CN103180604A

CN103180604A - 循环水流渐缩管道动力发电系统

Info

Publication number: CN103180604A
Application number: CN2011800450031A
Authority: CN
Inventors: 邓庆时
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-06-26
Also published as: US20140020360A1; WO2012129717A1

Abstract

提供一种循环水流渐缩管道动力发电系统。该系统包括一喷嘴组装置（10、20、30、40）、一佩尔顿水轮机发电机组和一上抽尾水循环装置。所述喷嘴组装置（10、20、30、40）包括有一组渐缩管道。所述渐缩管道由前端大直径管（12）、中间30°渐缩管（5）、后端小直径喷嘴（6）组成。前端大直径管（12）内装有一横式轴流泵浦（4），所述轴流泵浦（4）转动时提供管内水流足够能量。渐缩管（5）可提高水流流速，形成后端小直径喷嘴（6）的高速喷流。利用前述喷流驱动所述佩尔顿水轮机（8）发电机组以发电。所述上抽尾水循环装置将水轮机下方的尾水上抽到地面上，循环不断供给渐缩管道所需的水力。

Description

循环水流渐縮管道动力发电系统

技术领域

本发明属于水力发电领域，特别涉及一种循环水流渐缩管道动力发电系统。

背景技术

现今全球主要的能源损耗主要是靠消耗大量石化能源来提供人类生活所需，虽然形成全世界经济文明的繁荣景像，却也使全球二氧化碳排放量大幅提升，使得地球环境不利于生物生存。而随着文明的脚步加快，人类对于能源的需求逐年增加，使得地球暖化问题日益加剧，严重影响人类生存。

另一项课题，由于石化能源总有枯竭的一天，而人类对于能源的需求却不断上升，若石化能源的来源中断，不仅造成生活上的重大问题，各国之间也势必因为争夺能源而产生不断的冲突。

有鉴于此，要完全解决人类经济成长与环境维护双赢的方法，就是发展新式绿色能源，这也是目前全世界最重视的产业之一，各国无不把发展绿色能源当作国家建设的目标，甚至是作为国家形象的指标。

论述当前的绿色能源，主要有太阳能、风能以及水力发电等。太阳能由于取得容易，不受制于他国，且存量充沛，故为世界各国主力推展的目标。然而，太阳能的主要缺点在于效率太低，要取得足够使用的太阳能，必须铺设大面积的太阳能板，其资金、场所并非任何国家都可以完成。而风能虽然效率较高，但风力来源极不稳定，加上其设备的成本相当高昂，故只能做为辅助性的补充电源，而难以成为电力主要来源。

因此，水力发电无疑是当前绿色能源中最有经济效益的。其中最显而易见的方式，就是在河流中建立水坝，将自然界的水源集中，再以高低落差的能量转换冲击发电机，因而产生大量的电力来源。

然而，并非任何一条河流都可进行水力发电，对于水资源不足的国家，其只能求助于其它能源。而且建构水力发电厂必须有庞大的资金、技术与时间，加上曰后的维修与汰换，其成本相当可观。最重要的是，拦截水流对于自然环境必有其一定的伤害，必须慎重的进行，否则形成的灾难将无人可以负担。

为此，发明人潜心进行研究，提出一种新的水力发电技术，其不受限于地点，通过循环水流依据流体力学驱动发电机发电，经由长时间的研究与实作，终于完成本申请的循环水流渐缩管道动力发电系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种循环水流渐缩管道动力发电系统，其使用少量泵浦不断抽取尾水而形成循环水流，并以渐缩管依据流体力学将管道内的水流转变为高速度喷流，再以该高速喷流驱动佩尔顿水轮机发电机组发电，利用少量水源作循环来使用于大规模的商业性发电系统中。

