CN104404930A - 河流入海河口发电系统 - Google Patents

Abstract

一种河流入海河口发电系统，包括河流取水装置、河水预处理装置、浸没式正渗透膜装置和发电装置，河流取水装置通过输水管道与河水预处理装置连接，河水预处理装置和浸没式正渗透膜装置均与发电装置连接。运行时，通过河流取水装置将河水输送至河水预处理装置，处理后的河水成为清水，清水进入发电装置，同时发电装置与浸没式正渗透膜装置连接，浸没式正渗透膜装置使清水通过在强大的渗透压驱动下，不断进入发电装置，推动发电装置做功，产生电能。该系统充分结合入海河口处的淡水和海水资源优势，利用溶液的依数性差异带来的渗透压差，带动发电设备发电，同时，运行过程实现自动联锁控制，可根据不同进水条件调整运行方式，便于实施。

Description

河流入海河口发电系统

技术领域

本发明涉及一种用于河流入海河口处的水力发电系统，属于水力发电技术领域。

背景技术

近二十年来，发展中国家在加快经济发展的过程中，对能源的需求量也在大幅度增加，随之带来的高排放问题受到发达经济体的高度关注。另外，气候变化问题迫切要求全球经济朝着低碳化方向转变，因此，各种新能源技术受到全世界各国的青睐，目前各国对新能源技术的开发主要集中在风力发电、太阳能光伏发电和生物质发电等领域，对浓差能、地热能、潮汐能、化学能等的开发利用较为滞后。

渗透作用是两种不同浓度的溶液隔以半透膜（允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜），水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。其发生的条件有两个：一是有半透膜，二是半透膜两侧有物质的量浓度差。

渗透作用又可分为正渗透（FO）、反渗透（RO）和压力阻尼渗透（PRO）。

正渗透（FO）过程是以半透膜两侧的渗透压差为驱动力， 溶液中的水分子从高水化学势区（低离子浓度溶液）通过半透膜向低水化学势区（高离子浓度溶液）传递，而溶质分子或离子被阻挡的一种渗透过程。

反渗透（RO）过程，是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和正渗透的方向相反，故称反渗透。可以利用不同物料的渗透压差异，使用大于渗透压的反渗透压力，达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。

压力阻尼渗透（PRO）是介于正渗透和反渗透过程的中间过程，是指在渗透压差的反方向上施加压力，与反渗透过程相似，然而水分子仍然是扩散到高离子浓度一侧，与正渗透过程相似。

中国海岸带有大小入海河流1500余条，入海河流径流量占全国河川径流总量的69.8%，其中流域面积广、径流大的河流主要有长江、黄河、钱塘江、珠江等，上述入海河流带来大量淡水，与近海处的海水存在较大的离子浓度（主要为NaCl）浓度差，这为正渗透（FO）的应用提供了有利的物质条件。

目前商业化正渗透膜材料（如Osmotek 公司研发的支撑型高强度膜）的研发推广，有效克服了内浓差极化现象，使膜通量得到有效提高，为正渗透（FO）的应用提供了另一物质条件。

为此，亟需充分利用河流入海河口的水资源优势，开发新型发电系统，生产清洁电力能源，缓解我国目前能源短缺的状况。

发明内容

本发明针对现有河流入海河口的水资源利用问题，提供一种结构简单、利用效率高的河流入海河口发电系统。

本发明的河流入海河口发电系统，采用以下技术方案：

该系统，包括河流取水装置、河水预处理装置、浸没式正渗透膜装置和发电装置，河流取水装置通过输水管道与河水预处理装置连接，河水预处理装置和浸没式正渗透膜装置均与发电装置连接。

