CN106836155A - 高坝水电站虹吸式水力发电系统 - Google Patents

高坝水电站虹吸式水力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高坝水电站虹吸式水力发电系统，具有一主坝体，所述主坝体一侧固设一进水通道，另一侧固设一出水通道，所述主坝体内设有一第一中间通道，所述主坝体内设有一第二中间通道和一第三中间通道；所述出水通道具有一第一出水通道和一第二出水通道；所述第一出水通道外表面固设一第一真空泵，利用所述水库的水压与抽为真空后的所述进水通道内的压差将所述水库中的高程蓄水快速吸入所述进水通道，进而流入所述出水通道进行虹吸式水力发电。本发明提供一种改进现有的高坝水电站虹吸式水力发电系统，有效地提高现有高坝水电站水能利用率。

Description

高坝水电站虹吸式水力发电系统
技术领域
本发明涉及高坝水电站水力发电水能利用率研究技术领域，尤其涉及一种高坝水电站虹吸式水力发电系统。
背景技术
高坝水电站是能将水能转换为电能的综合工程设施，一般由挡水、泄水建筑物形成的水库、水电站引水系统、发电厂房及机电设备等组成。通过将高坝水电站水库的高水位水经引水系统推动水轮连续发电机组产生电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网，以供其他设备使用。
对于高坝水电站，如长江三峡水电站、溪洛渡水电站等超高坝水电站，其具有巨大的水能，但是现有的水力发电系统均存在水能利用率较低的问题。现有的水电站的水力发电系统仅在水道底部配置一台水力涡轮发电机机组，而机组装机存在总容量较小的问题，根本无法对水能进行充分的利用，目前，长江三峡水电站水力发电的发电率仅约50％。同时，现有的水力发电系统采用的水力涡轮机在运转时，水力涡轮机一半的叶片会形成反向水流，从而对涡轮机产生逆势影响，降低了水力涡轮机的工作效率，影响了整机机组的工作效率。
发明内容
本发明针对现有技术中的高坝水电站采用的水力发电系统存在水能利用率较低，不能充分地将水能转化为电能等缺陷，目的在于提供一种改进现有的高坝水电站虹吸式水力发电系统，有效地提高现有高坝水电站水能利用率。
实现上述目的的技术方案是：
本发明的高坝水电站虹吸式水力发电系统，具有一固设于所述高坝水电站水库中的主坝体，所述主坝体一侧固设若干用于流入所述高坝水电站水库高程蓄水的全封闭式进水通道，另一侧固设若干用于流出所述高坝水电站水库高程蓄水实现水力发电的全封闭式出水通道，所述主坝体内设有一可同时与所述高坝水电站水库、所述出水通道贯通的全封闭式第一中间通道，
所述主坝体内位于所述第一中间通道上方从上而下依次设有一可同时与所述进水通道、所述出水通道贯通的全封闭式第二中间通道和一可同时与所述进水通道、所述出水通道贯通的全封闭式第三中间通道；
所述出水通道具有一可与所述第二中间通道的出水端、所述第三中间通道的出水端均贯通的且固设于所述主坝体侧壁的立式全封闭式第一出水通道和一与所述第一出水通道出水端固定连接且可与所述第一出水通道、所述第一中间通道贯通的斜向设置的全封闭式第二出水通道；
所述第一出水通道外表面固设一用于将所述进水通道、所述第二中间通道、所述第三中间通道和所述第一出水通道抽为真空的第一真空泵，利用所述水库的水压与抽为真空后的所述进水通道内的压差将所述水库中的高程蓄水快速吸入所述进水通道，进而流入所述出水通道实现虹吸式水力发电。虹吸是利用液面高度差的作用力现象，虹吸的实质是因为重力、分子间粘聚力和负压引流作用力而产生。
所述第二出水通道外表面固设一用于将所述第二出水通道抽为真空的第二真空泵，用于加快流入所述第二出水通道的水流流速，提高水能利用率。
所述第二出水通道内设有若干将流入所述第二出水通道的高程蓄水的动能转化成电能的连续发电机组。
所述连续发电机组为具有若干均匀分布于所述出水通道内的水力涡轮机的连续发电机组，所述水力涡轮机经由流入所述第二出水通道的高程蓄水带动产生机械能，进而将所述水力涡轮机产生的机械能转化为电能。
所述第一中间通道具有二分别设于所述第一中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第一阀门，所述第二中间通道具有二分别设于所述第二中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第二阀门，所述第三中间通道具有二分别设于所述第三中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第三阀门，所述进水通道具有二设于所述进水通道进水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第四阀门，所述第一出水通道具有二设于所述第一出水通道出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第五阀门；
所述进水通道、所述第一中间通道、所述第二中间通道、所述第三中间通道和所述第一出水通道分别经由所述第四阀门、所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第五阀门实现各自通道的全封闭式状态。
所述第二出水通道远离所述主坝体一端的下表面固设一位于所述高坝水电站水库水面以下的用于维持所述第二出水通道远离所述主坝体一端使用寿命的缓冲区。
