CN1040251A

CN1040251A - 集成水力发电站

Info

Publication number: CN1040251A
Application number: CN89102245A
Authority: CN
Inventors: 丁华清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-08
Filing date: 1989-04-08
Publication date: 1990-03-07

Abstract

本发明是集成水力发电站，它是以地壳稳定的水源为位能，按设计型式从上至下梯级地集合数座常规水电分站，进水渐变管(池)将各分站联结起来，形成水龙串入、数站同时吞吐发电、底部水泵站配水弃水之无限循环。其容量为数座规模相等的常规水电站常年丰水发电量之和或与其水泵站耗电量之差。

本发明具有不择水域、投资少、见效快的特点，在电网中具有稳定基荷、调峰调频和灵活多变的特点，它还有供水供气、转向调水、节电蓄能之功能，它具有替代化石能源之广阔前景。

Description

本发明是关于集成水力发电站。

自1878年和1927年，先后在德国建成世界上第一座水力发电站和抽水蓄能电站开始，各种型式的水电站便在各国发展起来。

现在常规水电站按径流调节分类，有周日调节、年调节和多年调节水电站;按集中落差的方式分类，有坝式、引水式和混合式水电站;其它还有潮汐电站、梯级开发电站和抽水蓄能电站等。

有压引水式水电站的建筑物组成一般有：深式进水口、压力坠洞、调压室、压力水管、厂房和尾水渠等;河床式梯级开发电站是将一条河流分成几段，将落差分段集中分段利用，使一个电站接着一个电站，上一级电站发电用过的水，又流入下一级电站的取水口继续使用;抽水蓄能电站是利用可以兼做水泵和水轮机的蓄能机组，在电力负荷低谷时（夜间）做泵运行，用基荷机组发出的多余电能将下水库中的水抽到上水库贮存起来，在电力负荷高峰时（下午或晚间）做水轮机运行，将水放下来发电。

常规水电站以天然水能发电，优点在于：不需消耗其他能源，电能成本低。具有设备简单、开停灵活迅速，以及厂用电少和不污染环境等特点。抽水蓄能电站的优点是：利用水作为媒介来储蓄能量，满足电力系统负荷变化的需要，改善系统中火电站的工作条件，减少燃料消耗。

常规水电站的弊病在于：循环周期性长，出力可靠性差，设备利用率低，建站择地性强，投资浪费性大。常规水电站一般都要与火电厂互补发电，才能满足系统的需要。抽水蓄能电站与同等规模的常规水电站投资额相等，相比之下而效益特别低，厂耗电量大，出力得不偿失。

从使用电的一个多世纪以来，人类争相加速对化石燃料的跨世纪开采和越位使用，现在世界上燃料资源逐步减少，而能源需求量不断增加，以及环境日益严重污染所引起的地球温室效应，已受到国际社会的关注，至使各国专家学者广泛寻求化石燃料的替代能源和节能新途径。

本发明的目的是提供一种不择水域、大容量，常年无限循环、丰水出力，而且完全可以替代化石电厂而自成系统的集成水力发电站。

本发明集成水力发电站，是以负荷中心的稳定水源（人工池、江河湖海及水库）为位能;以吞而不耗、吐而不弃之时时循环为调节方式;以河床式梯级电站梯级利用为原理，以数座常规有压引水式电站和一座抽水蓄能电站或水泵站（图12J式无）为基体，按照设计型式从上至下地用渐变压力管道（池），将数座常规水电分站按不同设计水头梯级地集合起来，水从上池经压力坠洞一条龙串入，逐次串入每座分站，上分站吞吐出力后，又把水吐给下分站继续出力发电，形成各分站同时吞吐发电的流水出力生产线。水经最后分站出力发电后，底部水泵站分秒不停地将水分配还原。

集成水电站的设计型式是按照水出力循环的字母形流程轨迹来表示的，主要有：T、V、S、D、W、L、J式等（见图1、4、8至12）。T式适于缺水地区兴建人工池集成电站;L式适于水源丰富，水位稳定的地区兴建岸边坝式、湖中龙宫式集成电站;J式适于兴建地面高水头无泵站集成电站;V、S、D、W式等适于兴建盘旋有压引水坠洞集成电站。

