CN109295935A - 一种移动应急闸门启闭系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：包括设置有行走轮的基座，基座上设置有储能装置、水轮发电机和消防水管，消防水管设置有第一端口和第二端口，第一端口与水轮发电机的进水口密封连接，第一端口与进水口之间有第一控制阀，第二端口处有第二控制阀，储能装置上设置有输出端、输入端和存储电能的储能模块，水轮发电机的电流输出端与储能装置的输入端连接，储能装置的输出端具能有与闸门驱动电机连接的输出接头。移动应急闸门启闭系统在为了在保证水库闸门有应急启闭系统的同时，也节约成本，一个水库的多个闸门只需要配备一个移动应急闸门启闭系统即可。

Description

一种移动应急闸门启闭系统

技术领域

本发明涉及一种移动应急闸门启闭系统。

背景技术

目前，水库溢洪道闸门启闭机的工作方式都是：由电网400V系统供电，柴油发电机组作为一级备用应急操作电源，手摇机构等作为二级备用应急操作机构；正常情况下，由配变400V母线通过控制系统向主电机供电，启动启闭机操作闸门；当电网系统失电时，柴油发电机组通过自动或手动切换开关向400V母线供电，启动启闭机操作启闭机；当400V母线、控制系统及主电机任一环节出现故障时，闸门无法操作，这时候需要有二级备用应急操作机构。

在遇到台风、强雷、大风、地震等地质灾害发生时，电力系统供电线路很可能被切断，无法提供电源输入，一般电力系统供电线路故障率高；备用操作电源柴油发电机组，不仅维护要求高，噪音大，存在大量的尾气排放，并且在极端恶劣天气下，柴油、汽油等能源无法从外输入补给，而水电站对柴油、汽油的储量有限，储量用尽后则备用操作电源柴油发电机组将无法为闸门控制提供能源。且和电网供电系统共用同一电气控制回路和设备，当该电气控制回路和设备出现故障时，备用操作电源柴油发电机组存在无法控制闸门的问题。

手摇机构对操作人员力量及体力要求高，操作缓慢，劳动强度大，实现操作启闭机需要几人轮番手动操作，耗时长久；而且闸门较大，要实现手摇操作非常吃力，超出一般工人的劳动强度。

由于水库的闸门有些大型的，重量也比较大，因此一个闸门往往就配备有一整套的应急闸门启闭系统，但是应急闸门启闭系统其实真正运行的概率并不大，因此，水库的建造成本较大。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种移动应急闸门启闭系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 一种移动应急闸门启闭系统，包括设置有行走轮的基座，基座上设置有储能装置、水轮发电机和消防水管，消防水管设置有第一端口和第二端口，第一端口与水轮发电机的进水口密封连接，第一端口与进水口之间有第一控制阀，第二端口处有第二控制阀，储能装置上设置有输出端、输入端和存储电能的储能模块，水轮发电机的电流输出端与储能装置的输入端连接，储能装置的输出端具能有与闸门驱动电机连接的输出接头。

进一步的，还在设置有能与行走轮配合的轨道，储能装置、水轮发电机和消防水管就能通过行走轮与轨道的配合，移动至多个闸门处且与闸门驱动电机连接。

进一步的，基座上设置有用于收纳和打开消防水管的滚动轴。

进一步的，第二控制阀是能够塞住第二端口的软塞，软塞上设有拉绳。

进一步的，消防水管还设置有注水口。

进一步的，水轮发电机上设置有转轮，转轮包括转轴和沿着转轴周向均匀分布的转叶，转叶为波浪形，且在靠近水轮机进水口一侧且沿着转叶的长度方向上均布有弧度面。

进一步的，转叶外侧的弧度面的面积大于转叶内侧的弧度面的面积。

进一步的，水轮发电机的进水口还连接有辅助管，第一端口、水轮发电机的进水口、以及辅助管的的第一辅助接口通过一个三通接口连接，辅助管上还设置有第二辅助接口，辅助管中安装水泵。

进一步的，三通接口上设置有三个互通的通道，分别是第一通道、第二通道和第三通道，第一通道和水轮发电机的进水口的连接，第二通道与水管的第一端口连接，第三通道和辅助管的第一辅助接口连接，第一辅助接口处设置有第三控制阀。