本发明的另一目的在于提供一种循环水流渐缩管道动力发电系统，其不受限于地点，只要充满一次水量，即可长时间自给自足不断的循环水流来进行发电，进而取得最大的使用效益。

可达成前述目的的循环水流渐缩管道动力发电系统，使用少量泵浦电力循环不断的抽吸 "驱动水轮机后落下的尾水"，将其上升到地面并进入一个水槽及水平渐缩管与喷嘴，被再次加压后，由渐缩管依据流体力学连续性原理，将管道内的水流转变为高速度喷流，驱动佩尔顿水轮机发电机组，可产生大规模的商业性发电。该循环水流渐缩管道动力发电系统主要包括：一高速喷流装置、一佩尔顿水轮机发电机组、一上抽尾水装置，该高速喷流装置包括一渐缩管，其具有前端大直径管与后端喷嘴，依据流体力学中的连续性原理，可将其前端大直径管水流，扩充其流速而形成后端小直径喷嘴的高速喷流，利用该高速喷流装置制造的喷流，驱动一佩尔顿水轮机发电机组发电；而该上抽尾水装置在该水轮机发电机组发电运转的同时，使用一泵浦将水轮机下方的尾水上抽到地面上，持续不断供给渐缩管所需的水力；再通过泵浦能量克服渐缩管的阻力后，产生喷流发电，是可将少量水源作循环使用于发电的设计系统。

附图说明

请参阅以下有关本发明一个较佳实施例的详细说明及其附图，可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为

图 1 , 循环水流渐缩管道发电系统外型图；

图 2, 喷嘴组内部结构说明图；

图 3A，尾水泵浦结构说明图；

图 3B，加压泵浦结构说明图；

图 4，泵浦总操控开关及仪器表图。

【主要组件符号说明】

10、 20、 30、 40: 喷嘴组

50: 水轮机 60: 发电机

70: 喷嘴组内部结构

1 : 尾水泵浦 2: 溢水管

3: 尾水道 4: 加压泵浦

5: 30° 渐缩管 6: 喷嘴

7: 温度控制室 8: 镇墩

9: 水轮机 10: 发电机

11 : 泄水室 12: 水平大直径管

13: 定压水槽 14: 机械室

31: 尾水泵浦总开关 32: 加压泵浦总开关

33: 仪表

具体实施方式

请参阅图 1至图 4所示，循环水流渐縮管道动力发电系统（以下简称本系统）由一个至六个喷嘴与佩尔顿水轮机（ Pelton wheel )发电机组组成。本系统的喷嘴定名为喷嘴组，因其结构包括上抽尾水装置与高速喷嘴装置。

为便于说明 "高速喷流" 的产生，特设计一种规格系统，系统发电能量为 130MW~180MW，由四个喷嘴组 10、 20、 30及 40与中间水轮机 50、发电机组 60构成，每个长条型喷嘴组 10、 20、 30及 40各距离 90。并相对于正中央的发电机组 60而呈一个大十字型，而喷嘴组内部结构 70则如后说明。一、循环水流渐缩管道发电系统的结构

(一）为便于说明水流速度与水量泵浦能量等动力产生的过程，将设计为最大发电量（180MW ) 的运转状况作为范例说明。

(二）本系统喷嘴组的上抽尾水装置，由 1.地下尾水道 3、 2.尾水泵浦 1 与吸水管、 3.定压水槽 13、 4.尾水泵浦总开关 31构成：

1.地下尾水道 3 , 为一条长 23m、宽 4m、深 6m的钢筋水泥方型有盖水道，其内端连接佩尔顿水轮机室 9的泄水室 11，最外端 9m长度的管壁向地面上延展 3m高度，形成两间房室。其中一间为定压水槽 13，其长度 4m, 宽度与尾水道 3宽度同为 4m; 另一间为高压喷流装置的机械室 14，其规格与定压水槽 13 相同。两房室距离 lm, 地下尾水道 3内储水 2.3m深，运转时部份水量上抽到地面上后，仍有约 2m深的水位，又由于运转时有等量于上抽水量的尾水回落到尾水道 3，故 2m水位恒久不变。

