CN1046372A - 水槽式电站 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“水槽式电站”，所属技术领域为水力发电。该电站一反传统电站水能开发方式上的间接迂回：动能—位能—动能—电能，而直接将动能变为电能；它无需地理上的山水沟河的特殊要求，无需建堤筑坝，运行中无洪水，泥沙，地震的威胁。其主要特征是在自然流水的水域底下，建造变截面的水槽，并以此水槽将单位动能不大的自然水流聚集为单位动能较大直至能推动水轮机组转动而发电。该电站广泛适用于江河海洋，装机容量大小皆宜。

Description

本发明名称为“水槽式电站”，所属技术领域为水力发电、当今利用水力资源发电大致有以下几个基本形式：

（一）径流式电站。其基本特点是依靠径流发电，没有可供径流调节用的库容，水电站的出力大小，是随着建站处天然径流的变化。

（二）蓄水式电站。其基本特点是有可供径流调节用的水库，水电站的出力大小在一定程度上视电力负荷需要，利用库容来进行调节。在径流式和蓄水式电站中，又因水能开发方式不同，而分有拦河坝式、引水式与混合式。拦河坝式电站是一种抬水式电站，其开发方式是拦河筑坝以截取径流抬高水位，集中开发河段的落差，以形成电站的水头。同时也在上游形成调节径流的水库，因而成为蓄水式。引水式电站的开发方式是利用原河道的较陡坡度，沿河段建造坡度较缓的引水建筑物，或在原河段裁弯取直，以集中落差输引流量到水轮机发电，这种电站因无可供调节径流的水库，而称为径流式电站。混合式电站的水能开发方式是兼有拦河坝式与引水式电站二者的特点，由拦河坝和引水建筑物分别集中一部分落差，合成电站的水流。

（三）潮汐水电站，是利用海洋潮汐水能进行发电，一般在海湾或感潮河口修堤筑坝，形成水库。随着涨潮或落潮的过程，将潮水通过水轮机放入或泄出水库，从而推动水轮发电机组发电，水库内外的水位差形成水电站的水头，潮差和库容的大小，决定所能引用的潮水流电，水电站出力的大小与水头及潮水的流量的乘积成正比。

（四）抽水蓄能式电站，是专门负担电力系统中调峰调频及事故备用的物种水电站。通常具有位置较高的上水池（库）及位置较低的下水池（库），并装有水力发电机组及抽水机组（或者装有兼备二者功能的可逆式机组），在电力系统的低负荷时间里，可利用系统中的多余电能，将下水池（库）的水通过电力抽水机组抽入上水池（库），从而把电能转化为水能而蓄存在上水池中;当电力系统中在尖峰负荷时，可将上水池的水通过水能机转化为电能，供应系统用电，它的作用可改善电力系统的安全和经济运行，并保证电能供应质量。

其他还有波浪发电，由于此装机容量不够大，较难用于大规模的发电。

上述各式水电站，综合其结构设置，大致可分为三大块（波浪发电除外）：上水池（库）、大坝（包括机组及电房）、下水池（库）。结构形式的设计取决于水能开发的途径，传统的水能开发途径在水能的表现形态上走了一个迂回;（波浪发电除外）引蓄水流，抬高水位，动能变位能;然后由上水池控制放水，位能变动能;再由动能推动水轮机组转动发电，动能才变为电能。由此可见，传统的水力发电在水力资源的开发方式和途径上是曲线迂回而间折。

又由于一般的水电站的结构设置分为三大块，这三大块的具体过程需要特定的山水沟河条件，这些条件纯粹属于自然地理方面，当今人们改造大自然的能力还不能够创造这些条件，所以传统式的水力发电条件资源难得。

建造传统式的电站有两项，耗资巨大。一是上水池（库），需淹没土地，损失一定耕地和树林，还加上移民的忙烦，这些代价是可观的。一是建造大坝，其价值也是昂贵的。其实，就发电这个产品来说，上面两项巨大的耗资，实属边际工程费用，就大增加单位装机容量的投资。为此，即使在条件资源难得的情况下，终因耗资巨大而难建。

即就建成的电站，也在使用运行过程中，存在三大威胁：一是由特大暴雨产生的特洪水冲泄拦水大坝，大坝一旦崩塌，对下游偌大一个地区来说，无疑是一个毁灭性的灾难，这在历史上也是多有发生的。二是泥沙淤积，积重难返，这对电站稳定高效的长期运行也是一个致命的打击。三是地震，由于大多数电站建在山区，地壳刚度大，或站址位于断裂层地带，易发地震，会由地震冲击波危及大坝的安全而造成灾难。当然还存在其他诸多问题，这里不一一列举，但就这三大威胁，足使现成的水电站在使用运行中难以管理。