进一步的，储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元能给水泵提供电能，第二储能单元能给水轮发电机提供电能。

综上所述，移动应急闸门启闭系统在为了在保证水库闸门有应急启闭系统的同时，也节约成本，一个水库的多个闸门只需要配备一个移动应急闸门启闭系统即可。

附图说明

图1为本发明的水管处于收纳状态结构示意图。

图2为本发明的启动时结构示意图。

图3为本发明的转轮结构示意图。

图4为本发明的第二端口结构示意图。

图5为本发明的第二端口截面结构示意图。

图6为本发明的消防水管实施例1结构示意图。

图7为本发明的消防水管实施例2结构示意图。

图8为本发明的基座结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1-8所示，移动应急闸门启闭系统，包括设置有行走轮9的基座8，基座8上设置有储能装置、水轮发电机3和消防水管2，消防水管2设置有第一端口和第二端口5，第一端口与水轮发电机3的进水口密封连接，消防水管2的第一端口与进水口之间有第一控制阀，第二端口5具有第二控制阀，储能装置上设置有输出端、输入端和存储电能的储能模块，水轮发电机3的电流输出端与储能装置的输入端连接，储能装置的输出端具能有与闸门驱动电机连接的输出接头。闸门驱动电机可以是闸门1上原本配备、由电网供电的驱动电机，也可以是应急使用的驱动电机，只要是能够给闸门升降装置提供电源的电机即可，而水轮发电机3使用现有的普通型号的水轮发电机3即可。为了节约水库的建造成本，本应急闸门启闭系统是可以移动的，主要是用过基座8上的行走轮9实现应急闸门启闭系统的移动。一个水库只需要配备一个移动应急闸门启闭系统即可实现，水库内的所有闸门均能实现开启或者关闭。

因为本发明的应急闸门启闭系统是用于在极端恶劣天气情况下升降水库闸门1的应急系统，水库一般为拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物,而且水库作为河流的隔断建筑，在水库附近的水流的流速相对较低，是无法满足普通的水力发电机对水流的流速要求，普通的水力发电机相对于水流的流速要求较高，通常都设置在河流湍急的地方，而水库附件的河流的流速显然是无法满足普通的水力发电机需求，因此，本发明利用闸门1内外的水位差，将水库中的水通过消防水管2引入水轮发电机3，将水的重力势能转换为水轮发电机3叶片的机械能，由水轮发电机3将机械能转换为电能，从而为对储能装置进行充电，为升降闸门1的驱动电机提供电源。通常一座水库设置有多个闸门1通过闸门升降装置去实现闸门1的开启或闭合，而由于水库的闸门1大多数都是大型的，重量也比较大，因此，一个闸门1往往就配备有一整套的应急闸门启闭系统，而本发明主要是为了实现一个应急闸门启闭系统能实现给多个闸门供电。而水库附近天然的发电能源就是水，利用水轮发电机3给储能装置充电是最合适水库应急电源的方案，而且水库的内外，也就是闸门1的两侧存在水位差，因此利用虹吸现象和水轮发电机3作为水库的应急电源最为适合。

为了便于基座8的移动，还在设置有能与行走轮9配合的轨道，储能装置、水轮发电机3和消防水管2就能通过行走轮9与轨道的配合，移动至各个闸门处与闸门驱动电机连接，也就是提供闸门驱动电机电源从而使得闸门升降装置工作开启闸门。具体的说，在初始状态时，基座8位于轨道的端部，先将轨道端部附近的闸门开启，当闸门通过闸门升降装置开启后，将基座8撤离，此时，闸门升降装置能保持保持闸门始终处于开启的状态，接着将基座8移动至下一个闸门处，以此类推，直到水库的所有闸门均开启。另外，对所有闸门的关闭，原理与闸门开启相同，故不再复述。

应急闸门启闭系统主要是用于在极端条件下启动的应急系统，水库的闸门1主要是通过闸门驱动电机提供电能驱动闸门升降装置去实现闸门1的启闭，保证闸门驱动电机的电能是建立水库时着重要考虑的问题，因此，本发明设计了储能装置用于保证闸门驱动电机的供电问题，储能装置能够给闸门驱动电机供电。在正常情况下，储能装置都是通过与市电连接存储电能的，但是在极端情况下，例如市电断电、恶劣天气（台风、强雷、大风）、地震、山体滑坡等情况下，储能装置还配备有应急电源，应急电源可实现对储能装置充电，从而保证闸门驱动电机有充足的电源开启或关闭。水轮发电机3和消防水管2的配合就是作为应急电源使用，在极端情况下给以保证储能装置有足够的电力。

