CN110106938B

CN110106938B - 一种空中输水系统

Info

Publication number: CN110106938B
Application number: CN201910127462.2A
Authority: CN
Inventors: 任长江
Original assignee: Nanchang Institute of Technology
Current assignee: Nanchang Institute of Technology
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: CN110106938A

Abstract

本发明提供了一种空中输水系统，属于水资源工程技术领域，所述系统包括多个输水节点，所述系统包括：蓄水池，用于从水源地或上一个输水节点接收运输的水资源，并向所述水库提供待传输至下一个输水节点的水资源；水库，用于从蓄水池中获取待传输的水资源；发电子系统，用于采集地热能，并将所述地热能转化为电能输送给所述输水子系统；输水子系统，用于利用所述电能将所述水库中待传输的水资源通过高扬程水泵传输至下一个中继站的蓄水池，本发明通过采用空中输水的方式，节省了传统调水方案中如：大量的开凿隧洞、架设渡槽、铺设管道、占用耕地以及工程维护等的工作量，针对我国水资源紧缺、空间分布不合理的现状提供了低成本、高效率的解决方案。

Description

一种空中输水系统

技术领域

本发明属于水资源工程领域，特别是涉及一种空中输水系统。

背景技术

水是人类发展不可缺少的自然资源，是人类和一切生物赖以生存的物质基础。我国有着丰富的水资源，总储存量可达28124亿m³，其中河川径流量为27115亿m³，居世界第六位。

现有的调水方案中，有的难以形成有效降雨、有的水源为咸水需要二次处理、有的提水到高海拔地区能耗大、有的因水源区自身水资源也紧张难以有效解决问题、有的因输水线路穿越地质自然灾害高发的龙门断裂带，工程维护难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种空中输水系统，以便解决现有技术中调水方案工程量大、维护困难及无法有效解决水资源短缺的现状问题。