河流取水装置，包括设置于岸边的固定式取水构筑物和/或移动式取水装置，岸边固定式取水构筑物中设置进水调节闸门，移动式取水装置中设置有取水泵。

河水预处理装置，包括沉砂池、絮凝反应池、絮凝沉淀池、清水池、砂滤池和加药间；沉砂池、絮凝反应池和絮凝沉淀池依次连接，沉砂池与絮凝反应池之间设置输水电动闸门；絮凝沉淀池分别与清水池和砂滤池连接，絮凝沉淀池与清水池的连接管路上设置有清水电动闸门，絮凝沉淀池与砂滤池的连接管路上设置有砂滤进水泵，砂滤池与清水池连接；沉砂池通过超越管路与清水池连接，超越管路上设置有超越电动闸门；清水池与发电装置连接；加药间一方面通过计量加药泵（主要用于投加絮凝剂等）与絮凝反应池连接，一方面通过计量加药泵（主要用于投加二氧化氯等消毒剂及柠檬酸等膜清洗剂）与发电装置中的密闭转子仓连接。

沉砂池、絮凝反应池、絮凝沉淀池和清水池中均设置有浊度计。

浸没式正渗透膜装置，包括膜机架和膜元件，膜元件设置在膜机架中，将膜机架内部分为内外两部分，内部为密闭的淡水腔，外部敞口。淡水腔内外设置有离子浓度计，膜机架底部设置有深度控制仓。膜元件上设置有膜清洗液出口电动阀门。膜机架可由机动牵引船牵引变换位置。

发电装置，包括密闭转子仓和涡轮发电机组，密闭转子仓与河水预处理装置中的清水池连接，且与浸没式正渗透膜装置中膜机架的淡水腔连接，密闭转子仓内设置有发电机叶轮，发电机叶轮与涡轮发电机组连接。

上述系统中，河流取水装置放置在赶潮河段上游一定水深且水流平缓的淡水区，浸没式正渗透膜装置放置在赶潮河段以外的浅海及海水交换频繁的海水区，其它构筑物或设备放置在岸边合理输送半径内的陆地上。运行时，通过河流取水装置将河水输送至河水预处理装置，处理后的河水进入发电装置，同时发电装置与浸没式正渗透膜装置连接，浸没式正渗透膜装置使清水通过在强大的渗透压驱动下，不断进入发电装置，推动发电装置做功，产生电能。

本发明充分结合入海河口处的淡水、海水资源优势，因地制宜，利用溶液的依数性差异带来的渗透压差，带动发电设备发电，可创造大量电能；同时，运行过程实现自动联锁控制，可根据不同进水条件调整运行方式，便于实施。具有以下特点： 

1.充分利用溶液的依数性，利用海水与入海河流淡水之间的高渗透压差，实现了渗透能和电能的转化，极大的开发了水能源；

2.采用的FO膜具有膜通量大，浓差极化现象少的特性，可保障渗透功能的顺利实现；

3.过程中应用了大量的自动化仪器仪表，运行过程实现自动联锁控制，便于根据不同进水条件调整运行方式；

4.模块化设计，可根据不同实施条件，自由组合，具有较强的灵活性。

附图说明

图1是本发明河流入海河口发电系统的结构原理示意图。

图中：1、固定式取水构筑物，2、移动式取水装置，3、取水泵，4、进水调节闸门，5、沉砂池，6、沉砂浊度计，7、超越电动闸门，8、输水电动闸门，9、絮凝反应池，10、絮凝浊度计，11、絮凝沉淀池，12、沉淀浊度计，13、清水电动闸门，14、清水池，15、清水浊度计，16、砂滤进水泵，17、砂滤池，18、密闭转子仓，19、发电机叶轮， 20、涡轮发电机组， 21、加药间，22、计量加药泵（主要用于投加絮凝剂等），23、计量加药泵（主要用于投加二氧化氯等消毒剂及柠檬酸等膜清洗剂），24、膜机架，25、膜元件，26、离子浓度计，27、深度控制仓，28、机动牵引船，29、清洗液出口电动阀门，30、管道混合器。A、淡水区，B、赶潮河段，C、海水区。

具体实施方式

本发明的河流入海河口发电系统，包括河流取水装置、河水预处理装置、浸没式正渗透膜装置和发电装置，河流取水装置通过输水管道与河水预处理装置连接，河水预处理装置和浸没式正渗透膜装置均与发电装置连接。