2.尾水泵浦 1，为一具能量为 1000KW立式轴流泵浦，用于持续地上抽尾水道 3内的尾水直至上升 6.46m (地面下尾水道水位 2m不计，剩下的 4m为扬程），加上地面上定压水槽 13的 2.46m的水位高度，故实际扬程为 4m+2.46m=6.46m。尾水泵浦 1装在地下尾水道 32m水位中，运转时每秒钟上抽 6.8mVs的水量进入定压水槽 13 , 全系统四个喷嘴组 10、 20、 30及 40共四个尾水泵浦 1由一个尾水泵浦总开关 31控制。

3.定压水槽 13，为一个 3m高，宽度均 4m的钢筋水泥水槽，槽内主要有一支进水管（垂直尾水管的顶端出水口）及一支上大下小如漏斗型的溢水管 2，其水位高度为 2.46m的高度，将上抽尾水除大部份流入高速喷流装置

(水量 6.33 ³ /s ) 外，少部份尾水 ( 0.47_w ³ /s ) 则自溢水管 2溢流回落到尾水道 3，故定压水槽 13内水位，恒久维持在 2.46m的高度，故定名为定压水槽 13。定压水槽 13前壁有一条直径为 lm的不锈钢管通连，将水输送到高速喷流装置，由加压泵浦 4喷出。

4.系统内四个喷嘴组 10、 20、 30及 40共有四个尾水泵浦 1 , 统一由一个尾水泵浦总开关 31操控，开关有转钮及多种发电量刻度、热机刻度、停机刻度等，刻度的制作是依据生产阶段检测试车运转中显示两种泵浦的用电量刻制等的仪表 32来完成。

(三）本系统喷嘴组的高速喷流装置，由 1.一个机械室 14、 2.—条由水平大直径管 12、 30° 渐缩管 5与喷嘴 6三种管道水平连接的渐缩管道、 3.—个加压泵浦 4、 4.四个镇墩 8、 5.—个温度控制室 7所组成：

1.机械室 14，规格与后方定压水槽 13相同，为一幢高 3m, 长宽度均 4m钢筋水泥房室，与后方定压水槽 13相距 lm，直径 lm的水平大直径管 12首端连接定压水槽 13前壁，再进入机械室 14并作两个 45° 弯度再自机械室 14前壁穿出。机械室 14主要容纳加压泵浦 4(一具能量 1800MW横式轴流泵）的管外电动机、主轴、轴承箱，以及泵浦电气线路维修工具材料等。

2.渐缩管道，为制造发电动力一高速喷嘴的装置，由前段水平大直径管 12、中段渐缩管 5、后段喷嘴 6等三种管道连接而成：

( 1 )前段为水平大直径管 12，其直径 lm，长度 19m，钢管的最前方与定压水槽相接，将定压水槽 13内的水引出再穿墙进入机械室 14作两个 45° 水平弯管后，自机械室 14前方延展 14m管长到水轮机室 9, 在第二个 45° 弯管部，管内设置加压泵浦 4 (能量为 1800KW的横式轴流泵浦）的转动翼，以主轴连接后方弯管外的轴承箱与电动机，其 14m管身之前 2m空间容纳加压泵浦 4的活动翼，后 12m空间用作 "入口区长度" 以形成 "完全发展流" （入口区长度须为直径的十倍，本系统加 20%为 12倍的 12m ), 以便利中段 30° 渐缩管 5顺利将轴向流速稳定不变水流转变为高速喷流。

( 2 ) 中段 30。渐缩管 5，其长度 1.375m，前端直径 lm，后端直径 0.25m, 前端连接水平大直径管 12的末端，渐缩管后端连接直管式喷嘴 6，其前后端直径比例（ 1₁11:0.25₁11 )为4:1。30° 渐缩管摩擦系数为 0.02(依据美国教授 Cengal Cimbala所著 FLUID MECHANIGS )。

( 3 )后段喷嘴 6, 为直管式喷嘴 6，内部光滑平直未装设任何阀门，其长度为 0.75m，直径为 0.25m。

3.加压泵浦 4:

