等于1时所述第二比例特别是等于3。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述气体收集室(12)通过一导管(18)与一气体储积罐(20)相连接，如有需要该气体储积罐是可拆换的，或与对在所述收集室中所收集的气体进行处理的一处理单元相连接。

16.根据权利要求8到15中任一项所述的设施，其特征在于，所述收集室(12，412)与所述收集气体的排送或处理部件(20，418，420)相连接。

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