（1）河流取水装置

该装置设置在淡水区A处，可以采用岸边固定式取水构筑物1（如顺流式斗槽等）或移动式取水装置2（如下承式取水浮船等）。岸边固定式取水构筑物1中设置进水调节闸门4，河水通过进水调节闸门4输入至河水预处理装置。移动式取水装置2中设置有取水泵3，通过取水泵3将河水输入至河水预处理装置。

（2）河水预处理装置

该装置，包括沉砂池5、絮凝反应池9、絮凝沉淀池11、清水池14、砂滤池17和加药间21。沉砂池5、絮凝反应池9和絮凝沉淀池11依次连接，沉砂池5与絮凝反应池9之间设置输水电动闸门8，絮凝沉淀池11一方面与清水池14连接，一方面与砂滤池17连接，絮凝沉淀池11与清水池14的连接管路上设置有清水电动闸门13，絮凝沉淀池11与砂滤池17的连接管路上设置有砂滤池进水泵16，砂滤池17也与清水池14连接，沉砂池5通过超越管路与清水池14连接，超越管路上设置有超越电动闸门7。清水池14与涡轮发电机组连接。加药间21一方面通过计量加药泵22（主要用于投加絮凝剂等）与絮凝反应池9连接，一方面通过计量加药泵23（主要用于投加二氧化氯等消毒剂及柠檬酸等膜清洗剂）与密闭转子仓18连接。沉砂池5可以采用如旋流沉砂池等，沉砂池5上设置有沉砂浊度计6。絮凝反应池9中设置有絮凝浊度计10，可采用网格絮凝池。絮凝沉淀池11中设置有沉淀浊度计12，可采用如斜管沉淀池。清水池14中设置有清水浊度计15。砂滤池17可采用重力无阀滤池或V型滤池等。

（3）浸没式正渗透膜装置

该装置通过机动牵引船28运至河流入海口的海水区C，置于海水中，直接与海水接触。该装置包括膜机架24和膜元件25，膜元件25设置在膜机架24中，将膜机架24内部分为将膜机架内部分为内外两部分，内部为密闭的淡水腔，外部敞口，与海水相通，淡水腔是密闭的，通过正渗透膜与海水连通。膜元件25采用中空膜或平板膜并联而成。膜机架24底部设置有深度控制仓27，以调控整个膜装置在海水中的深度，并可由机动牵引船28牵引变换位置。膜机架24中设置有离子浓度计26。膜元件25上设置有膜清洗液出口电动阀门29，以排出清洗液。

（4）水力发电装置

该装置，包括密闭转子仓18和涡轮发电机组20，密闭转子仓18与清水池14连接，且与浸没式正渗透膜装置中膜机架24的淡水腔连接。密闭转子仓18内设置有发电机叶轮19，发电机叶轮19与涡轮发电机组20连接。

加药间21、清水池14和密闭转子仓18的连接处设置有管道混合器30，以使药剂充分混合。

上述系统运行前，首先收集入海河流水文资料，确定系统各构筑物或设备的摆放位置，建于河流岸边的固定式取水构筑物1和置于河流中的移动式取水装置2放置在赶潮河段B上游一定水深且水流平缓的淡水区A。浸没式正渗透膜装置放置在赶潮河段以外的浅海、海水交换频繁的海水区C。其它构筑物或设备放置在岸边合理输送半径内的陆地上。

运行时，如果河水水位满足沉砂池5的进水水位要求，则开启进水调节闸门4，河水通过岸边固定式取水构筑物1自流进入沉砂池5；否则，关闭进水调节闸门4，河水由移动式取水装置2上的取水泵3输入沉砂池5。