人工上池的池容应≥末分站5小时的额定流量，以确保机组在≤20℃的水温下正常出力循环;上下分站水头之差一般应在20米以上;每分站的总额定流量应≤末分站的总额定流量（不含备用容量）。

各分站的主、副厂房、变压器房及出线井等，可以绕上池中心对称轴，任意旋转360°，以寻找稳定的地壳，以上下各分站不垂合为标准，将其浇筑在各自水头部分扇形区域内的坠洞中。有压引水遂洞，交通井、通风井等可交叉或重合;

如图1、表1所示：本发明的（T式）集成水电站由梯级常规水电分站〔1〕至〔9〕（可多可少）、水泵站〔10〕、上池〔11〕锥池〔12〕、水轮发电机组或水泵〔14〕、各分站深式进、出水口及其闸阀室〔13〕、〔15〕、〔16〕、压力坠洞及压力钢管〔17〕、水泵进、出水压力钢管〔18〕，设计水头线〔19〕、下池〔20〕等组成。〔1〕至〔9〕分站各自的设计水头〔19〕重合于上池〔11〕、锥池〔12〕中，池深513.4m，池容700万m³。〔1〕至〔8〕分站均在各自水头45°扇形区域内的坠洞中浇筑主、副厂房等，〔9〕分站8台机组与水泵站〔10〕12台水泵相间安装在锥池底部周围的环形厂房内（见图3）;分站间最小水头差27.1m;〔9〕分站总额定流量390m³/s，最大额定流量是〔5〕分站393m³/s，见表1，在调整各分站机组合数后（见图2），〔1〕至〔8〕分站与〔9〕分站基本上趋于同步流量。因此，此方案为优化集成方案。

首先启开〔9〕分站取水口〔13〕，6台机组〔14〕吞水出力发电并向下池〔20〕弃水，同时水泵站〔10〕先后启动水泵〔14〕8台，通过水泵进、出水压力钢管〔18〕、经出水口〔28〕，分秒不停地向上池〔11〕抽水循环。与此同时搅动了整个池〔11〕、锥池〔12〕的水向下作匀加速运动，这时可拾级而上启动〔8〕、〔7〕……各分站的全部水轮发电机组〔14〕取水弃水，出力发电。这样周而复始地吞而不耗、吐而不弃地出力发电并上下对流循环，提高了有限水量的无限利用率。集成前这九家抽蓄电站总出力为-310.9万KW/时，出力得不偿失，无与论比;集成后总出力为564.3万KW/时;优化集成后总出力为685.2万KW/时，较优化前提高21.4%，其规模相当于葛洲坝水电厂的2.5倍，而700万m³的循环水是长江葛洲坝所微不足道的，也是缺水地区所不难储蓄的水量。因此，相对已有技术，集成水电站是不择地域、不择水域的大容量集团型水电站，具有替代化石电厂而自成系统的广阔前景。由于它可以常年按设计水头〔19〕丰水出力发电，因而克服了常规电站循环周期长，出力可靠性差和设备利用率低的弊端;使用人工上下池〔11〕、〔12〕、〔20〕，既四季运行无干扰，又可免除拦污栅等设施，水面无杂物、冰块、且夹带泥沙少，因此出淤量小，这样可以延长电站与机组的使用寿命。

各分站压力坠洞〔17〕的取水口〔13〕与上分站弃水口〔15〕在池壁自动闸阀室〔16〕相联结，所有分站启开闸阀〔16〕属于并联运行;只开〔1〕分站进水口〔13〕和〔9〕分站尾水口〔15〕，其余闸阀〔16〕全关闭，属于串联运行;闸阀〔16〕有的全开有的全关属于混联运行;一般情况下闸阀〔16〕是处于半启闭状态下运行出力的。