依据本发明的第一方面，提供了一种空中输水系统，所述系统包括多个输水节点，所述输水节点包括：

蓄水池，用于从水源地或上一个输水节点接收传输过来的水资源，并向水库提供待传输至下一个输水节点的水资源。

水库，用于从蓄水池中获取待传输的水资源。

发电子系统，用于采集地热能，并将所述地热能转化为电能输送给输水子系统。

输水子系统，用于利用所述电能将所述水库中待传输的水资源通过高扬程水泵传输至下一个中继站的蓄水池。

可选地，所述多个输水节点具体数量根据水源地与受水区间的输水路线的总长度以及输水节点间的预设距离计算。

可选地，所述发电子系统包括：

回灌井，用于收集水汽分离塔及蒸汽涡轮机中生成的液态水，并将所述液态水送入蒸汽发生器中。

蒸汽发生器，用于利用采集到的地热能将所述液态水加热为蒸汽。

产气井，用于将所述蒸汽从蒸汽发生器运输至水汽分离塔。

水汽分离塔，用于将所述蒸汽中的液态水与热蒸汽分离，将所述液态水送入所述回灌井中，将所述热蒸汽送入蒸汽罐中。

蒸汽罐，用于收集储存热蒸汽，并将所述热蒸汽送入蒸汽涡轮机中。

蒸汽涡轮机，用于通过所述热蒸汽带动蒸汽涡轮机叶片转动，将所述地热能转化为机械能；所述热蒸汽在推动蒸汽涡轮机叶片转动后，冷凝为液态水流回灌井中。

发电机，用于通过转动的蒸汽涡轮机叶片带动发电机转子转动，将所述机械能转化为电能，向所述高扬程水泵供电。

可选地，所述蒸汽发生器包括：

地热采集装置，用于通过地热采集棒吸收地热能，再通过热传导管将所述地热能传输至蒸汽发生装置。

蒸汽发生装置，用于利用所述热传导管传输的所述地热能，将所述回灌井输送至储水室中的液态水加热为热蒸汽。

可选地，所述蒸汽发生装置，还包括：

水位传感器，用于监测蒸汽发生装置中储水室中的水位，在水位低于预设水位时向补给井反馈水位告警信息。

可选地，所述输水子系统包括：

连续输水装置，用于利用所述发电模块提供的电能，根据预设的流速以及出水倾角以连续输水的方式向下一个输水节点的蓄水池传输水资源。

所述连续输水装置包括：

地热采集装置，用于通过地热采集棒采集地热能，再通过热传导管将所述地热能传输至热交换器。

热交换器，用于对所述水库中待传输的水资源预加热，将所述预加热后的待传输的水资源输送至热水库。

热水库，用于储存待传输的热水资源。

高扬程水泵，用于利用发电子系统提供的电能以单口水泵流速V_θ的速度将所述水库中的待传输的热水资源斜向上θ倾角抛至高度为h的空中。

可选地，所述V_θ根据单口水泵出水倾角θ与单口水泵水平流速V_h计算得出；所述单口水泵水平流速V_h根据单口水泵流量Q_h与单口水泵出口横截面积S计算得出；所述单口水泵流量Q_h根据年调水量Q与水泵台数n计算得出；

所述水柱垂直移动距离h根据水柱水平移动时间t、单口水泵出水倾角θ和单口水泵流速V_θ计算得出；所述水柱水平移动时间t根据输水节点距离L与单口水泵水平流速V_h计算得出。

可选地，所述输水子系统包括：

脉冲式输水子装置，用于利用所述发电模块提供的电能，根据预设的流速、脉冲工作时间与脉冲间隔时间以脉冲输水的方式向下一个输水节点的蓄水池传输水资源。

所述脉冲式输水装置包括：

脉冲式输水子模块，用于高扬程水泵利用发电模块提供的电能以单口水泵流速V_θ的速度持续脉冲工作时间t₀将所述水库中的水资源斜向上θ倾角抛向空中，相隔脉冲间隔时间t₁后，再次以单口水泵流速V_θ的速度以脉冲工作时间t₀将所述水库中的水资源斜向上θ倾角抛向空中。

可选地，所述V_θ根据单口水泵出水倾角θ与单口水泵水平流速V_h计算得出；所述单口水泵水平流速V_h根据单口水泵流量Q_h与单口水泵出口横截面积S计算得出；所述单口水泵流量Q_h根据年调水量Q与水泵台数n计算得出。

所述脉冲工作时间t₀根据水柱预设长度L₀与单口水泵流速V_θ计算得出。

所述脉冲间隔时间t₁根据水柱间预设距离L₁与单口水泵流速V_θ计算得出。

可选地，所述地热采集装置由地热采集棒、隔热填充材料、支撑骨架和热传导管组成。

所述地热采集棒为纳米石墨烯-介孔碳混合材料制成的石墨烯导热棒。

可选地，所述发电子系统的蒸汽发生装置中，除所述回灌井提供液态水作为热蒸汽来源外，还另有补给井根据所述水位传感器的所述水位告警信息补充用于产生热蒸汽的液态水。

针对现有技术，本发明具备如下优点：

本发明的技术方案在水源地与受水区之间，按照路线长度合理设置输水节点的数量与位置，通过利用地热发电供给高扬程水泵空中输水的方式将水资源从水资源丰富的水源区调至水资源匮乏的受水区，本发明的技术方案无需隧洞、渡槽等工程、可以合理避开地质灾害频发的地区、利用可再生能源供能、土地占用小、且可以合理选择水源地避免出现水源地水资源也不充足或水源为咸水需要进行二次处理的情况。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种输水路线示意图；

图2是本发明实施例提供的一种空中输水系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种连续式空中输水系统输水节点结构示意图；