消防水管2内充满水，消防水管2从闸门1一侧的水库高水位连通至闸门1另一侧的低水位，水轮发电机3安装在低水位的一侧且固定于地面，从而将水库内的引入水轮发电机3内。

消防水管2上至少设置有两个端口第一端口和第二端口5，在低水位的一侧消防水管2的第一端口与水轮发电机3的水轮机进水口密封连接且第一端口与进水口之间有第一控制阀，第一控制阀是用于隔断水流的阀门，在高水位的一侧，第二端口5通过第二控制阀闭合。

在极端情况下，先将第一控制阀关闭，从第二端口5注水后待消防水管2内部充满水后将第二控制阀闭合，接着将闭合后消防水管2的第二端口5放置于高水位一侧的水流之中，此时消防水管2的两端一端位于高水位端，另一端位于低水位端，即第二端口5位于高水位的水流中，第一端口位于低水位一侧且与水轮发电机3连接，也就是第一端口和第二端口5存在高度差，且此时消防水管2内部是又处于水封密闭的状态，满足了虹吸现象的所有条件，此时，只需要将消防水管2的第一控制阀和第二控制阀打开，那个在消防水管2内部会水流的流动现象，即水流从高水位流动至低水位直到流入水轮发电机3的进水口从而带动水轮发电机3的转轮4转动，转轮4就能受到一个水流流动产生的冲击力从而转动，转轮4的转动可带动水轮发电机3持续发电，此时，水轮发电机3就在给予储能装置充电，将市电或水轮发电机3均能提供的电能，当充电完成后，就通过输出端将闸门驱动电机启动，从而实现闸门1的启闭。

进一步的，由于消防水管2是作为应急方案使用的，也就是在极端条件下的供电方案，因此，消防水管2是长期处于备用状态。消防水管2是长期被收纳在基座8上的，基座8上设置有用于收纳和打开消防水管的滚动轴10，当消防水管处于被收纳的状态是，消防水管是沿着和滚动轴10盘绕的，当需要使用时，只需要拉住将消防水管一个端头，就能实现将消防水管从基座8上拉出。

消防水管2为软管，在不使用的时候，软管是被收纳放置的，为了保证消防水管2的使用寿命，消防水管2可被密封存储在基座8上，需要使用时，再从基座8上拉出即可。消防水管2位于低水位一侧设置有第一端口，而位于高水位一侧的第二端口5。当需要启动应急装置的时候，只需要将第二端口5放进高水位一侧的水流中，这样能保证该消防水管2的使用寿命，而且便于检测及维修。

为了明确第二端口5的第二控制阀如何开启和关闭第二端口5，对第二端口5的第二控制阀的结构做进一步限定：第一种方案：第二控制阀是能够塞住第二端口5的软塞6，软塞6上设有拉绳7。

将第一控制阀关闭，第二控制阀打开，通过第二端口5向消防水管2内注水直达将消防水管2内注满水后将软塞6闭合，再将软管放入高水位一侧的水流中，因为是软管，可以将消防水管2与地面倾斜放置水中，同时将拉绳7拉住，此时拉绳7有一部分水中，一部分在水面之外。在开启消防水管2时，需要将软塞6开启，而此时软塞6是已经位于水流之中，为了便于开启软塞6，软塞6上设置有拉绳7，且软塞6是倾斜放置在水中的，此时消防水管2内的水压和水位外部的水压差距很小，因此，只需要将拉绳7轻轻一拉，就能打开软塞6，就完成了第二控制阀的开启，水流从水库引入水轮发电机3而发电。

第二种方案是第二控制阀为一种电子控制阀门，电子控制阀门能通过远程控制器控制开或关。

这两种方式均能实现第二控制阀的开关，通过软塞6的方式成本比较低，适合小型的水库，通过电子控制阀门虽然造价比较高，但是可控范围比较大，当第二控制阀在水中的深度较大，仍然可以实现开关，适合大型水库，可根据不同大小的水库自由选择。