所述缓冲区具有一直接流入流经所述涡轮机的水流的第一缓冲单元、一用于流入经由所述第一缓冲单元缓冲的落水洞口、一与所述第一缓冲单元一体成型且与所述落水洞口贯通的L形第二缓冲单元和一用于流出经由所述第二缓冲单元缓冲的出水口。
所述出水口为位于所述高坝水电站水库外的江河水水面-5米处的出水口，以防止激流冲断河堤。
所述第二出水通道为水平倾斜角度为15度～20度的第二出水通道。
所述连续发电机组为具有均匀分布于所述第二出水通道内的6～10台涡轮机的连续发电机组。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的高坝水电站虹吸式水力发电系统，通过在将各自均为封闭式的进水通道、第二中间通道、第三中间通道和第一出水通道经由第一真空泵抽为真空状态，利用水库中高程蓄水的水压和进水通道内压力之间的压差将达到水位高度的高程蓄水吸入进水通道，进而流入经由第二真空泵抽为真空状态的第二出水通道，从而实现高坝水电站水库中高程蓄水的水能转化电能，从而有效地提高了现有的水力发电系统的水能利用率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明高坝水电站虹吸式水力发电系统的结构示意图；
图2为本发明高坝水电站虹吸式水力发电系统缓冲区结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1，对本发明的高坝水电站虹吸式水力发电系统进行详细的说明。
如图1所示，本实施例的高坝水电站虹吸式水力发电系统，具有固设于高坝水电站水库中的主坝体10，主坝体10一侧固设若干用于流入高坝水电站水库高程蓄水的全封闭式进水通道20，另一侧固设若干用于流出高坝水电站水库高程蓄水实现水力发电的全封闭式出水通道30。主坝体10内设有可同时与高坝水电站水库、出水通道30贯通的全封闭式第一中间通道11。
主坝体10内位于第一中间通道11上方从上而下依次设有可同时与进水通道20、出水通道30贯通的全封闭式第二中间通道12和可同时与进水通道20、出水通道30贯通的全封闭式第三中间通道13。
出水通道30具有可与第二中间通道12的出水端、第三中间通道13的出水端均贯通的且固设于主坝体10侧壁的立式全封闭式第一出水通道31和与第一出水通道31出水端固定连接且可与第一出水通道31、第一中间通道11贯通的斜向设置的全封闭式第二出水通道32。第一出水通道31外表面固设用于将进水通道20、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31抽为真空的第一真空泵40，利用水库的水压与抽为真空后的进水通道20内的压差将水库中的高程蓄水快速吸入进水通道20，进而流入出水通道30进行水力发电，实现虹吸式水力发电。虹吸(syphonage)是利用液面高度差的作用力现象，虹吸的实质是因为重力、分子间粘聚力和负压引流作用力所产生的有限高度为5m～6m高度差的向上逆流，可用来维持数天的发电紧急需求。
第二出水通道32外表面固设用于将第二出水通道32抽为真空的第二真空泵50，用于加快流入第二出水通道32的水流流速，提高水能利用率。第二出水通道32内设有若干将流入第二出水通道32的高程蓄水的动能转化成电能的连续发电机组33。连续发电机组33为具有若干均匀分布于出水通道30内的水力涡轮机331的连续发电机组33，水力涡轮机331经由流入第二出水通道32的高程蓄水带动产生机械能，进而将产生的机械能转化为电能。一优选实施例中，第二出水通道32为水平倾斜角度为25度～35度的第二出水通道32。另一优选实施例中，连续发电机组33为具有均匀分布于第二出水通道内的6～10台涡轮机331的连续发电机组33。
第一中间通道11具有二分别设于第一中间通道11进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第一阀门111，第二中间通道12具有二分别设于第二中间通道12进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第二阀门121，第三中间通道13具有二分别设于第三中间通道13进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第三阀门131，进水通道20具有二设于进水通道20进水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第四阀门21，第一出水通道31具有二设于第一出水通道31出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第五阀门311。进水通道20、第一中间通道11、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31分别经由所述第四阀门21、第一阀门111第二阀门121、第三阀门131和第五阀门311实现各自通道的全封闭式状态。
如图2所示，第二出水通道32远离主坝体20一端的下表面固设位于高坝水电站水库水面以下的用于维持第二出水通道32远离主坝体一端使用寿命的缓冲区60。缓冲区60具有直接流入流经涡轮机331的水流的第一缓冲单元61、一用于流入经由第一缓冲单元61缓冲的落水洞口62、与第一缓冲单元61一体成型且与落水洞口62贯通的L形第二缓冲单元63和用于流出经由第二缓冲单元缓冲63的出水口64。一优选实施中，出水口64位于高坝水电站水库外的江河水水面-5米处的出水口，以防止激流冲断河堤。