( 1 ) 为一具横式轴流泵浦（电动机能量 1800KW )装设在大直径管 12第二个 45° 弯管部（电动机及轴承箱在弯部管外，转动翼在管内，并以主轴相连接）运转时，对管内的水加压，赋予水流充足的能量以 8.07M/S的流速向 30 ° 渐缩管前进并克服渐缩管摩擦阻力，使水流转变为高速喷流。

( 2 ) 系统内四个喷嘴组 10、 20、 30及 40共有四个加压泵浦 4，统由一个加压泵浦总开关 32操控，开关有转钮及显示多种发电量刻度、热机刻度、停机刻度等的仪表 33。

4.镇墩 8, 在机械室 14与水轮机室 9之间的长度 14m的大直径管道 12, 由四个钢筋水泥材质镇墩承荷，管的中心线（点）距地面 1.5m。

5.温度控制室 7，在机械室 14与水轮机室 9之间的长度 14m的大直径管道 12, 由一个长条型隔热防冻建材制成的温度控制室 7 (寒冷地区加热力机）维持管道在正常温度环境中。

(四）活动式小型发电机：

本系统泵浦（尾水泵浦及加压泵浦）使用电力的来源，主要为本系统内发电机组的发电动力，但本系统初期启动时，尚无法储蓄电力，必须由其它机组电力或小型发电机组提供泵浦所需的电力（能量需为 10MW，因全部泵浦最大用电量为 8.2MW )。

(五）佩尔顿水轮机发电机组 10:

本系统所使用的佩尔顿水轮机发电机组 10为已知，故技术范围不作详述。二、循环水流渐缩管道发电系统的实施

本系统的发电运转过程区分为：（一）热机运转操作、（二）正常发电运转操作、（三）改换发电量运转操作、（四）停机操作。

(一）热机运转操作：

1、正常发电运转前，必须先作热机运转（WARM-UP ), 其动作为先启动四个上抽尾水泵浦，将共享的电源开关转钮转到热机位置，转动二十分钟，各尾水泵浦以低速转动上抽少量尾水（约 50%~60% ) 到地面上固定水位水槽并充满，渐缩管道的三个管道约需时三十秒钟，开始开启加压泵浦电源开关到 "热机" 位置，水流仅能自喷嘴涌出，但不足驱动水轮机。

2、此阶段中的二十分钟做全面检查，如一切状况正常，始可进入正常发电运转阶段。

3、此阶段使用本发电机组以外的电力，如其它机组储电装置或小型发电机的电力。

(二）正常发电运转操作（以发电 180MW的运转为例）：

1、启动四个喷嘴组内四个尾水泵浦：

(1 )上抽尾水量与泵浦使用电力计算：

A、数据资料：

(A) 实际扬程：地下 4m+地上 2.46m=6.46m;

(B)全部管路损失： 25%*6.46=1.62m;

( C) 吸水面与排水面压力与流速均相等；

(D) 总扬程 H=6.46m+1.62m=8.1m;

(E)流量: 喷嘴水量 (6.33m³/s) +溢水量 (0.47m³/s) =6.8 m³/s;

(F)水比重: 依温度 50° ，每/ 水重 1000kg计算；

(G)尾水泵浦效率： η=75%。

Β、依公式每泵浦所需轴动力（KW)为：

_ (r * m * H) _ 1000kg/m * 8.1m * 6.8m³/s)―

L = 102 X 77 二 102 X 75% ^{= 720}

C、全系统四个尾水泵浦所用轴马力为 2880KW。

( 2 )尾水泵浦启动后，上升尾水进入地面上的定压水槽及其所连接的渐缩管道装置内（自水平大直径管到喷嘴）均已充满尾水，喷嘴出口需有缓慢水流流出，定压水槽内溢水孔高 2.46m, 进入水槽内水量为 6.8m³ /s, 其中 6.33m³ /s水量流入渐缩管道形成喷流，所余的 0.47 ³ /s水量，则自溢水孔道流回尾水道，使水槽内水位永久维持 2.46m高度，其高于大直径管（在机械室内）所作两个 45° 弯管的阻力，使定压水槽与所连接的大直径水管 ---0.96m所形成的压力，是用于抵消大直径管（在机械室内的部份）所受两个 45° 弯管的阻力，使定压水槽与大直径水管之间呈现无压力状态，相关数据的计算如下：数据资料：

