CN103306250B - 一种隧道内引水式梯级水电站及其建设方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道内引水式梯级水电站及其建设方法，该电站建设于环绕山体（1）的具有落差的河道（2）上两点之间的隧道内，包括有贯穿山体（1）且进口（5）和出口（6）均通向河道的具有落差的隧道（7）、从进口（5）至出口（6）可通行大型车辆的宽敞道路（14）、设置于隧道中的引水管道（8）、位于隧道进口（5）附近设置于河道（2）上的拦河坝（3）、位于隧道中沿引水管道设置的两级或两级以上的引水式水电站。本发明可以最大限度地和科学地开发利用水能资源，并节约水电站建设投资，为社会提供更多的清洁能源。

Description

一种隧道内引水式梯级水电站及其建设方法

技术领域

本发明属于水力发电技术领域。

背景技术

我国乃至全世界水能资源最丰富的地区，往往都集中在高山峡谷地区。由于这类地区的海拔较高，严寒缺氧，山高坡陡，地质破碎、气候多变，降雨和地震等因素引发的山体滑坡、泥石流等自然灾害频发。尤其是在水能资源特别丰富的流域内，高山峡谷的特征更加突出，道路修建和维护非常困难，甚至无法修建道路或者保证道路畅通。因此越是水能资源丰富的地方开发利用水能发电越是困难。尤其是在我国西藏地区，开发水电非常困难并且非常有限，造成大量的能源白白流失，致使我们不得不主要依靠煤电来保证经济发展和民众生活，透支子孙后代的资源，增加温室气体排放，破坏地球生态。

水力发电虽然是我国当前的第二电力来源，但与石化能源相比，占比仍然很低，不足10%。当今世界上的水力发电站，从开发方式上，可分为坝式水电站、引水式水电站和坝－引水混合式水电站三种基本类型。

坝式水电站是最普遍的水电站。是在河道上修建一个拦河坝，形成较大库容，抬高水头，进而利用水能实现发电目的。这种水电站适用于河道坡降较缓的河段，大坝一般分为重力坝、拱坝和土石坝，但受到地质条件、淹没面积和筑坝技术等诸多因素的制约，拦河坝不能过高，并且筑坝投资、淹没区搬迁和移民赔偿成本太大，因此对水头的利用不够充分，发电效益不够高，并存在着破坏生态环境、淹没文化遗迹和旅游景点、可能诱发地震等一系列问题。

引水式水电站也是比较普遍的水电站。通常是在河流坡降较大、落差比较集中、不便于筑坝的河段，利用坡降平缓的引水道引水而与天然水面形成符合要求的落差发电的水电站。这种电站受到能够引用的水流流量较小、无蓄水库调节径流、水量利用率较差、机组容量小等方面的制约，综合利用效益较小。比如我国四川省凉山州昭觉县境内美姑河的苏巴姑电站，是亚洲第一高水头的引水式水电站，水头达到1117.5m，但引用流量仅为5.26m3/s，总容量仅为52MW。如果装机容量超过10000MW的电站，采用引水式发电是根本不适用的。

混合式水电站是在河道地形都适用于上述两种电站的情况，将坝式电站与引水式电站结合起来的电站，虽然具备了坝式水电站和混合式水电站的共同优点，具有一定的库容，水头利用效率更高，但是却仍然难以克服上述两种电站自身的缺点，两种电站的基本缺点反而共同存在。

当前我国乃至全世界的大容量水轮机组均不能承受高水头，而能承受高水头进行发电的冲击式水轮发电机组的单机容量较小，均不能适应大流量和大的装机容量情况下发电的需要；如果采用这种能够承受高水头的冲击式机组，那么厂房内必须布设很多的机组才能满足很大的装机容量的电站需求，但这样对厂房的要求非常苛刻，投资也非常巨大，而峡谷地区缺少足够构筑如此大的厂房的平地，构筑面积巨大的地下厂房在技术上也难以实施。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，打破当前世界上水电开发技术的局限，提供一种隧道内引水式梯级水电站及其建设方法，以最大限度地和科学地开发利用水能资源，并节约水电站建设投资，为社会提供更多的清洁能源，从减少温室气体排放和人类生产生活对大气环境巨量的热量排放方面保护地球生态环境。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种隧道内引水式梯级水电站，该电站建设于环绕山体的具有落差的河道上，包括有贯穿山体且进口和出口均通向河道的具有较大落差的隧道、从进口至出口可通行大型车辆的宽敞道路、设置于隧道中的引水管道、位于隧道进口附近设置于河道上的拦河坝、位于隧道中沿引水管道设置的两级以上的引水式电站。