在〔2〕分站全停台不出力时，启开〔2〕分站尾水口池壁闸阀〔16〕关闭〔15〕，〔3〕分站便可满负荷出力;在〔2〕分站全停台之后又需再启动之时，这时可启开〔2〕分站尾水口闸阀〔15〕，关闭〔16〕，让〔3〕分站抽取〔2〕分站坠洞尾水的同时，启动〔2〕分站水轮机组〔14〕出力，这样自动配合，可以减轻水锤;在上下各分站都运行出力，且运行机台，流量多少不等的情况下，闸阀〔16〕常处于半启闭状态，这样便于上分站尾水上呼下吸高速占先进入下分站取水口〔13〕，同时具有自行调节水量的作用;在操作运行上，上分站对下分站没有约束，只有最后〔9〕分站和水泵站〔10〕对各分站〔1〕至〔8〕具有同步约束力。即〔1〕至〔8〕分站只能以≤〔9〕分站的即时流量同步运行，不可能超越〔9〕分站即时流量非同步运行。如果〔9〕分站或水泵站〔10〕全部停台，则全厂出力中止。因此集成电站宜在同步运行的前提下，按系统需要而兼顾各分站机组运行出力、轮休、维修与事故备用等。由于所辖分站多、机台多、备用机组和备用水泵也多，而开台的多与少和水的耗量及外因没有关系，因此点多面大，灵活机动，易于调度，相对已有技术，集成电站具有稳定基荷、调峰调频和事故备用等灵活多变的明显优势。由于底部水泵站〔10〕吐水耗电量仅相当于〔9〕分站吞水发电量的4/3倍，这样整个集成电站付出一个多〔9〕分站的发电量，而实际赚回的是将近〔1〕至〔8〕分站发电量之和。因此对于改造抽水蓄能水电站借四还三的现状具有很大的潜力，对于高水头常规水电站，一旦改造为J式集成水电站（图12）后，不仅可以增加容量，而且具有延长丰水出力时间和避免耗电抽蓄的优势。

〔9〕分站和水泵站〔10〕是确保集成电站同步运行的关键分站，因此安装备用机组2台、备用水泵4.2台。8台机组与12台水泵，以2∶3的比例，相同安装在锥池〔12〕底部周围环形厂房内（也可分开安放），4根水泵出水压力钢管〔18〕在上池〔11〕等弧排列。水泵〔14〕在下池〔20〕的水位线〔26〕以下抽水循环。J式下池为下游河道（图12），部分L式下池即为上池（图10）。下池可大可小，一般以≥末分站一小时额定流量为宜，便于水散热和溶解气泡，水泵站〔10〕不停地把水抽回上池〔11〕还原，再变为位能。容量小的下池，则必须有一部分水泵直接从锥池底水或末分站尾水口抽水循环。下池宜可分段落闸，既不影响抽水循环，又便于不定期排水后机械化去淤。

为了减轻水锤震力，进水压力坠洞〔17〕设有进机台分岔压力钢管〔17〕和旁通管〔17〕，并设有自动闸阀〔22〕，末站设有尾水管调压室〔23〕，水泵出水压力钢管〔18〕设有三级自动闸阀〔21〕;为了上下分站充分利用尾水余能，机台转轮出口设有直锥形尾水管〔24〕，各机组尾水一般在并联（或部分并联）后，尾水压力坠洞〔17〕直（斜）向下延伸到下站取水口〔13〕;为了降低气蚀现象，在尾水管〔24〕，取水口〔13〕等处设有进气孔〔27〕。

为了补充水量，稳定设计水头〔19〕，〔1〕分站设有客水取水口〔25〕。如果取水口〔25〕的外来水源很丰富，那么水泵站〔10〕则可以配水弃水。即利用水泵站大量耗电被动抽循环水这个手段，除达到出力发电的主要目的外，还可以利用地下特有的条件制H₂制O₂，主动花样弃水，达到充分提高集成电站的经济效益和社会效益的双重目的。（一）在下池〔20〕附近构筑液化氢专用池及其他设施，在系统低谷时，可以电解水分子，储蓄H₂，出售O₂，多余的O₂随时排向城市上空，可以净化城市空气，优化城市环境，收到人工植被的效果;H₂可以随时用管道泵送给就近的火电厂或液化气站，可作发电调峰用（为集成电站普及前的权宜之计），还可供应锅炉、飞机和汽车作燃料，供应城乡人民生活之用，以尽快改变社会能源结构、缩小能源需求差距，收到以水代油，以水代煤的效果;（二）可将水随时供给城市自来水公司，供应工业生产和人民生活之用，以缩小社会的二次耗能面，降低成本，收到节能增收的效果;（三）转向调水，可与其他集成电站全面规划配套，将淡水源源不断地输送给远方缺水的广大城乡，弥补地区降雨差异，为工农业生产服务，收到人定胜天、增产增收的效果。这样长期坚持配水弃水，社会则受益非浅。