更重要的是其隐在的后患，由于水库淹没大片树林，影响生态平衡，“温室效应”无疑也有水库的一份作用。综上所述，传统式电站开发水能方式间接而又难建、难管有后患，宗其长久效益，不能不认为传统式电站日渐西斜。尽管如此，传统式电站为近代时期的电能生产发挥了巨大作用，因为它毕竟比火力发电优越。

火力发电更是前景渺茫，当今在世界范围内煤油日渐紧缺，核发电亦只能权宜补救功能。

然而，社会的进步、工农业生产的发展、国民经济的增值，首先要求发电量的增加，这个矛盾日益普遍和尖锐。那么，水槽式电站就是摆脱上述困境而产生的。水槽式电站，无需修堤筑坝，引蓄水流，不分上水池（库），下水池（库），不破坏原生水域，只是在原自然流淌着的水域底下建造。其主要构造是采用变截面的水槽，按发电时的水流流向是上游断面大，下游断面小，就是利用这个变截面的水槽，直接引用自然流水的动能而发电。该项新型水力发电的水力开发方式直接，无山水沟河的特殊地理要求，资源平凡，凡是流动的水域均可建造，而且由于不修坝筑坝，不占耕地，不淹没树林，没有移民的忙烦，无其他边际工程，它主要是由水槽和水能发电机组及配电设备组成电站，所以单位容量投资小，单位电能投资更小，无“温室效应”，无泥沙、洪水。地震等威胁，便于管理，效益持久。该项新型水力发电站的优越性正好弥补和发展了传统电站的缺憾和不足。它为水力资源广泛而直接的开发利用，提供了一个新的开发方式，为未来的电能生产提供一个新的生产工具，而且为开发海洋，甚至建设海洋工厂提供一个先决的能源前提。

水槽是该项新型发电站的主要结构，由于它的主体特征是上游断面大，下游断面小，又由于它是建造在具有自然流动着的水域的水下河底，水槽里必是有水流在流淌。不过，一进入水槽里的水流运动已不是原先的自然流淌，而是受着水槽两壁压缩下的运动。水流由水槽上游较大的进口断面，流进一定流量的水体，因水槽断面是逐渐收缩变小，又因水槽上面有一定的水力压强覆盖着，则水槽里的水流如同在变截面的封闭管道里运动一样。随着断面的收缩而加快流速。这就是说，水槽具有聚集动能的功能，将单位动能较小的自然水流聚集成单位动能较大的水流，直至推动水轮机组发电。然而，水槽又是如何聚集水体能量的呢？让我们先采用伯努利方程式来进行水力分析。

为了使水槽能运用伯努利方程式，就得使水流是恒定流，并通过水槽任一断面的流量不变，为了满足这些条件，我们从两个方面进行规定：

首先是使水流的流向与水槽的轴向一致，在水流的主流中心与水槽的中心轴吻合，这就能使水流自身内部没有指向水槽外侧的作用力，水流始终与水槽作同向运动。至次是水槽的结构造型的边界条件，不得对流动着的水流产生被动作用力，这就对水槽的结构造型有如下的要求。水槽诸面平整，槽底纵向坡比为零，槽两侧竖壁等高且垂直于底面，这样就避免了水的挑流和上抛、现在我们将一支同向水流放在水槽里流动，水槽上面有等值的压强覆盖着（沿程损失忽略不计），其他三壁都是平整的平面，同向水流在这样的同向的水槽里流动的时候，是符合运用伯努利方程所要求的条件：恒定流、流量沿程不弯，水槽里无能量输入或输出。接着，便着手分析：基准面选取在水槽底面上，断面1选取在水槽上游进口边界处。断面2选取在距离断面1为L的槽身里，则可列出典型的伯努利方程式：

Z₁+ (ρ₁)/(γ) + (α₁U₁ ²)/(2g) =Z₂+ (ρ₂)/(γ) + (α₂U₂ ²)/(2g) +h_w1-2

由于基准面位于水槽底面且水平，水槽两壁等高，故水槽里的两断面上的各点位置水头相等。即Z₁＝Z₂，又由于这两个断面是同一个自由水面下的相邻两个点，水流的内部粘滞力甚微，可忽略不计，故 (ρ₁)/(γ) = (ρ₂)/(γ) ，原方程便简化为：