本发明所述两级以上的引水式电站，每一级的核心发电要素都包括引水管道、发电厂房、发电机组；除最后一级外，每一级引水式电站均包括有尾水溢水池，引水管道的水进入第一级发电机组的水轮机带动发电机发电后，以不密闭的口对口射入方式排入下一级引水式水电站的引水管道8，管道的水压在此接口处得到释放，实现梯级发电的目的；溅出部分和短时间内不能流走的水由尾水溢水池围挡，如果溢水超出尾水溢水池容量，则流入隧道内另设的排水道流走；每上一级引水式电站的尾水均通过引水管道流入下一级引水式电站的发电机组带动机组发电；最后一级引水式电站的尾水直接排入隧道出口处的河道中。

本发明所述隧道内引水式梯级水电站的建设方法如下：

1）在一条环绕山体的河道的上游，选择一个便于建设拦河坝的位置，隧道的进口位于拦河坝上游适当位置，在河道的下游选择一个距离进口尽量短的位置，作为隧道的出口，从而确定整个电站隧道的走向；

2）按照水电站设计规范，计算和确定隧道内引水式电站的总装机容量、电站梯级、单机容量和数量，确定引水管道的直径和架设方案，进而确定隧道和发电厂房建设方案；

3）计算和确定拦河坝的坝高和坝型；

4）建设拦河坝、开凿隧道并进行隧道内各梯级电站和道路的施工建设；

5）施工建设全部完工后，打开位于隧道进口处的引水管道闸门或阀门，拦河坝形成的库区中的水流经引水管道到达并冲击第一级引水式电站的水轮机，进而带动第一级引水式电站的发电机组发电，尾水经过管道进入下一级引水式电站并冲击下一级引水式电站的水轮机，进而带动下一级引水式电站的发电机组发电，如此不断进行，直至最后一级引水式电站的尾水直接排入隧道出口处的河道中。

采用本发明的技术方案，通过在山体开凿隧道引水，可以将原河道需要在蜿蜒曲折的较长路径内才能形成的较大的水头（落差）变为只需在较短的隧道内就能形成足够建设梯级引水式电站的水头，隧道的长度远远小于原河道的长度，并且在隧道内建设引水式梯级电站，可以有效规避高山峡谷地区由于各种复杂的地形和地质状况、筑路困难、气候恶劣、以及可能的地质滑坡和泥石流威胁等给建设水电站带来的困难及所造成的限制，尤其是可以规避这类地形上无法修建道路或者花费巨大投资修建的道路无法运输大型水轮发电机组的问题。通过构筑的拦河坝，在隧道入口处形成蓄水库区，可以确保所需的引水流量。只要引水的水头足够，建设时可根据地形情况尽量缩短隧道的长度，降低建设成本。本发明可克服当前普遍采用的单一的坝式水电站或引水式水电站的不足，能够在无法修建传统水电站或者建设成本特别巨大的地区开发建设本发明所述的水电站，提高大江大河的水能资源利用率，对保护生态环境具有重要意义。

下面结合说明书附图进一步阐述本发明内容。

附图说明

图1为本发明水电站建设于峡谷中河道上的示意图；

图2为图1的A-A截面示意图；

图3为隧道的B-B截面示意图；

图4为隧道内引水式梯级电站设置的俯视示意图。

具体实施方式[0016]如图所示，本发明的隧道内引水式梯级水电站最好建设于环绕山体1的具有较大落差的河道2上，包括有贯穿山体1且进口5和出口6均通向河道的具有落差的隧道7、设置于隧道中的引水管道8、位于隧道进口5附近设置于河道2上的拦河坝3、位于隧道中沿引水管道设置的两级或两级以上的引水式电站。位于隧道内的两级以上的引水式电站即为本发明的核心内容。所述两级或两级以上的引水式电站除最后一级外，每一级引水式电站均包括有发电厂房和发电机组以及尾水溢水池，引水管道8内的水进入第一级发电机组11的水轮机带动发电机发电后，以不密闭的口对口射入方式排入下一级引水式水电站的引水管道8，管道的水压在此接口处得到释放，实现梯级发电的目的；溅出部分和短时间内不能流走的水由尾水溢水池围挡，如果溢水超出尾水溢水池容量，则流入隧道内另设的排水道流走；每上一级引水式电站尾水通过引水管道8流入下一级引水式电站的发电机组12带动机组发电；最后一级引水式电站的尾水直接排入隧道出口处的河道中；在隧道7内铺设有从进口5至出口6的道路14。如图3所示，可以将引水管道8铺设在道路14两旁。本实施例在隧道内设置的是两级引水式电站。如图2、图4所示，第一级引水式电站包括第一级引水式电站发电厂房9、第一级引水式电站的发电机组10、第一级引水式电站的尾水溢水池13，第二级引水式电站包括第二级引水式电站的发电厂房11、第二级引水式电站的发电机组12。如水头很大需要更多级数的引水式水电站，则按照此方案延续。