本发明高坝水电站虹吸式水力发电系统的工作原理为：
本发明的高坝水电站虹吸式水力发电系统具有A、B、C三种通水发电模式，其中，A通水发电模式和B通水发电模式成为虹吸发电模式，具体如下：
A通水发电模式是指：当水库中水位高于正常水位一定条件时，先开启第一真空泵40将进水通道20、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31抽为真空状态，开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，然后开启第四阀门21、第二阀门121和第五阀门311，同时关闭第一阀门111和第三阀门131的工作模式，利用水库的水压与抽为真空后的进水通道20内的压差将水库中的高程蓄水快速吸入进水通道20，进而流入出水通道30进行水力发电，实现虹吸式水力发电；
B通水发电模式是指：当水库中水位高于正常水位一定条件时，先开启第一真空泵40将进水通道20、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31抽为真空状态，开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，然后开启第四阀门21、第三阀门131和第五阀门311，同时关闭第一阀门111和第二阀门121，利用水库的水压与抽为真空后的进水通道20内的压差将水库中的高程蓄水快速吸入进水通道20，进而流入出水通道30进行水力发电，实现虹吸式水力发电；
C通水发电模式是指：当水库中水位位于正常水位时，先开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，开启第一阀门111，同时关闭第二阀门121、第三阀门131、第四阀门21和第五阀门311的工作模式，将流进第一中间通道11的水流流入第二出水通道32，经由第一中间通道11中水压与第二出水通道32中的压差使得水流快速进入第二出水通道32内，将水能转化为电能。
一优选实施例中，高坝水电站虹吸式水力发电系统是针对高坝水电站坝高＞238m，蓄水高度＞228m，洪峰流量1.5万立方米/秒，年均流量1万立方米/秒，枯水期＞3500立方米/秒。设每条水道工作流量3450立方米/秒，每条水道设30万千瓦/台×8台×2排；按照洪峰期流量设装机可设4条水道连续连续发电机组33；年均1万3500立方米/秒可设2条机组；枯水期设1条水道连续连续发电机组33发电。设洪峰期40天，丰水期150天、枯水期120天计算：1、30万千瓦/孔×8(台)×2排×4条水道×40(天)×24小时＝184.32亿千瓦时(洪峰期)；2、30万千瓦/孔×8(台)×2排×2条水道×150(天)×24小时＝345.6亿千瓦时(丰水期)；3、30万千瓦/孔×8(台)×2排×120(天)×24小时＝138.24亿千瓦时(枯水期)。通常水电站年发电日大多在260天以内，除非电站建造在雨水丰沛的江河段，才可获得280天左右的发电周期。设连续发电机组33的工作压力为6～7Kg/cm2。
基于上述的高坝水电站的高坝水电站虹吸式水力发电系统具有A、B、C三种通水发电模式，具体如下：
当水库中水位降至170米时，启动A通水发电模式，即先开启第一真空泵40将进水通道20、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31抽为真空状态，开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，然后开启第四阀门21、第二阀门121和第五阀门311，同时关闭第一阀门111和第三阀门131的工作模式，利用水库的水压与抽为真空后的进水通道20内的压差将水库中的高程蓄水快速吸入进水通道20，进而流入出水通道30进行水力发电，实现虹吸式水力发电。A通水发电模式可以提升水流高程为6米以内。
当水库中水位降至156米时，启动B通水发电模式，即先开启第一真空泵40将进水通道20、第二中间通道12、第三中间通道13和第一出水通道31抽为真空状态，开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，然后开启第四阀门21、第三阀门131和第五阀门311，同时关闭第一阀门111和第二阀门121，利用水库的水压与抽为真空后的进水通道20内的压差将水库中的高程蓄水快速吸入进水通道20，进而流入出水通道30进行水力发电，实现虹吸式水力发电。B通水发电模式可以提升水流高程为3米以内。
当水库中水位降至139米时，停止虹吸发电模式，启动C通水发电模式，即先开启第二真空泵50将第二出水通道32抽为真空状态，开启第一阀门111，同时关闭第二阀门121、第三阀门131、第四阀门21和第五阀门311的工作模式，将流进第一中间通道11的水流流入第二出水通道32，经由第一中间通道11中水压与第二出水通道32中的压差使得水流快速进入第二出水通道32内，将水能转化为电能。
当水库中水位降至低于168米时，如若水力发电系统仍未启动虹吸发电模式，此时可能已经无法启动A通水发电模式发电，则启动B通水发电模式发电，而B通水发电模式由于水位重力、压力不足及冲击力引力等问题均会受到影响，此时可以通过减少连续发电机组33的运转数量，来满足剩余连续发电机组33发电所需动能、势能以实现达标运转，或连续发电机组50的发电机脱离水力涡轮机331，让其空转。
