CN103352452A - 一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，由上至下依次包括进口沉沙段、输水段、管道机电一体化发电段及出口蓄水段。输水段由两条柔性管道构成，柔性管道的引水口和出水口分别与进口沉沙段和管道机电一体化发电段连通。柔性管道上设置检修阀和沉沙井，柔性管道采取分节布置的方式，每节管道之间设置检修阀。柔性管道的引水口与出水口之间的管道大致沿山体同一高程布置；管道机电一体化发电段中安装有发电机构，出口蓄水段位于管道机电一体化发电段之后。本发明通过柔性输水管道与刚性承压发电管道组合，同时结合管道机电一体化技术，实现小水电引水发电一体化，达到加快农村水电建设周期、减少生态环境破坏的目的。

Description

一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备

技术领域

本发明涉及水力发电设备领域，具体是一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备。

背景技术

我国山区地域辽阔、溪流落差大、水能资源丰富，适宜就地开发小型水电。此外，农村山区负荷分散，供电成本高，不适宜大电网长距离输送供电，而小水电可以分散布点，就近供电，在解决偏远山区农村用电问题上起到了关键作用。截至2011年，全国建成农村水电站4.5万座，装机容量5900多万kW，并规划5年内将新增农村水电装机1500万kW。数量多、分布广的小水电建设对当地生态环境的影响已日渐突显。小水电大部分为引水式，传统的引水设施采用渠道、隧洞或钢管等，存在三个缺点，一是施工过程中涉及大规模的开挖及回填作业，大量的渣土弃料对当地山区脆弱的生态环境产生不利影响；二是施工工期长、投资规模较大；三是引水渠道的渗漏、蒸发极大降低了水资源利用效率。国家提倡大力发展小水电，同时也提出有序开发、切实保护生态环境的原则。随着管道材料的快速发展，柔性塑料管道作为引水式小水电的引水设施，具有显著的优势。

关于小型引水发电装置与管道发电机，国内外已开展相关研究。日本研发一种安装在自来水管道或工厂输水管道内小型发电机，发电功率为3-100kW；香港理工大学研发一种水管发电装置，由外部水轮发电机和球形水涡轮组成，该装置可为4盏紧凑型荧光灯泡供电；专利CN2711233Y和专利CN201473931U均公开了一种沿河引水发电装置，该装置中的引水管平行于河床，并需要设置储水装置以积聚水量，此项发明研究没有考虑农村山区地形弯曲复杂的特点，引水装置设置相对简单；管道发电机研究方面，专利CN202579016U、CN201714559U、CN101741175A和CN201661409U均公开了一种水管发电机，主要用于城市自来水管和排水管等小直径硬性管道；专利CN101349245A公开了一种人造气流、水流双流发电装置，该装置采用垂直山体等高线的斜面布置形式，适用于上千米高差的引水发电，并不适用于偏远山区的农村小水电。以上发明和研究均未对管道的直径、材质等进行论证。

因此，针对农村水电的就地开发、就近供电的特点，结合柔性引水管道的研究，开发一种安装简易、使用寿命长、引水效率高、后期维护简单、环境友好的山区溪流引水发电装置，是十分有意义的。

发明内容

本发明提供一种安装简易、使用寿命长、引水效率高、后期维护简单的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，由上至下依次包括进口沉沙段、输水段、管道机电一体化发电段及出口蓄水段，输水段由两条柔性管道构成，柔性管道的引水口与进口沉沙段连通，柔性管道的出水口与管道机电一体化发电段连通，柔性管道上设置检修阀和沉沙井，柔性管道采取分节布置的方式，每节管道之间设置检修阀，柔性管道采用高密度聚乙烯制成，柔性管道的引水口与出水口之间的管道大致沿山体同一高程布置；管道机电一体化发电段中安装有发电机构，出口蓄水段位于管道机电一体化发电段之后，用于蓄积管道机电一体化发电段发电之后的出水。

进一步地，所述进口沉沙段包括一个与溪流或河流连通的沉沙池，用于沉淀去除天然溪流或河流中的粗颗粒悬浮物；沉沙池位于输水段的进口处，两条柔性管道的一端与所述沉沙池连通。

