CN103114565B - 适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统及水电站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统及由其构建的多级发电站，截流引水系统的构成主要包括引流取水口、设置在位于引流取水口下游且靠近取水口的河岸上的门墩、用于拦截水流的闸门和推拉闸门相对门墩转动改变河道通流截面的驱动支撑装置，所述闸门一侧与门墩铰联接，另一侧为自由侧，所述驱动支撑装置的一端通过铰结构固定于河岸，另一端与闸门铰联接。多级发电站只设置一个截流引水系统，上一级发电站水轮机排放尾水通过压力管道引入到下一级发电站水轮机做功发电。本发明与传统坝式水电相比，能有效利用原始流道的水能，避免在此类地理地质形态下采用传统水电开发方式建造传统大坝对周围环境的破坏，有利于生态环境保护。

Description

适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统及水电站

技术领域

本发明涉及截流引水发电技术，特别是涉及于高流速、高坡降地理地质形态下通过闸门控制调节虚拟压力前池的水力发电截流引水系统及发电站。 

背景技术

我国高海拔地区的城市河流与未定型的高山河流资源很多，普遍的特点是十几公里的水流河道坡降落差很多都在五百米以上。另有更大坡降的水流河道，其所处的海拔高点又多是大气物理运动激烈的区域，且山地积雨面积大，由于其积雨面积广阔，山地森林植被较稳定，形成常态流量的稳定时段很长。但对发生在高海拔地带次生型流道与城市化成型的水流通道的水力资源，因高海拔地段流道的高坡降、高流速形态，加之所处地段的生态及施工条件限制，以目前已有的技术手段，其水能资源还难以电力化开发利用。这些水力资源不能电力化开发利用的一个主要原因，是目前的水电站必须在引水渠道和压力水管之间修建压力前池，修建压力前池会对原始流道造成破坏，以及压力前池蓄水后存在地质隐患，这些原因成为制约这类水能资源不能得以开发的主要问题。 

直到本发明完成之前，发明人还未发现本发明提出的截流引水系统，根据上游来水量的变化控制闸门开启度形成无坝虚拟压力前池，利用河道的高流速、高坡降，通过埋置在河床内的压力管形成高落差，推动混流式或冲击式水力发电系统发电。 

发明内容

针对高流速、高坡降形态下水能资源利用的现状，本发明的目的旨在提供一种适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统及由其建造的多级发电站，以电力化开发利用高流速、高坡降形态下水能资源，并立足于生态保护与稳定次生水道形成为成型完整水道。 

本发明的上述目的，可通过由下述技术方案构成的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统来实现。 

本发明提供的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其构成主要包括引流取水口、设置在位于引流取水口下游且靠近取水口的河岸上的门墩、用于拦截水流的闸门和推拉闸门相对门墩转动改变河道通流截面的驱动支撑装置，所述闸门一侧与门墩铰联接，另一侧为自由侧，所述驱动支撑装置的一端通过铰结构固定于河岸，另一端与闸门铰联接。 

本发明进一步的技术方案，所述引流取水口为埋置在河道中的压力管道的引流取水口。引流取水口可设置在河岸上，也可设置河床上；其口面方向可垂直水面，也可朝下。优先考虑将引流取水口设置在闸门墩所在一侧河岸，且取水口的口面垂直水面。 

本发明进一步的技术方案，所述拦截水流的闸门，优先考虑的设置方式为，增大河道通流截面时，闸门顺水流方向运动，减小河道通流截面时，闸门逆水流方向运动。 

本发明进一步的技术方案，可在闸门自由端指向一侧的河床上设计用于排沙的排沙槽。 

本发明进一步的技术方案，可在闸门前面的河床上设计用于拦沙的挡板，拦沙挡板设置方式为，朝水流下游方向倾斜指向排沙槽。 

为了能更好地适应流量比较大的河道，本发明上述技术方案中所述的闸门可考虑采用伸缩闸门，伸缩闸门可由主体门、至少一段伸缩门和驱动伸缩门相对于主体门伸缩运动的驱动装置构成。伸缩闸门可为拼叠式结构，即伸缩门拼靠重叠在主体门上，也可为插套式结构，即所述主体门为腔体式门，伸缩门置于主体门的门腔内，由设置在主体门上的液压驱动装置驱动伸缩运动。优先考虑采用插套式结构。进一步优先考虑将伸缩门设计为通过承重轮悬挂置于主体门的门腔内，在伸缩门与主体门腔壁之间设计若干导向滚轮，以便于伸缩门在主体门门腔内伸缩运动。 