(α₁U² ₁)/(2g) = (α₂U² ₂)/(2g) +h_w1-2

再列出水流的连续性方程：

Q＝W₁U₁＝W₂U₂

因为水槽的总体特征是上游大下游小，断面1大于断面2，故此，不需要代入具体数字于上述两方程联列求解，即可直接的判断断面2的单位动能大于断面1的单位功能。具体的说，水流加快了流速，这就是水槽具有聚集水流动能的功能的依据。这样就能通过断面的设计，聚集自然水流的动能，直至能够推动水轮转动而发电。

为了全面阐明水槽如何稳定有效地聚集水体能量，务必进一步说明下去。由于水槽是开敞式的，虽然有一定的压强覆盖在水槽的顶面层上，但水槽里的水流还是与水槽顶面层以上的水流有联系的。水槽里的水流因水槽断面的收缩而流速加快，而水槽上面的水流没有这样的收缩，故其流速照旧。这样，水槽里的水流流速与水槽上面的水流流速因不相等而形成一个流速差，这里便存在着一个交界层。为了形象地说明情况，我们来做这样一个实验：现将一块柔软的薄膜水平地覆盖在水槽的顶面层上。以这张薄膜代替这个交界层作人为的封闭，使水槽形成一个封闭管道的模式。再将两支测压管分别紧放在这张薄膜的上面和下面，我们会看到两支测压管的水柱高度不等。由于薄膜下面的水槽里的水流流速快，其测压管的水头必定低于薄膜上面的低流速的测压管水头，这两支测压管水头的高差的作用力，将垂直向下作用在这张薄膜上，薄膜便有向水槽里位移的趋势。现在掀掉这块薄膜，让水槽上面的水流层向水槽顶面以下位移。这个位移的高度就是交界层的厚度，而且这个交界层的流速梯度较大。在这个交界层里，一方面是高流速水流流场的质点以脉冲的方式，在垂直方向上，向低流速的水流流场释放能量，以阻止低流速水流层进一步向下位移;一方面低流速的水层受高流速水层的拖拽，提高了原流速。由此我们可以看到这个交界层的特殊意义在于“封闭”。具体的说，该交界层位于水槽的顶面层以下，与其三壁围成一个封闭圈，整个庞大的水层构成了一个理想的锥形封闭管道，这就完成了结构上的封闭。在这个封闭的水槽里，进入水槽里的水流能量，除去沿阻损失和交界层的脉动损失，拖拽损失外，绝大部分能量仍然封存在水槽里，不与外界交换，这就保证了能量上的封闭。这个封闭层的强度就是水槽上面的压强水头，我们知道，大江大海的水层较深，具有相当大的压强水头压在水槽的顶面层上，而水槽里的高速水流在垂直方向上脉动能量是很有限的。根据武汉水利电力学院水力学教材中指出，陡槽的最大脉动摆幅只为流速水头的5%，而且一次脉动时间不到0.03秒，这个瞬时脉动能量很难完成穿越交界层的运动过程。所以，水槽上面的压强水头对这个小能量的瞬时脉动具有足够的封闭能力。那么，有了这个高强度的封闭层的存在（相对于瞬时脉动能量而言），水槽就能稳定而有效地聚集水体能量，通过断面设计和沿程水头损失的计算，求得水轮机所需要的单位动能和装机容量所要求的流量，从而直接利用了水流的动能来发电。

为了使水槽里的封闭层具有一定的保证率，槽底纵坡需略带一点比降。其坡比在1/100至1/1000之间为宜;槽侧两壁，下流略高于上游，水槽诸面都平整，特别是底面，否则，水槽边界的不规则形状就是对水流产生被动作用的条件而形成挑流。水槽两侧竖壁如果水深不大，则要求竖壁垂直于底面，避免水流在流动中因单向收缩而上抛。如果水槽区上有足够的水深，压强水头较大，则需通过水力计算放宽竖壁垂直的要求而略带斜坡。

建造水槽可利用自然河槽加工整理而成，没有河槽便新行开挖，建槽材料应根据设计流量流速和土质的不同情况分别采用原始河床土质，局部采用石料和全部用混凝土预制块或料石堆砌。水槽的断面形状根据条件和有关水力计算，分别采用矩形：梯形、多边形和曲线面形。

水槽一般为开敞式，如有需要将其改为半开敞式（如曲线断面）或用局部封闭式（如用施工布或其他材料作局部封闭）都行。水槽在河床上的座落形式应根据设计需要分别采用下沉式、半下沉式和堆砌式、混合式。