本发明的技术方案还可应用于两条河床高差较大的相邻河道上，在水位较高的河道上修建拦河坝，在两条河道之间的山体内修建隧道。

本发明的拦河坝，从高度上看，可以是低坝或高坝；从类型上看，可以是人工堰塞坝、土石坝、重力坝或拱坝。本发明所述的隧道，是贯穿弯曲河道环绕的山体、具有坡度的人工隧道，其基本作用是为架设或修建引水管道、修建发电厂房、运输发电机组、配置送电枢纽提供通道和空间；其进口位于河道的上游拦河坝前方，出口位于河道的下游方向。所述发电厂房用于安装发电机组及配套设施。发电机组可选用现有的各类水轮发电机组，包括轴流式水轮发电机组、混流式水轮发电机组、冲击式水轮发电机组等。

本发明所述隧道内引水式梯级水电站的建设方法如下：

1）在一条环绕山体1的河道2的上游，选择一个便于建设拦河坝3的位置，隧道7的进口5位于拦河坝前，在河道2的下游选择一个距离进口尽量短的位置，作为隧道的出口6，从而确定整个电站隧道的走向；

2）根据河道河流的最大洪峰流量、最小流量、多年平均流量以及隧道进口处附近的地形等情况，综合分析和确定各个季节的取水发电流量；根据隧道进口和出口两个点的高差确定发电的利用水头；按照水电站设计规范，计算和确定隧道内引水式电站的总装机容量、电站梯级、单机容量和数量，确定引水管道8的直径和架设方案，进而确定隧道和发电厂房建设方案；

3）根据最大取水发电流量计算和确定拦河坝3的坝高和坝型；

4）建设拦河坝3、开凿隧道7并进行隧道内各梯级电站和道路的施工建设。开挖隧道时，同步展开拦河坝的导流洞施工。开挖出来的料渣可以沿隧道进口下游河道一侧堆填，形成道路；也可以部分堆填于隧道口的上游河道一侧形成道路，还可以用来筑坝，尤其是用于人工堰塞坝或者土石坝。开挖隧道时可同步架设引水管道。隧道施工基本或大部完成后，运送和安装发电机组；

5）施工建设全部完工后，打开位于隧道进口处的引水管道阀门，拦河坝形成的库区4中的水流经引水管道到达并冲击上一级引水式电站的水轮机，进而带动上一级引水式电站的发电机组发电，进入尾水溢水池的尾水经过管道进入下一级引水式电站并冲击下一级引水式电站的水轮机，进而带动下一级引水式电站的发电机组发电，如此不断进行，直至最后一级引水式电站的尾水直接排入隧道出口处的河道中。

本发明可用于广大高山峡谷地区的水电开发，对提高水电开发利用能力具有重要意义。

Claims (2)

1.一种隧道内引水式梯级水电站，其特征是，该电站建设于环绕山体（1）的具有落差的河道（2）上两点之间的隧道内，包括有贯穿山体（1）且进口（5）和出口（6）均通向河道的具有落差的隧道（7）、从进口（5）至出口（6）可通行大型车辆的宽敞道路（14）、设置于隧道中的引水管道（8）、位于隧道进口（5）附近设置于河道（2）上的拦河坝（3）、位于隧道中沿引水管道设置的两级以上的引水式水电站；所述两级以上的引水式电站除最后一级外，每一级引水式电站均包括有发电厂房和发电机组以及尾水溢水池，引水管道（8）的水进入第一级发电机组（11）的水轮机带动发电机发电后，以不密闭的口对口射入方式排入下一级引水式水电站的引水管道（8），溅出部分和短时间内不能流走的水由尾水溢水池围挡，如果溢水超出尾水溢水池容量，则流入隧道内另设的排水道流走；每上一级引水式电站尾水溢水池的水均通过引水管道（8）流入下一级引水式电站的发电机组；最后一级引水式电站包括有发电厂房和水轮发电机组，其发电机组的尾水直接排入隧道出口处的河道中。

2.如权利要求1所述一种隧道内引水式梯级水电站的建设方法，其特征在于，方法如下：

1）在一条环绕山体（1）的河道（2）的上游，选择一个便于建设拦河坝（3）的位置，隧道（7）的进口（5）位于拦河坝前，在河道（2）的下游选择一个距离进口尽量短的位置，作为隧道的出口（6），从而确定整个电站隧道的走向；

2）按照水电站设计规范，计算和确定隧道内引水式电站的总装机容量、电站梯级、单机容量和数量，确定引水管道（8）的直径和架设方案，进而确定隧道和发电厂房建设方案；

3）计算和确定拦河坝（3）的坝高和坝型；

4）建设拦河坝（3）、开凿隧道（7）并进行隧道内各梯级电站和道路的施工建设；

5）施工建设全部完工后，打开位于隧道进口处的引水管道阀门，拦河坝形成的库区（4）中的水流经引水管道到达并冲击上一级引水式电站的水轮机，进而带动上一级引水式电站的发电机组发电，进入尾水溢水池的尾水经过管道进入下一级引水式电站并冲击下一级引水式电站的水轮机，进而带动下一级引水式电站的发电机组发电，如此不断进行，直至最后一级引水式电站的尾水直接排入隧道出口处的河道中。