进一步的，消防水管2是如何完成密封注水也有多种方式。

第一种方案：第二端口5充满水后再放入高水位的水流之中。

第二种方式，消防水管2还设置有注水口，当第二控制阀和第一控制阀均处于闭合状态时，通过注水口往消防水管2中注满水，再关闭注水口，消防水管2是处于密封状态且消防水管2内部充满了水，第二控制阀和第一控制阀是存在高度差的，第一控制阀位于低处，第二控制阀处于高处，将第二控制阀和第一控制阀都打开，就能实现水的引流，从而实现水流从水轮发电机3的进水口流到水轮机的出水口，从而带动转轮4转动，从而带动水轮发电机3发出电能。

进一步的，因为应急闸门启闭系统都是在应急情况下使用，如何实现快速的给储能装置充电也是要解决的问题之一。为了达到快速充电的目的，主要是要解决水轮发电机3的转轮4的转速，转速越快，水轮发电机3能提供的电能也就越大。加大转轮4的转速主要有两种实现方式，第一种是在水流速度相同的情况下改变转轮4的形状方向，第二种是增加水流的流速。

具体的说，第一种方式，改变转轮4本身的结构，转轮4包括转轴和沿着转轴周向均匀分布的转叶，转叶为波浪形，且在靠近水轮机进水口一侧且沿着转叶的长度方向上均布有弧度面。

为了使得水轮发电机3的转轮4转速更快，从而使得在应急情况下，储能原件可以更快速的充满电，因此，需要保证转叶受力均匀，弧度面是均匀布置在转叶上的，这些弧度面使得转叶收到水流的冲击力时，转叶与水流的接触面积更大，从而使得转叶的受力更大，从而加快转叶的转速。进一步的，由于为了使得转叶的外侧可以收到较大的水流冲击力，从而加快转速，转叶外侧的弧度面的面积大于转叶内侧的弧度面的面积。

第二种方式是改变水流的流速，消防水管2为三通管道，在第一端口和水轮发电机3的进水口的连接处做一个三通接口，三通接口与水轮发电机3的进水口、消防水管2的第一端口以及辅助管的第一辅助接口连接，辅助管上还设置有第二辅助接口。三通接口上设置有三个互通的通道，分别是第一通道、第二通道和第三通道，第一通道和水轮发电机3的进水口的连接，第二通道与消防水管2的第一端口连接，第三通道和辅助管的第一辅助接口连接，第一辅助接口处设置有第三控制阀。在初始状态时，将第三控制阀关闭，此时与消防水管2和水轮发电机3的进水口的连通，进水过程和上述过程一致，故不再复数，当水轮发电机3已经在转动时，也就是消防水管2中的水已经利用水库上的高低水位差在流动时，将第三控制阀打开，由于辅助管的一端与三通接口连接，另一端设置在高水位处水流之中，在第三控制阀打开的情况下，辅助管的也能从高水位处流入水流，也就是此时消防水管2和辅助管中都会有水流自上而下流入水轮发电机3的进水口中，这样子进水口的水压就变大了，也就增加了在水轮发电机3中的水流速度从而使得储能装置能更加快速的获取电能。为了进一步加大水流的流速问题，可以辅助管中安装水泵，通过水泵可以进一步增加辅助管的水压，从而使得进水口的水压变大，从而增加流速。

此外，水泵也会设计供电问题，因此储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元能给水泵提供电能，第二储能单元能给水轮发电机3提供电能。当第三控制阀关闭时，水轮发电机3首先通过输入端给第一储能单元充电，当第一储能单元的电量足以启动水泵时，第一储能单元通过输出端将电流输出至水泵上，再打开第三控制阀，这样子辅助管中的水流能增加水轮发电机3的转轮4的转速从而加快水轮发电机3的发电速度，直到第二储能单元也存储到足够的电能，再从第二储能单元将电流输出至闸门驱动电机。

另外，为了确保储能装置的电容，储能装置可选择铅酸蓄电池或超级电容。铅酸电池可以适应普通低成本的用户需求，超级电容是一种即将迎来突破性发展的储能装置，两者的性能对照如表1所示。