进一步地，管道机电一体化发电段还包括与柔性管道另一端连通的刚性管道、超压泄压阀，所述发电机构包括安装在刚性管道中的水轮机、与水轮机的转动轴对接的微型发电机，柔性管道与刚性管道连接处设置超压泄压阀，水轮机转动轴与刚性管道的中心轴重合。

进一步地，所述刚性管道采用铸铁制成。

进一步地，水轮机所在管段直径小于水轮机前端的刚性管道直径。

进一步地，检修阀的阀门与管道连接处安装伸缩器。

本发明通过柔性输水管道与刚性承压发电管道组合，同时结合管道机电一体化技术，实现小水电引水发电一体化，达到加快农村水电建设周期、减少生态环境破坏的目的。与传统的引水发电设施相比，本设备具有自重轻、耐腐蚀、卫生安全、避免渗漏与蒸发、水流阻力小、节约能源、节省金属、使用寿命长、安装方便等特点，同时避免了大规模坡面开挖及回填作业，十分适用于生态环境脆弱的农村山区。

附图说明

图1是本发明正立面剖视结构示意图；

图2是本发明俯视结构示意图。

图中：1—进口沉沙段，2—输水段，3—管道机电一体化发电段，4—出口蓄水段，5—沉沙池，6—检修阀，7—柔性管道，8—沉沙井，9—超压泄压阀，10—刚性管道，11—水轮机，12—微型发电机，13—蓄水池。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明其中一个实施例提供一种适适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，由上至下依次包括进口沉沙段1、输水段2、管道机电一体化发电段3及出口蓄水段4。

所述进口沉沙段1包括一个与溪流或河流连通的沉沙池5，所述沉沙池5位于输水段2进口处，用于沉淀去除天然溪流或河流中的粗颗粒悬浮物，防止输水段2中的输水管道淤堵。沉沙池5的尺寸由引水水流中的含沙量、泥沙级配确定，其工作深度可取4-5m，沉沙段平均流速0.25-0.5m/s，沉沙池5根据泥沙淤积量定期进行清洗。

输水段2由两条柔性管道7构成（如图2所示），柔性管道7上设置检修阀6和沉沙井8。柔性管道7的引水口与沉沙池5连通，柔性管道7的出水口与管道机电一体化发电段3连通。柔性管道7的引水口与出水口之间的管道大致沿山体同一高程布置，垂向坡降根据柔性管道7输水的水力损失确定，总长度由引水路径确定，引水线路根据引水方式、当地山区的地形地貌、交通运输等条件综合确定，并避免滑坡、崩塌、沉陷等工程地质不良地段。

柔性管道7采取分节布置的方式，每节管道之间设置检修阀6。柔性管道7材质为高密度聚乙烯HDPE，抗腐蚀性能强；柔性管道7的材料密度小于1t/m³，只有钢管的1/8；柔性管道7能够承受2MPa左右的工作压力，可以根据小水电站输水压力要求和外部环境特点，设计成满足各类承受内、外压力要求的管道；柔性管道7的柔韧性好，最大轴向允许变形1%，最大径向允许变形5%，适应山体弯曲地形；柔性管道7直径300-500mm，管道内壁光滑，摩擦系数小于0.01，输水能力强；管道弹性模量大于750MPa、抗拉强度大于20MPa、抗压强度15-1000MPa、抗弯曲强度18-25MPa、抗冲击强度36kg/m；根据小电站外部环境要求，还可对柔性管道7采取防冻保温措施。

检修阀6的间距根据引水管路复杂情况、管材强度和事故预期概率等情况确定，一般每2km设置一个检修阀6；检修阀6具有良好的密封性能，在工作压力范围内关闭状态下，泄漏量为零；检修阀6的阀门与管道连接处安装伸缩器，防止管道地基非均匀沉降和温度应力等损坏管道。

柔性管道7设置为两条，其效果：一是在一根管道检修时另一根管道可以正常运行，保证持续发电，二是同等流量下两根管道的直径比一根管道的直径小，小管道重量轻、更易于施工、成本更低，对于农村山区很必要。