在本发明的上述技术方案中，推拉闸门转动改变河道通流截面的驱动支撑装置可设置在闸门背水面一侧，也可设置在闸门迎水面一侧，优先考虑设置在闸门背水面一侧。驱动支撑装置可设计成由推拉闸门转动的驱动杆和支撑杆构成。当然也可将驱动杆和支撑杆设计为一体。所述驱动杆可为液压驱动杆，也可为螺纹副驱动杆，优先考虑采用液压驱动杆，即由油缸杆和活塞杆构成的驱动杆。所述支撑杆可考虑设计成由相互铰接的两支撑杆和固定在河岸上的弧形杆构成，在弧 形杆上设计若干档孔，在一端通过铰结构固定于河岸上的支撑杆上设计与弧形杆上的档孔相对应的插销孔，通过插销将弧形杆和该支撑杆固定在一起。 

以本发明公开的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统建造的多级水电站，通过取水口位于闸门上方埋置在河道内的压力管将水流引入水电站推动水轮机驱动发电机发电，上一级水电站排放尾水通过埋置在河道内的压力管引入到下一级水电站推动水轮机驱动发电机发电。 

本发明还采取了其他一些技术措施。 

本发明的出发点是立足于生态保护与稳定次生水道形成为成型完整水道，在满足水力资源开发利用投资少，易于环境保护和技术上实现，确保避免对环境的破坏，在水力资源开发利用建立在环境保护的前提下，提出了在高流速、高坡降河道上以转动式闸门构建截流引水系统形成虚拟压力前池，通过埋置在河道内的压力引水管将水流引入到水电站推动水轮机驱动发电机发电，下一级电站引水口接上一级电站尾水出口，可以建造多级水电站，对高流速、高坡降形态下的水能资源进行利用，以充分利用流域水能资源。 

本发明的拦水引流系统是建立在坡降大、流速高的流道上。其建造是根据水文的变化和所要安装的水轮发电机组容量对水能的需要，对取水口所在河段的堤岸与流道进行适当加高施工，对河床进行平整、下挖等施工，通过安装具有可伸缩和转动功能的可调节闸门构建虚拟压力前池。本发明的运行，在水量稳定的非洪水季节，使闸门向外延伸并逆水转动，以最大限度拦蓄河道水流，使其进入压力引水管。在洪水季节，在保证发电所需水流量的条件下调节闸门开度，让多余的水流通过闸门外端河道下泄。 

本发明一般采用钢管作压力引水管，将压力钢管埋置在原河道。高流速、高坡降形态下的水能资源常态流量较小，这也决定了引水压力钢管直径远小于河道宽度，在枯水季节利用较小的作业面即可实现压力钢管的埋置工作，钢管埋置后将流道恢复到原来的深度与宽度，不影响洪水季节流道原来的泄洪能力。 

采用本发明建造多级水电站，可以实现对整个高坡降河段的水能开发，根据流道形态每一百米落差左右即可建立一级电站，电站尾水不与原河道内的水混合，直接引入到下一级电站的压力管道，即避免了水质污染，又减少了次级电站闸门的修建，可大大降低整个高坡降流道段水能开发的投资成本。 

采用本发明设计水电站，其主要优点是： 

1．由水工技术实现的流道与可调节闸门配合形成虚拟压力前池，以在原流道埋置压力钢管的方式将虚拟压力前池的水流引入到水轮发电机组，因此能最大限度地保留原流道形态，有效避免了地质隐患。所有的施工均可在不破坏环境的前提下进行。 

2．通过闸门的转动与伸缩，保证了水轮发电机组取水的稳定。 

3．闸门外侧的河道侧流为进入河道的流木、草、砂石建立起了下排通道，也为河流生物保留了上下通道。 

4．上级电站尾水不与原流道的水流混合，直接引入到下一级水轮发电机组的压力管道，因此，在整个高坡降河段只需在第一级电站修建一个闸门，只进行一次排沙、木、草的水工处理，有效降低了多级电站建设投资成本。 