表1 铅酸蓄电池和超级电容储能装置对照表

性能	铅酸电池	超级电容
			充电时间（秒）	（3.6-18）×103	0.3-30
放电时间（秒）	（1.08-108）×103	0.3-30
			比能量（瓦时/公斤）	10-50	1-10
比功率（瓦时/公斤）	<103	<104
			循环寿命（次）	1×103	>105
充放电效率	0.7-0.85	0.85-0.98

蓄电池的充电时间通常比较长，为保证蓄电池的电量够用，必须做好日常维护，每月必须充放电一次。而超级电容具有充电时间短的优势，即使发生停电故障，也可以通过微型水轮机和风力机发电快速完成充电，提升应急装置的可靠性。本专利采用购买现成的蓄电池储能系统与设计的超级电容储能系统进行比较分析。

超级电容的储能可以表示为： W=CU²/2。与电容容量和电容电压的平方成正比，考虑DC/DC电路设计的输入电压范围，确定超级电容的工作电压上下限（超出这个范围会导致无法稳住输出电压），超级电容的充放电的功率根据实测结果得出，这样可以尽量减小电容的容量，降低成本。

闸门升降装置包括与闸门1固定连接的绳索、驱动绳索上下运动的驱动轮、控制驱动轮转动的减速器，储能装置能够给闸门驱动电机供电，而闸门驱动电机能驱动闸门升降装置开启或者关闭闸门1。当市电正常供电时，市电能提供闸门驱动电机足够的电力，从而使得闸门驱动电机转动，闸门驱动电机通过减速器转动至驱动轮，由于闸门1的重量比较大，因此需要减速增加扭矩，减速器就起到了这个目的，从而为使得驱动轮带动闸门1上下运动。在极端条件下，市电断开，储能装置通过水轮发电机3储能再启动闸门升降装置。

综上所述，本发明主要是应急闸门启闭系统的机械设计及其储能技术开展，目的是为了获得高可靠性的应急闸门启闭系统。采用虹吸现象可以最大限度降低安装费用，降低土建成本，消防水管2与水轮发电机3设计成一体式，直接架在闸门1上，给消防水管2充满水就可以利用水库两端水势差发电了。基于虹吸原理的水轮发电机3和消防水管2设置在水库上，设计目标是针对相应的闸门1机构，在完全断电情况下超级电容中由完全放电充至饱和，能在较短的时间内完成。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：包括设置有行走轮的基座，基座上设置有储能装置、水轮发电机和消防水管，消防水管设置有第一端口和第二端口，第一端口与水轮发电机的进水口密封连接，第一端口与进水口之间有第一控制阀，第二端口处有第二控制阀，储能装置上设置有输出端、输入端和存储电能的储能模块，水轮发电机的电流输出端与储能装置的输入端连接，储能装置的输出端具能有与闸门驱动电机连接的输出接头。

2.一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：还在设置有能与行走轮配合的轨道，储能装置、水轮发电机和消防水管就能通过行走轮与轨道的配合，移动至多个闸门处且与闸门驱动电机连接。

3.一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述基座上设置有用于收纳和打开消防水管的滚动轴。

4.根据权利要求1所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述第二控制阀是能够塞住第二端口的软塞，软塞上设有拉绳。

5.根据权利要求1所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述消防水管还设置有注水口。

6.根据权利要求1所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述水轮发电机上设置有转轮，转轮包括转轴和沿着转轴周向均匀分布的转叶，转叶为波浪形，且在靠近水轮机进水口一侧且沿着转叶的长度方向上均布有弧度面。

7.根据权利要求5所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述转叶外侧的弧度面的面积大于转叶内侧的弧度面的面积。

8.根据权利要求1所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述水轮发电机的进水口还连接有辅助管，第一端口、水轮发电机的进水口、以及辅助管的的第一辅助接口通过一个三通接口连接，辅助管上还设置有第二辅助接口，辅助管中安装水泵。

9.根据权利要求7所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：所述三通接口上设置有三个互通的通道，分别是第一通道、第二通道和第三通道，第一通道和水轮发电机的进水口的连接，第二通道与水管的第一端口连接，第三通道和辅助管的第一辅助接口连接，第一辅助接口处设置有第三控制阀。

10.根据权利要求8所述的一种移动应急闸门启闭系统，其特征在于：储能模块包括第一储能单元和第二储能单元，第一储能单元能给水泵提供电能，第二储能单元能给水轮发电机提供电能。