进入沉砂池5中的河水经沉砂浊度计6检测符合膜元件25进水要求时（由具体采用的正渗透膜的材料和使用要求决定），关闭输水电动闸门8，开启超越电动闸门7，河水流入清水池14；如经沉砂浊度计6检测，河水不能符合膜元件25进水要求时，关闭超越电动闸门7，开启输水电动闸门8和清水电动闸门13，河水进入絮凝反应池9。根据絮凝浊度计10的显示数据，调节计量加药泵22（主要用于投加絮凝剂等）的流量，使河水与药剂发生反应，使河水浊度达到絮凝反应池9的设计要求。反应后的河水随后进入絮凝沉淀池11，根据沉淀浊度计12的显示数据，可以进一步调整计量加药泵22（主要用于投加絮凝剂等）的流量，使河水最终满足膜元件25进水要求，经清水电动闸门13进入清水池14。如经絮凝沉淀后，河水水质仍不能满足膜元件25的进水要求，则关闭清水电动闸门13，同时开启砂滤进水泵16，将河水泵送至砂滤池17进行过滤处理，过滤后的河水再进入清水池14。

进入清水池14后的河水经清水浊度计15检测，满足要求后进入密闭转子仓18，否则，调整计量加药泵22（主要用于投加絮凝剂等）的流量，进一步减小河水的浊度。清水池14的清净河水进入浸没式正渗透膜装置的淡水腔，由于膜元件25两侧的离子浓度差异，造成的渗透压差（△π），使淡水水分子透过膜元件25自由传至海水区，在强大的渗透压驱动下，淡水不断进入密闭转子仓18，从而推动发电机叶轮19做功，通过涡轮发电机组20产生电能。

当浸没式正渗透膜装置膜通量下降时，可以开启计量加药泵23（主要用于投加二氧化氯等消毒剂及柠檬酸等膜清洗剂），对污染的膜进行清洗，清洗水通过膜清洗液出口电动阀门29排出。

Claims (9)

1.一种河流入海河口发电系统，包括河流取水装置、河水预处理装置、浸没式正渗透膜装置和发电装置，其特征是，河流取水装置通过输水管道与河水预处理装置连接，河水预处理装置和浸没式正渗透膜装置均与发电装置连接。

2.根据权利要求1所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述河流取水装置包括设置于岸边的固定式取水构筑物和/或移动式取水装置，岸边固定式取水构筑物中设置进水调节闸门，移动式取水装置中设置有取水泵。

3.根据权利要求1所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述河水预处理装置，包括沉砂池、絮凝反应池、絮凝沉淀池、清水池、砂滤池和加药间；沉砂池、絮凝反应池和絮凝沉淀池依次连接，沉砂池与絮凝反应池之间设置输水电动闸门；絮凝沉淀池分别与清水池和砂滤池连接，絮凝沉淀池与清水池的连接管路上设置有清水电动闸门，絮凝沉淀池与砂滤池的连接管路上设置有砂滤进水泵，砂滤池与清水池连接；沉砂池通过超越管路与清水池连接，超越管路上设置有超越电动闸门；清水池与发电装置连接；加药间一方面通过计量加药泵与絮凝反应池连接，一方面通过计量加药泵与发电装置中的密闭转子仓连接。

4.根据权利要求3所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述沉砂池、絮凝反应池、絮凝沉淀池和清水池中均设置有浊度计。

5.根据权利要求1所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述浸没式正渗透膜装置，包括膜机架和膜元件，膜元件设置在膜机架中，将膜机架内部分为内外两部分，内部为密闭的淡水腔，外部敞口。

6.根据权利要求5所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述淡水腔内外设置有离子浓度计。

7.根据权利要求5所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述膜机架底部设置有深度控制仓。

8.根据权利要求5所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述膜元件上设置有膜清洗液出口电动阀门。

9.根据权利要求1所述的河流入海河口发电系统，其特征是，所述发电装置，包括密闭转子仓和涡轮发电机组，密闭转子仓与河水预处理装置中的清水池连接，且与浸没式正渗透膜装置中膜机架的淡水腔连接，密闭转子仓内设置有发电机叶轮，发电机叶轮与涡轮发电机组连接。