水轮机以采用贯流式为宜，有其他条件和要求的亦便采用其他形式的水轮机。

为了适应循环往复的潮汐水流发电，则在水轮机的两头，各设一条水槽，互为进水池和尾水池。这个双向水槽能使互为相反的两个方向的水流连续发电，又因为潮汐的流量和流速有周期性的波动，那就以最大流速与水槽进口断面所形成的最大流量为单座电站设计流量，分设多台水轮机组，有序的排列在水槽头部;运行时，随着潮汐涨落而引起的流量大小，通过闸门来不断的调制水轮机运转台数。这种双向水槽多台发电机组能广泛适用于海洋潮汐的发电。

建造一座电站，都有其装机容量和额定电能输出的要求，而潮汐发电的电能输出，是随着潮汐的流速的变化而变化，这就不能使电能输出保持其一量级。但潮汐的周期性有着严格的地区性，即甲地和乙的潮位周期不可能同步，而且遵循一定的时间差，那么，就将这种双向水槽式电站进行一字排列建造，每单座电站之间再拉开适当的距离，拉长了整个电站的建造水域跨度，均衡潮汐电站的总流量，这样，总电站的出力就能保持其一量级，保证正常供应电能，如果基建投资规模庞大，装机容量亦大，总的电能输出量级也大。那就将上述一字排列的电站建成二字排列或三字排列等，形成水槽式电站群，这可使火力发电站和核发电站面对此景而望洋兴叹。

一座水槽式电站建成后，由于水槽轴向设施与水流的设计流向不一定完全吻合和水流流向也是在一定的范围内不断变化。故此，不能坐等同向水流流入水槽，这时只要用少量的外电将水轮机旋转数分钟，原水槽里异向混乱的水流即能调顺为同向流。水流一旦调顺，就进行发电。此时，上游水流将遵循连续性和惯性规律，源源不断的流进水槽，输入动水能量，通过水槽收缩而聚集到水轮机上正常发电。

为了让水槽式电站有一个明了的总体印象，后面附上三张构造简图。图一为平面图，图二为立面图，图三为侧面图，由于水槽式电站在具体结构上有多种形式，这里画的简图是诸多形式的一种，它是“双向矩形水槽式电站”。由于图幅不大，贯流孔洞中难以画出水轮机，仅以中心线表示。图中为九台水轮机组。

该项新型的水槽式电站应用广泛，凡是具有动水水流的江洋河海皆能应用。至于具有结构，则应根据所建站址区的地质、土质、水质、水深、水域、流量、流量、流速、投资规模和装机容量等要素进行具体设计：水轮机组及其配电设备也作相应的具体设计。应用广泛的另一个方面，是装机容量大小皆宜，小至数千瓦的微型水轮机组，大至数百乃至数千千瓦的水轮机组或上万千瓦的巨型水轮机组，皆能适用。电站的配电与控制亦根据条件和需要，水上水下，单控与集中皆行;发出的电能与大电网并列，或自成系统皆宜。

Claims (6)

1、本发明名称为水槽式电站，所属技术领域为水力发电，与本发明密切相关的已有技术为水轮发电机组及有关配电设备和工程结构设计建造技术。

2、本发明的主要特征在于：每单位水槽式电站座落在一个自然面的水域内（配电设备除外），不是以建堤筑坝的形式将电站分为上水池（库）和下水池（库），来引蓄水流，动能变位能，再将位能变动能时，才变为电能。而是采用变截面的水槽（按发电时的水流方向来说，上游断面大，下游断面小）直接开发自然水流中的动能进行发电;水槽的断面形状有矩形、梯形、多边形和曲线面形;水槽的座落方式有下沉式、半下沉式、堆砌式和混合式;水槽一般为开敞式，也有半开敞式或局部封闭式。水槽诸面平整，槽底纵向，根据水力设计分别选用有彼比槽底和无彼比槽底。

3、根据权利要求1和2所述的电站，每单座电站根据需要和条件，分别选择设置单台水轮发电机组和多台水轮发电机组，采用多台水轮机组应有序的排列在水槽的头端;水轮机以贯流式为宜，其他形式的水轮机亦能适用;水轮机的装机容量大小皆宜，小至数千瓦的微型小轮机组，大至数千乃至上万千瓦。

4、根据权利要求1和2所述的电站，为适应海洋潮汐循环往复的水流正常发电，有下列三种形式进行满足：A.采用双向水槽，水轮机的两头各设一条水槽，随着流向的不同而互为进水池和尾水池;B.双向水槽电站单座单列，一字排开，拉长水域跨度，均衡总电站的发电流量，使水能输出保持某一量级;C.对于投资规模较大的电站，应多座数列，形成电站群。

5、根据权利要求1和2所述的电站，每次初始发电，应用少量的外电调顺水槽中的水流，水流一旦调顺，就能发电。

6、根据权利要求1和2所述的电站，广泛用于江河海洋等所有动水水域中。

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