沉沙井8井底高程低于柔性管道7最低高程，井顶设有井盖，可定期对沉沙井的淤泥进行清除。沉沙井8用于沉淀去除柔性管道7中的细颗粒悬浮物，防止输水管道淤堵。柔性管道7的固定采用50m左右布置混凝土固定桩、10-20m左右布置螺旋铆钉相结合的方式。

管道机电一体化发电段3由刚性管道10、超压泄压阀9、水轮机11和微型发电机12构成。刚性管道10材质为铸铁，最小抗拉强度420MPa，最小屈服强度300MPa，最小延伸率7%，刚性管道10沿山坡脊线布置，管径400-800mm，壁厚9mm。柔性管道7与刚性管道10连接处设置超压泄压阀9，防止发电机故障水流倒灌时柔性管道7压力过大；超压泄压阀9的公称直径为主管道直径的1/5-1/4；超压泄压阀9的泄压值根据引水管道的最大使用压力和管材强度确定，或最大使用压力加0.15-0.2MPa。

水轮机11所在管段直径小于水轮机11前端的刚性管道10直径，这样可以增大流速、提高发电效率。水轮机11和微型发电机12通过传动轴相连。水轮机11直接安装在刚性管道10中，水轮机11的转动轴与刚性管道10的中心轴重合，刚性管道10中的水流经过水轮机11时是轴向流进和轴向流出；微型发电机12位于管道上方，发电机功率范围为100-500kW。

出口蓄水段4位于管道机电一体化发电段3之后，用于蓄积管道机电一体化发电段3发电之后的出水，为山区居民提供水源。

本发明设计的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，主要适用于偏远山区溪流上装机容量100-500kW的小型电站。根据《中华人民共和国农村水能资源调查评价成果2008年总报告》，未来我国100-500kW小型电站待开发量157.3万kW，约5881座，本发明具有广阔的市场前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，由上至下依次包括进口沉沙段（1）、输水段（2）、管道机电一体化发电段（3）及出口蓄水段（4），其特征在于：输水段（2）由两条柔性管道（7）构成，柔性管道（7）的引水口与进口沉沙段（1）连通，柔性管道（7）的出水口与管道机电一体化发电段（3）连通，柔性管道（7）上设置检修阀（6）和沉沙井（8），柔性管道（7）采取分节布置的方式，每节管道之间设置检修阀（6），柔性管道（7）采用高密度聚乙烯制成，柔性管道（7）的引水口与出水口之间的管道大致沿山体同一高程布置；管道机电一体化发电段（3）中安装有发电机构，出口蓄水段（4）位于管道机电一体化发电段（3）之后，用于蓄积管道机电一体化发电段（3）发电之后的出水。

2.如权利要求1所述的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，其特征在于：所述进口沉沙段（1）包括一个与溪流或河流连通的沉沙池（5），用于沉淀去除天然溪流或河流中的粗颗粒悬浮物；沉沙池（5）位于输水段（2）的进口处，两条柔性管道（7）的一端与所述沉沙池（5）连通。

3.如权利要求1或2所述的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，其特征在于：管道机电一体化发电段（3）还包括与柔性管道（7）另一端连通的刚性管道（10）、超压泄压阀（9），刚性管道（10）沿山坡脊线布置，所述发电机构包括安装在刚性管道（10）中的水轮机（11）、与水轮机（11）的转动轴对接的微型发电机（12），柔性管道（7）与刚性管道（10）连接处设置超压泄压阀（9），水轮机（11）转动轴与刚性管道（10）的中心轴重合。

4.如权利要求3所述的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，其特征在于：所述刚性管道（10）采用铸铁制成。

5.如权利要求3所述的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，其特征在于：水轮机（11）所在管段直径小于水轮机（11）前端的刚性管道（10）直径。

6.如权利要求1所述的适用于山区溪流的柔性双管引水发电蓄水一体化设备，其特征在于：检修阀（6）的阀门与管道连接处安装有伸缩器。