本发明与现有水电站相比，具有以下十分突出的有益技术效果： 

1．水力发电需要水流落差形成足够的流速与一定的流量。现有的径流发电、库容发电体系均需要在水轮发电机组之前形成水力发电必须的水流能量，经压力管道导向水轮发电机组。为此，必须构建形成不等库容量的高、中、低坝。而此种种，电站建造均存在一定范围的施工面，而施工面的存在均会对所在地环境产生破坏，以及工程后期的环境恢复。当今尽管人们对环境保护十分重视，但现有技术在高海拔地区对高坡降、高流速流道水资源的开发，对环境的破坏都很难避免。而对于高海拔地区依水道而建的城市，其水道水力资源的开发更无先例。对于在无人地带进行水力开发利用带来的环境破坏，建设后的环境恢复存在可能。而对于贯通城市的高坡降高流速河道水能资源的开发，却存在环境恢复的不可能，却会带来危害隐患的形成。对高海拔地带的高坡降、高流速流道水资源的利用，本发明首要考虑的是尽量避免与降低施工对环境破坏。本发明只在局部的河段进行水工作业，对河床进行开挖与整治，由可伸缩打开与收拢的闸门形成虚拟压力前池，由埋置在河道中的压力钢管将虚拟压力前池的水流引入到水轮发电机组进行水力发电。由于闸门可根据水文地质情况先行预制，在水工作业结束后进行安装形成虚拟压力前池，因此不会象以往电站建设那样展开作业，造成对环境的破坏。 

2．所有利用径流、库容发电的电站建造，都需要用钢筋水泥浇筑构建压力前池，压力前池均有固定的形态。固定形态的压力前池常常不能适应水文环境变 化，在洪水期不能适应突然而来的山洪，在枯水期因储水不足无法保证发电。本发明以埋置在河道中的压力管和可调节开启度的闸门形成虚拟压力前池，在设计形成压力前池的闸门时充分考虑了这些水文变化因素，以这些因素作为闸门伸缩展开的设计依据，因此能完全应对不同水文环境的变化。即使在冬季枯水季节，通过控制伸缩闸门展开形成的虚拟压力前池，也能实现水轮发电机组有稳定的水流，保证水轮发电机组的运行正常。 

3．所有需要由拦河坝构建压力前池的径流发电与库容发电，拦河坝都难于在高海拔山区的城市河道中进行建设。现有技术无法利用这些河流水力资源。本发明以埋置在河道中的压力引水管和可伸缩调节的闸门形成虚拟压力前池，而虚拟压力前池构均可在城市河道关系形成后的条件下建设，并且通过构建虚拟压力前池对河道进行整治，不但可利用城市河道水力资源，也可为城市防洪提供安全保障。 

附图说明

图1是由在斜坡急流河道构建的截流引水系统建造的多级水电站平面布置示意图。 

图2是转动驱动装置处于推展状态时的截流引水系统的平面结构示意图。 

图3是转动驱动装置处于拉缩状态时的截流引水系统的平面结构示意图。 

图4是附图3中A-A 向剖视结构示意图。 

图5-1是闸门的板面结构示意图。 

图5-2是图5-1中闸门的左视结构示意图。 

图5-3是图5-1中B-B向剖视结构示意图。 

在上述附图中，各图示标号标识的对象分别为：1引水口；2闸门机构；2-1液压驱动杆；2-2弧形杆；2-3铰结构；2-4支撑杆；2-5液压驱动杆与闸门的铰结点；2-6支撑杆与闸门的铰结点；2-7闸门；2-7-1承重轮；2-7-2液压驱动装置；2-7-3导向轮；2-7-4主体门；2-7-5伸缩门；2-8门墩；3引水压力管；4河道；4-1主体门对应的河道底面；4-2伸缩门对应的河道底面；5水轮发电机组；6拦沙挡板；7排沙槽。 

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，并结合实施例对本发明进行进一步的描述，以便于人们对本发明的理解。本发明的具体结构形式不限于下述实施例所描述的形式，本领域的技术人员可根据本发明揭示的思想不付出创造性地劳动还可设计出其他具体实施方式，但这些根据本发明内容设计出的具体实施方式仍属于本发明的保护范围。 