在就地利用稳定水源的同时，还应结合当地桥梁、江（河、海）底坠道及其他地下工程项目，全面择型规划。这样既可以减少架桥修路配套工程，又可以削减投资额，提高配套工程利用率，尽快竣工和收回全部投资效益;同时还颇具游乐观光价值，她是永远悬浮在电力负荷中心的一幅幅不再污染、更加美丽的水彩欣赏画。

附图说明：

图1 狄诺维克集成水电站示意图（T式）;

图2 狄诺维克集成水电站俯视图;

图3 狄诺维克集成水电站〔9〕分站与水泵站〔10〕俯视图;

图4 巴斯康蒂集成水电站示意图（V式）;

图5 图4A-A放大图;

图6 a、巴斯康蒂抽水蓄能电站俯视图;

b、巴斯康蒂集成电站俯视图;

c、巴斯康蒂集成电站优化集成俯视图。

图7 S式集成电站流程示意图;

图8 D式集成电站流程示意图;

图9 W式集成电站流程示意图;

图10 L式集成电站流程示意图（水中）;

图11 L式集成电站流程示意图（岸边坝式）;

图12 J式集成电站流程示意图。

1～3图标号说明

〔1〕Po Zydovo 〔6〕JA OKutataragi

波兰，孜多俄日本，奥多多良木

〔2〕US Muddy Run 〔7〕JA OKuyahagi

美国，莫狄仑日本，奥亚哈木

〔3〕JA Kisenyama 〔8〕JA Tamahara

日本，喜撰山日本，玉原

〔4〕BE Coo比利时，库〔9〕UK Dinorwic

〔5〕US Raccoon Mountain 英国，狄诺维克

美国，拉孔山〔10〕水泵站;

〔11〕上池; 〔3〕JA Azumi

〔12〕锥池; 日本，爱竹密

〔13〕深式进水口; 〔4〕JA Shin Toyonne

〔14〕水轮发电机组、水泵; 日本，新丰根

〔15〕深式出水口; 〔5〕US Raccoon Mountain

〔16〕进、出水口闸阀室; 美国，拉孔山

〔17〕压力坠洞; 〔6〕US Bath County

〔18〕水泵进、出水压力钢管; 美国，巴斯康蒂

〔19〕上池设计水头线; 〔7〕水泵站;

〔20〕下池; 〔8〕进水压力管道;

〔21〕水泵三级闸阀; 〔9〕上池;

〔22〕进机台岔管闸阀; 〔10〕深式进水口;

〔23〕尾水调压室; 〔11〕调压塔;

〔24〕直锥形尾水管; 〔12〕自动闸阀室;

〔25〕客水进水口; 〔13〕水轮发电机组、水泵;

〔26〕下池水位线; 〔14〕直锥形尾水管;

〔27〕气孔; 〔15〕水压线;

〔28〕水泵压力钢管出水口; 〔16〕尾水调压室;

〔17〕下池;

4～6图标号说明〔18〕水泵进、出水压力钢管;

〔1〕US Thermolito 〔19〕异地上池;

美国，帖尔模里托〔20〕气孔;

〔2〕US Smith Mtn

美国，史密斯山

7～12图标号说明：〔5〕水轮发电机组;

〔1〕上池; 〔6〕下池;

〔2〕深式进水口; 〔7〕水泵站;

〔3〕进水压力管道; 〔8〕出水压力管道;