以上详细描述了本发明的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高坝水电站虹吸式水力发电系统，具有一固设于所述高坝水电站水库中的主坝体，所述主坝体一侧固设一用于流入所述高坝水电站水库高程蓄水的全封闭式进水通道，另一侧固设一用于流出所述高坝水电站水库高程蓄水实现水力发电的全封闭式出水通道，所述主坝体内设有一可同时与所述高坝水电站水库、所述出水通道贯通的全封闭式第一中间通道，其特征在于，
所述主坝体内位于所述第一中间通道上方从上而下依次设有一可同时与所述进水通道、所述出水通道贯通的全封闭式第二中间通道和一可同时与所述进水通道、所述出水通道贯通的全封闭式第三中间通道；
所述出水通道具有一可与所述第二中间通道的出水端、所述第三中间通道的出水端均贯通的且固设于所述主坝体侧壁的立式全封闭式第一出水通道和一与所述第一出水通道出水端固定连接且可与所述第一出水通道、所述第一中间通道贯通的斜向设置的全封闭式第二出水通道；
所述第一出水通道外表面固设一用于将所述进水通道、所述第二中间通道、所述第三中间通道和所述第一出水通道抽为真空的第一真空泵，利用所述水库的水压与抽为真空后的所述进水通道内的压差将所述水库中的高程蓄水快速吸入所述进水通道，进而流入所述出水通道实现虹吸式水力发电。
2.如权利要求1所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述第二出水通道外表面固设一用于将所述第二出水通道抽为真空的第二真空泵，用于加快流入所述第二出水通道的水流流速，提高水能利用率。
3.如权利要求1所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述第二出水通道内设有若干将流入所述第二出水通道的高程蓄水的动能转化成电能的连续发电机组。
4.如权利要求3所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述连续发电机组为具有若干均匀分布于所述出水通道内的水力涡轮机的连续发电机组，所述水力涡轮机经由流入所述第二出水通道的高程蓄水带动产生机械能，进而将所述水力涡轮机产生的机械能转化为电能。
5.如权利要求1所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述第一中间通道具有二分别设于所述第一中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第一阀门，所述第二中间通道具有二分别设于所述第二中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第二阀门，所述第三中间通道具有二分别设于所述第三中间通道进水端和出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第三阀门，所述进水通道具有二设于所述进水通道进水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第四阀门，所述第一出水通道具有二设于所述第一出水通道出水端的用于控制高程蓄水水流启闭的第五阀门；
所述进水通道、所述第一中间通道、所述第二中间通道、所述第三中间通道和所述第一出水通道分别经由所述第四阀门、所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第五阀门实现各自通道的全封闭式状态。
6.如权利要求1所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述第二出水通道远离所述主坝体一端的下表面固设一位于所述高坝水电站水库水面以下的用于维持所述第二出水通道远离所述主坝体一端使用寿命的缓冲区。
7.如权利要求6所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述缓冲区具有一直接流入流经所述涡轮机的水流的第一缓冲单元、一用于流入经由所述第一缓冲单元缓冲的落水洞口、一与所述第一缓冲单元一体成型且与所述落水洞口贯通的L形第二缓冲单元和一用于流出经由所述第二缓冲单元缓冲的出水口。
8.如权利要求7所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述出水口为位于所述高坝水电站水库外的江河水水面-5米处的出水口，以防止激流冲断河堤。
9.如权利要求2所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述第二出水通道为水平倾斜角度为15度～20度的第二出水通道。
10.如权利要求3所述的高坝水电站虹吸式水力发电系统，其特征在于，所述连续发电机组为具有均匀分布于所述第二出水通道内的6～10台涡轮机的连续发电机组。
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CN111979990A (zh) * 2020-07-26 2020-11-24 秦全贵 一种多级水利发电系统
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