实施例1 

本实施例提供的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统及由其建造的多级水电站，如附图1至附图5-3所示，在坡降大、流速高的流道4上游建造由伸缩闸门机构2构建的虚拟压力前池截流引水系统，由埋置在河道4中的压力钢管3通过取水口1将水流引入到水轮发电机组5进行发电，由水轮发电机组5排出的尾水进入下一级水轮发电机组的引水压力管，再一次利用发电。在建造虚拟压力前池截流引水系统的河道段，对河道床底进行简单的开挖修正，对河岸进行适当的加高修正。所建造的截流引水系统，包括引流取水口1、设置在位于引流取水口下游且靠近取水口处河岸上的门墩2-8、用于拦截水流的闸门2-7、推拉闸门相对门墩转动改变河道通流截面的驱动支撑装置、排沙槽7和拦沙挡板6。所述闸门为由主体门2-7-4和一伸缩门2-7-5构成的伸缩闸门，伸缩门通过承重轮2-7-1悬挂置于主体门的门腔内，在伸缩门与主体门腔壁之间设计若干导向滚轮2-7-3，伸缩门由设置在主体门上的液压驱动装置2-7-2驱动伸缩运动，闸门的一侧通过铰轴安装在门墩2-8上，伸缩端一侧为自由侧。推拉闸门转动改变河道通流截面的驱动支撑装置设置在闸门背水面一侧，驱动支撑装置由液压驱动杆2-1和支撑杆2-4构成，所述液压驱动杆由液压缸杆和活塞杆构成，液压缸杆通过铰结构固定于河岸上，活塞杆通过铰结构与主体门2-7-4联接。所述支撑杆2-4由一端通过铰结构固定于河岸上的支撑杆，一端通过铰结构与主体门固定联接的支撑杆和固定在河岸上的弧形杆2-2构成，两支撑杆通过铰结构2-3联接，弧形杆上设计有若干档孔，一端通过铰结构固定在河岸上的支撑杆设计有与弧形杆上的档孔相对应的插销孔，通过插销将弧形杆和该支撑杆固定在一起。所述排沙槽7设置在闸门自由端指向一侧的河床上。拦沙挡板6设置在闸门前面的河床上，拦沙挡板6设置方向朝水流下游方向倾斜指向排沙槽7。 

Claims (11)

1.一种适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，包括引流取水口(1)、设置在位于引流取水口下游且靠近取水口的河岸上的门墩(2-8)、用于拦截水流的闸门(2-7)和推拉闸门相对门墩转动改变河道通流截面的驱动支撑装置，所述闸门一侧与门墩铰联接，另一侧为自由侧，所述驱动支撑装置的一端通过铰结构固定于河岸，另一端与闸门铰联接，闸门自由端指向一侧的河床上设计有排沙槽(7)。

2.根据权利要求1所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述引流取水口为埋置在河道中的压力管道的引流取水口。

3.根据权利要求1所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，拦截水流的闸门设置方式为，增大河道通流截面闸门顺水流方向运动，减小河道通流截面闸门逆水流方向运动。

4.根据权利要求1所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，在闸门前面的河床上设计有拦沙挡板(6)，拦沙挡板设置方式为，朝水流下游方向倾斜指向排沙槽。

5.根据权利要求1至4之一所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述闸门为伸缩闸门，由主体门(2-7-4)、至少一段伸缩门(2-7-5)和驱动伸缩门相对于主体门伸缩运动的驱动装置(2-7-2)构成。

6.根据权利要求5所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述主体门为腔体式门，伸缩门置于主体门的门腔内，由设置在主体门上的液压驱动装置驱动伸缩运动。

7.根据权利要求6所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述伸缩门通过承重轮(2-7-1)悬挂置于主体门的门腔内，伸缩门与主体门腔壁之间设计若干导向滚轮(2-7-3)。

8.根据权利要求1至4之一所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，推拉闸门转动改变河道通流截面的驱动支撑装置设置在闸门背水面一侧。

9.根据权利要求8所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述驱动支撑装置由推拉闸门转动的驱动杆(2-1)和支撑杆构成。

10.根据权利要求9所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统，其特征在于，所述驱动杆为液压驱动杆，所述支撑杆为组合支撑杆，由相互铰接的两直杆和固定在河岸上的弧形杆构成，弧形杆上设计有若干档孔，一端通过铰结构固定于河岸上的直杆上设计有与弧形杆上的档孔相对应的插销孔，通过插销将弧形杆和该直杆固定在一起。

11.以权利要求1至10所述的适用于斜坡急流河道引流发电的截流引水系统建造的多级水电站，通过取水口位于闸门上方埋置在河道内的压力引水管将水流引入水电站推动水轮机驱动发电机发电，上一级水电站排放尾水通过埋置在河道内的压力引水管引入到下一级水电站推动水轮机驱动发电机发电。