(A) 两个 45° 弯管摩擦损失的直管相等长度 L=2*16=32m; (B)不锈钢管相对粗糙度 e/D=0.000007/3.281ft=0.0000022;

(C)不锈钢管摩擦系数 fN).009;

(D)流速： 8.07m/s。

依公式：两个 45° 弯管摩擦水头损失

L V² 32 (8.07m/s)²

h_L =f*-*— = 0.009 *— * —^- = 0.96m

^{L 1} Ό Zg 1 Zg 因此，定压水槽高于水平大直径管（中心线）的 0.96m来抵销两个 45° 弯管的水头损失 ( 0.96m )。

2、启动四个喷嘴组内四个加压泵浦：

( 1 )尾水泵浦启动的同时，启动四个喷嘴组中的四个加压泵浦，每个泵浦各用 1330KW能量对管内尾水加压，使之形成强有力的水流，在大直径管内进行两项动作：

①第一动作，水流以 8.07m/s流速流过 14m长的入口区长度，转变为轴间速度稳定的完全发展流，进入 30° 渐缩管，此项动作所需加压泵浦的能量为 275KW, 计算如下：

数据资料：

( A )流速（ ) =8.07m/s;

(B)流量（Q) =A*V= ( π/4*Όι²)

(C)速度落差（H) =V²/2g= ( 8.07m/s ) ²/2g=3.319m=3.32m;

(D)水比重（V) =1000kg/_w ³ (水温度 50° 时）；

(E) 泵浦效率（ η ) =75%。

依公式：

(r * m * H) (lOOOfc^ /m * 6.33m * 3.3Zm^/s)

L =—Tr = _n -_g0/ = 275KW

102 * η 102 * 75% 四个加压泵浦共享电力 =4*275KW= 1100KW。

②第二动作：

水流进入 30° 渐缩管后再以 1055KW能量克服 30° 渐缩管摩擦阻力，使 30 ° 渐缩管依据其大小端直径 4:1的比例（大端 lm，小端 0.25m)及连续性原理将水流转变为高速喷流，此项动作所需加压泵浦的能量计算如下：

数据资料：

(A)水平大直径管水流流速（V,) =8.07m/s;

(B) 预定 30° 渐缩管转变为高速喷流

(C) 30°渐缩管摩擦阻力系数 (f) =0.02;

(D) 30°渐缩管摩擦阻力形成的水头损失 hl^f* (V₂) ²/2g=17m。

依公式：

Wpumping - M * Q * h_L - 6.33 * 9.81m/s⁷ * 17m - 1054578V - 1055/fW 四个加压泵浦共享电力 =4* 1055KW=4220KW。

(2)四个加压泵浦作两项工作，使水流转变为 129.12m/s高速喷流所用总电力 4220KW+1100KW=5320KW。

3、全系统四个尾水泵浦、四个加压泵浦所用总电力占发电量百分比：四个尾水泵浦所用电力为 2880KW;

四个加压泵浦所用电力为 5320KW;

泵浦所需总电力：

2880KW+5320KW=8200KW=8.2MW;

泵浦所用总电力占发电量（180MW) 比例为 4.6% ...... (理论数据）。

4、高速喷流通过直管式喷嘴：

A、高速喷流进入喷嘴能量计算：

基本数据（V₂) ²= ( 129.12m/s) ²=16771.97m/s

M=W/g=6330kg/ (9.81m/s²) =645.2kgf

依动能公式：

KE = -*M* (V₂)² = 5410973(fe5 * f* m/s) = 53828XW

B、直管式喷嘴效率计算：

现用针阀式喷嘴（内部装设有调控喷流速度的针阀装置，如现今世界上最高喷速 192m/s的佩尔顿水轮机发电厂一瑞士 BIEUDRON电厂使用的喷嘴）的喷嘴效率依公式 η =Εν²为 0.90至 0.95的范围。本系统所使用喷嘴为内部未装任何阀门的直管式，以 0.95计算其效率（喷嘴损失 5% )。