〔4〕分站厂房; 〔9〕出水口。

附表一

附表二

实施二例：

一、（T式）集成水力发电站

参照图1、表1：将PO Zydovo波兰，孜多俄〔1〕、US Muddy Run美国，莫狄仑〔2〕、JA Kiseuyama日本，喜撰山〔3〕、BE Coo比利时，库〔4〕、US Raccoon Mountain美国，拉孔山〔5〕、JA OKutataragi日本，奥多多良木〔6〕、JA OKuyahagi日本，奥亚哈木〔7〕、JA Tamahara日本，玉原〔8〕梯级地集合在UK Dinorwic英国，狄诺维克〔9〕和水泵站〔10〕的上部，组成一个集成水力发电站。〔1〕至〔9〕分站各自的设计水头〔19〕重合于上池〔11〕、锥池〔12〕中，设计水头〔19〕即池深513.4m，水池容量700万m³（其中上池562万m³，锥池138万m³），为〔9〕分站5小时的额定流量。优化集成前，〔2〕、〔4〕、〔5〕分站因超额定流量，共有7台机组受阻被裁减，受阻功率为122.7万Kw/时，〔1〕、〔3〕、〔7〕、〔8〕分站因达不到〔9〕分站390m³/S的额定流量，共新增7台机组，新增功率为120.9万Kw/时，另外〔9〕分站增加2台备用机台，水泵站〔10〕增加备用水泵6台（实际超同步水泵4.2台）;除〔5〕分站＞〔9〕分站3m³/S额定流量而略显出力不足外，其余分站均≤〔9〕分站额定流量，通过调整，机组未增加，其功率为685.2万KW/时，比优化集成前的564.3万Kw/时提高21.4%因此这为优化集成方案。狄诺维克等九家抽水蓄能电站如果作为常规电站发电，也必须以全年3/4的时间丰水出力，才能与此优化集成电站出力持平。

见图1、2、3，优化集成后，因〔1〕至〔9〕分站的上下分站间流量各不相同，自动闸阀〔16〕只能是半启闭状态，便于调节水量。首先启开〔9〕分站深式进水口〔13〕取水出力发电，再拾级而上启开各分站深式取水口〔13〕取水，各分站水轮发电机组〔14〕吞水出力发电，〔1〕至〔8〕分站直锥形尾水管〔24〕将水经压力坠洞〔17〕吐出深式尾水口〔15〕，再进入下分站深式取水口〔13〕，就这样自上而下水经各分站层层出力发电，最后进入〔9〕分站出力发电后，吐入下池〔20〕中（池容140万m³，为〔9〕分站一小时的额定流量），水在下池〔20〕溶解气泡和散热30分钟后，由水泵〔14〕将水经进、出水压力钢管〔18〕，不停地抽回上池〔11〕还原。水在上池〔11〕经过4小时散热后又进入锥池〔12〕周而复始地出力发电。

二、（V式）集成水力发电站

参照图4、5、6和表2：将US Themolito美国，贴尔模里托〔1〕、US Smith Mtn美国，史密斯山〔2〕、JA Azumi日本，爱竹密〔3〕、JA Shin Toyonne日本，新丰根〔4〕、US Raccoon Mountain美国，拉孔山〔5〕梯级地集合在US Bath County美国，巴斯康蒂〔6〕和水泵站〔7〕的上部，用三根进、出水压力管道〔8〕将其一一联结起来，组成一个集成水电站。其三根压力管道直径8.6m，各长2500m，设计水头329m。图6，a、〔1〕至〔6〕家抽水蓄能电站集成前总出力为-139.81万Kw/时，出力得不偿失;图6，b、集成后出力为107.8万Kw/时，因〔1〕、〔4〕、〔6〕分站有三台机组完全不能出力，5台机组抽水与发电时间各半，受阻功率有161.23万Kw/时;图6，c、为集成后，增加一根2500m长的压力管道，这样就有两根压力管道进水发电，同时另外两根压力管道抽水循环;〔2〕至〔5〕分站各调为4台机组，〔1〕、〔6〕分站和水泵站〔7〕分别有5、6台机组、8台水泵，这样总出力为289.51万Kw/时，比优化前提高168.56%。因此，图6，c为巴斯康蒂集成电站优化集成方案。上池〔9〕中的水进入取水口〔10〕，经调压塔〔11〕、自动闸阀室〔12〕，串入〔1〕分站，冲动水轮发电机组〔13〕出力，再进入直锥形尾水管〔14〕，并汇合自动闸阀〔12〕溢出的水，一同串入〔2〕分站出力发电，再依次串入各梯级分站，各分站机组〔13〕保证在水压线〔15〕上正常运行。最后经〔6〕分站出力发电后，水再经尾水调压室〔16〕，进入下池〔17〕，水泵站〔7〕用水泵〔13〕把水经出水压力钢管〔18〕排向异地上池〔19〕。如此往复循环出力发电。