图4是本发明实施例中地层深度与地壳温度关系示意图；

图5是本发明实施例中地热采集装置结构示意图；

图6是本发明实施例中蒸汽发生器结构示意图；

图7是本发明实施例中脉冲式空中输水系统输水节点结构示意图；

图8是本发明实施例中连续式空中输水系统高扬程水泵工作电压示意图；

图9是本发明实施例中海拔高度与大气温度关系示意图；

图10是本发明实施例中高扬程水泵直径、流速与扬程的关系示意图；

图11是本发明实施例中脉冲式空中输水系统高扬程水泵工作电压示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种输水路线示意图，如图1所示，其中水源地为雅鲁藏布江，受水区为新疆，在水源地与受水区间本发明实施例提供了三种路线规划，路线一：从雅鲁藏布江大拐弯排龙乡扎曲村取水(海拔2600m，95°.05"E,29°.45"N)，一路往东偏北方向输水至青海湖，然后折向西北至哈拉湖(海拔4078m,97°.58"E,38°.30"N)，输水距离大约1185km，水出哈拉湖沿河西走廊自流进入新疆；路线二：从雅鲁藏布江大拐弯取水，往西北方向输水至新疆阿牙克库木湖(海拔3870m,89°.45"E,37°.55"N)，输水距离约1000km，水出牙克库木湖，沿塔里木盆地东沿自流进入新疆；路线三：从雅鲁藏布江大拐弯取水，往西向输水至新疆和田县阿克萨依湖(海拔1400m,79°.86"E,35.22"N)，输水距离大约1544km，水经阿克萨依湖出昆仑山南缘沿着叶尔羌河、克里雅河故道往西南延伸进入新疆，沿着车尔臣河往东北方向自流进入新疆。这三条路线是申请人根据水源地与受水区间路线长度、沿途地貌等合理设计的，本领域技术人员可根据受水区的需求合理的选择水源地以及水资源输送路线。

实施例一：

一种连续式空中输水系统

参照图2，示出了本发明实施例提供的一种空中输水系统结构示意图，如图2所示，所述系统包括多个输水节点200，所述输水节点包括：蓄水池201、水库202、发电子系统203和输水子系统204。所述水库202在蓄水池201之下与输水子系统204相连。如图2所示，按照箭头方向水资源从水资源丰富的水源地空中传输至水资源匮乏的受水区。

本发明实施例中，在水源地与受水区间的输水路线上，设立多个输水节点，从而将待传输的水资源从水源地一路空中传输至受水区。具体输水节点的预设距离，与输水线路沿途地貌、地热能储量、地热发电效率、高扬程水泵功率等因素有关，本领域技术人员可根据上述因素的影响合理设置输水路线与输水节点间的距离，从而控制输水节点的数量。

参照图3，示出了本发明实施例提供的一种连续式空中输水系统输水节点结构示意图，如图3所示，所述输水节点可以包括：

蓄水池301，用于从水源地或上一个输水节点接收运输的水资源，并向所述水库提供待传输至下一个输水节点的水资源。

具体应用中，在根据受水区选择好水源地后，首先规划好输水路线，以图1所示的输水路线一为例，输水线路总长1185公里，此时根据诸多因素考虑，预设输水节点间距离为100km，那么从水源地至哈拉湖每100km建立一个蓄水池，如果沿途有自然湖泊，那么可以利用自然湖泊蓄水，以减少地面工程量。

本发明实施例中，蓄水池用于接收上一个输水节点空中运输而来的传输中的水资源，为了减少水资源的损耗，蓄水池应该在不至于浪费额外材料的情况下足够大且足够深，以保证能够尽可能完整的接收上一个输水节点传输来的水柱，所采用的材料也要足够坚固，以保证蓄水池能够抵御水柱落下的冲击力造成的破坏，从而达到精准传输的效果。另一方面，如图3所示，蓄水池还负责向埋在地下的水库输送待传输的水资源。在不影响传输效率的情况下，对于蓄水池的面积大小、深度以及材料等可由本领域技术人员根据需求自行选择，本发明对此不做限制。

水库302，用于从蓄水池中获取待传输的水资源。

本发明实施例中，水库通过管道从地下与蓄水池相通，从而接收待传输的水资源，另一端与高扬程水泵相连接，用于向高扬程水泵提供待传输的水资源。

在具体使用中，由于高扬程水泵在工作时会产生极大的冲击力，因此如泥沙等杂质会在高扬程水泵叶片高速旋转的情况下对水泵造成极大的磨损，为了避免这种情况的发生，延长水泵的使用寿命，可选地，还可以通过在水库中设置初级滤网或其他方式对蓄水池中的水资源进行简单的过滤处理，去除泥沙等杂质，避免高扬程水泵的损耗。通过水库向高扬程水泵提供待传输的水资源，一方面控制了待传输的水资源的量，另一方面，给了待传输的水资源初步过滤处理或沉淀的时间，减少了高扬程水泵的磨损。

在实际使用中，水库还可以通过下方连接至回灌井的管道向蒸汽发生器中补充水分，以保证水蒸气稳定产生，从而保证电能持续稳定的供应。

发电子系统303，用于采集地热能，并将所述地热能转化为电能输送给所述输水子系统。

本发明实施例中，利用地壳中丰富的地热资源进行发电从而支持高扬程水泵的运转，地热能是一种含量丰富的可再生能源，通过合理的利用地热能，各输水节点间可以形成自给自足的工作模式，大大降低调水方案中资源的浪费，更具有经济、环保价值。