所以 , 53824KW*0.05=2692KW〜喷嘴损失 5%能量

53824KW-2692KW=51131KW…喷嘴喷流驱动水轮机能量。

5、发电机组发电量计算：

发电机组综合效率 =88.2% (大型水轮机效率 90%*大型发电机效率 98%=88.2% )。

发电机组发电量 =51131KW*88.2%=45097KW…单一喷嘴发电量。

45097KW*4喷嘴 =180,388KW=180MW…全机组四个喷嘴发电量。

6.精密微调动作

加压泵浦操控开关转动到 180MW刻度后，继续依据仪表板显示的 "发电输出功率数字" 微调到 "180 000 000W" 为止，微调时同时转动尾水泵浦开关指针，使其与加压开关指针指到相同数字刻度上，使上抽尾水量与加压泵浦压力量维持在相匹配的数量（其理由是加压泵浦以高转速驱动高水量时，尾水泵浦也必须抽较高数量尾水来相配合）。当发电量输出功率显示在 " 180 000 000W" 时，则停止两种泵浦微调动作，使两泵浦在该刻度的位置，作长时间的运转，直至需改换发电量或停机时为止。定时器也开始计算该发电量运转时间。

(三）改换发电量运转操作：

自正常发电运转状况改换发电量时，无论发电量是增加或减少，操作动作均为：

1.同时转动加压泵浦与抽尾水泵浦的两个电源开关到新发电量刻度上。

2.立即依据仪表板上发电输出功率显示数字，作必要的精密微调。

3.精密微调后，重新将定时器归零始计时。（上条正常发电运转是以本系统最大发电量 180MW为例，已说明水流及能量的计算，其它较小发电量的水流及能量计算，在此不再赘述）。

(四）停机操作：

同时将两个泵浦电源开关转到 "热机" 位置并缓慢转动十分钟后，再转到 "0" 位置，完全停止泵浦运转及发电机组运转，并记录发电机发电时数。上述详细说明是针对本发明之一的可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技技术思想所得到的等效实施或变更，均应包含于本案的保护范围中。

工业实用性

本发明使用少量泵浦不断抽取尾水而形成循环水流，并以渐缩管依据流体力学将管道内的水流转变为高速度喷流，再以该高速喷流驱动佩尔顿水轮机发电机组发电，利用少量水源作循环来使用于大规模的商业性发电系统中，并且其不受限于地点，只要充满一次水量，即可长时间自给自足不断的循环水流来进行发电，进而取得最大的使用效益。

Claims

权利要求

1、一种循环水流渐缩管道动力发电系统，其特征在于，

一喷嘴组装置，包括有一组渐缩管道，所述渐缩管道由前端大直径管、中间 30° 渐缩管、后端小直径喷嘴连接而成；前端大直径管内装有一横式轴流泵浦，所述轴流泵浦转动时提供管内水流足够能量，克服中间 30° 渐缩管阻力情形下，所述渐缩管可依据流体力学中的连续性原理，扩充前端大直径管内水流的流速，形成后端小直径喷嘴的高速喷流；

一佩尔顿水轮机发电机组，利用前述喷流，驱动所述佩尔顿水轮机发电机组发电；以及

一上抽尾水循环水流装置，将该水轮机下方的尾水上抽到地面上，循环不断供给所述渐缩管道所需的水力。
2、如权利要求 1所述的循环水流渐缩管道动力发电系统，其特征在于，所述上抽尾水循环水流装置，其所包括的水轮机室地下尾水池为封闭式使尾水不外流，其落下的尾水循着与尾水池连接的尾水道分流到各喷嘴组地下下方，由一尾水泵浦持续将正确数量的尾水上抽到地面上的渐缩管道内，循环不断供给所述渐缩管道制造喷流所需的水力。