Claims

1、一种集成水力发电站，由常规水电分站[1]至[9](可多可少)、水泵站[10]、上池[11]、锥池[12](或渐变管)、水轮发电机组或水泵[14]、深式进、出水口与池壁闸阀室[13]、[15]、[16]、水轮机组进、出水压力坠洞或压力钢管[17]、水泵进、出水压力钢管[18]、设计水头线[19]、下池[20]等组成，各分站按设计型式、各自的设计水头梯级地集合而成。

2、根据权利要求1所述的集成水电站，其特征在于按照某种型式集合而成，用字母来表示水出力的流程轨迹所组成的设计型式有：T、V、S、D、W、L、J式等，各种型式的集成电站均可随时自动调节闸阀〔16〕，形成并联、串联或混联流水出力发电生产线。

3、根据权利要求1至2所述的集成水电站，其特征在于寻找优化集成方案，一般要求上下分站的水头之差在20米以上，经过调整机组台数后，每分站的额定流量应≤未分站〔9〕的额定流量，〔9〕分站与水泵站〔10〕须留有备用容量，其余参数不变。

4、根据权利要求1至3所述的集成水电站，其特征在于必须有上池〔11〕作位能，其上池类型有：T式人工上池〔11〕、〔12〕，成圆（棱）锥（台）体形状，上大下小，直径不限，以利于施工与安装为妥，V、S、D、W、L式集成电站上池应就地利用水库（江河湖海）等位能，均以地壳与水位〔19〕稳定为宜，J式是以高水头水库为位能的一种不要下池与水泵站的集成水电站。

5、根据权利要求1至4所述的集成水电站，其特征在于底部一般有下池〔20〕，下池容量以末分站〔9〕一小时的额定流量为宜，下池容量小或无下池的，必须有水泵或水泵水轮机组〔14〕直接从上池池底〔12〕或末分站〔9〕尾水口〔15〕抽水循环，下池〔20〕宜可分段落闸，便于排水后机械化去淤，J式集成电站的下池是下游河道，部分L式集成电站的末分站是直接抽取上分站尾水的水泵站，即下池就是上池。

6、根据权利要求1至5所述的集成水电站，其特征在于〔1〕至〔9〕分站的设计水头〔19〕集中重合于上池〔11〕、锥池〔12〕中，其调节方式为：上池〔11〕、锥池〔12〕的水进入压力坠洞〔17〕，再与水泵出水压力钢管〔18〕形成上下对流、数站同时多层次吞吐出力发电、时时循环的格局，J式集成电站数站同时取水发电，末分站一口朝下游河道弃水，J式集成电站仍然依靠太阳年调节循环。

7、根据权利要求1至6所述的集成水电站，其特征在于各分站〔1〕至〔10〕厂房及其他地下建筑，浇筑在多层次扇面坠洞中或梯级坝体内，均以上下分站不垂合为宜，主厂房〔1〕至〔10〕以接近上池池体而不受其张力影响为妥。

8、根据权利要求1至7所述的集成水电站，其特征在于〔1〕至〔9〕分站压力坠洞〔17〕设有深式进、出水口池壁闸阀室〔16〕、机组岔道压力钢管〔17〕设有闸阀〔22〕、〔9〕分站设有尾水管调压室〔23〕、水泵出水压力钢管〔18〕设有自动三级闸阀〔21〕。

9、根据权利要求1至8所述的集成水电站，其特征在于各机组〔14〕转轮出口有一直锥形尾水管〔24〕，各机组尾水并联后（或单独），压力坠洞〔17〕直向（斜向）下延伸至下站取水口〔13〕，尾水管〔24〕、取水口〔13〕等处设有进气孔〔27〕。

10、根据权利要求1至9所述的集成水电站，其特征在于〔1〕分站设有客水取水口〔25〕，便于随时补充水量以稳定设计水头〔19〕，客水〔25〕丰富的集成水电站抽水循环为配水弃水，建有制H₂制O₂，供水调水等配套设施。