可选地，所述发电子系统303包括：

回灌井3031，用于收集水汽分离塔及蒸汽涡轮机中生成的液态水，并将所述液态水送入蒸汽发生器中。

本发明实施例中，回灌井通过收集水汽分离塔中分离出的液态水，以及热蒸汽在作用于蒸汽涡轮机后重新凝结成的液态水，再输送至蒸汽发生器中使液态水再次转化为热蒸汽，形成水汽循环模式，从而达到对地热能及水资源最大化的利用。

蒸汽发生器3032，用于利用采集到的地热能将所述液态水加热为蒸汽。

本发明实施例中，通过蒸汽发生器在利用地壳中浅层或深层地热能的情况下，将获得的液态水转化为热蒸汽。参照图4，示出了本发明实施例中地层深度与地壳温度关系示意图，如图4所示，随着深入地层的深度越大地壳温度越高，出于稳定获得地热能的考虑，本领域技术人员可以根据发电需求与现有技术水平设置蒸汽发生器深入地壳的深度，以在成本合适的情况下获得最好的发电效果。

可选地，参照图6示出了本发明实施例中蒸汽发生器结构示意图，所述蒸汽发生器3032包括：

地热采集装置30321，用于通过地热采集棒吸收地热能，再通过热传导管将所述地热能传输至蒸汽发生装置。

本发明实施例中，通过地热采集棒获取地壳中的地热能，地热采集棒应为耐高温且导热性能好的材料制成，能够在地壳的高温中稳定存在，并将热量收集由导热管传输至蒸汽发生装置。

可选地，所述地热采集装置由地热采集棒303211、隔热填充材料303212、支撑骨架303213和热传导管303214组成。

具体应用中，参照图5，示出了本发明实施例中地热采集装置结构示意图，如图5所示，地热采集装置由地热采集棒303211、隔热填充材料303212、支撑骨架303213和热传导管303214组成，其中地热采集棒为导热系数高(导热系数不低于5000W/(m·K))、比表面积大(比表面积不低于3000m²/g)的纳米石墨烯-介孔碳混合材料制成的石墨烯导热棒，固定在耐高温、高压不易变形的材料(可耐不低于3500℃的高温)铸成的支撑骨架上，防止地热采集装置因地下高温、高压融化或变形，热传导管则由导热系数高(导热系数不小于5000W/(m·K))、杨氏模量大(杨氏模量不小于1TPa)，拉伸强度好(拉伸强度不小于130Gpa)的纳米石墨烯复合材料制成，从而提高地热能采集的效率，同时在间隙加入隔热填充材料，以保证采集到的地热能能够更高效率的由热传导管导出，而不会由于散热造成额外能量损失。

蒸汽发生装置30322，用于利用所述热传导管传输的所述地热能，将所述回灌井输送至储水室中的液态水加热为热蒸汽。

本发明实施例中，如图6所示，将上述地热采集装置的采集的地热能通过热传导管传递至蒸汽发生装置的储能室303221中的纳米银胶储能填充材料303222，储能材料与固定在散热棒支撑架303223上的释放热能的多个散热伸缩棒303224连接，散热伸缩棒303224则伸入储水室303225中水平面以下，通过散热伸缩棒303224将储能室中纳米银胶储能填充材料303222储存的地热能传递至储水室303225中的水中，从而利用地热能将其转化为热蒸汽，产生的热蒸汽通过蒸汽管导入产气井3033中。如图6所示热蒸汽从散热伸缩棒303224附近产生，上溢的热蒸汽从蒸汽发生装置一侧的蒸汽管导出，进入产气井3033。在蒸汽发生装置外部还设有保护层与保护罩用于避免地层高温高压的破坏，同时避免地热能的流失。

本发明实施例中，根据发电需求，可在散热棒支撑架303223上设置自反馈系统，通过自反馈系统控制伸缩棒插入液态水中的深度来控制蒸汽产生速率，插入越深，接触面积越大，蒸汽产生的效率越高，反之则越低，最终达到控制发电能量的目的。

可选地，所述蒸汽发生装置30322，还包括：

水位传感器303226，用于监测蒸汽发生装置中储水室中的水位，在水位低于预设水位时向补给井反馈水位告警信息。

本发明实施例中，在蒸汽发生装置30322的储水室303225中，还可以设置水位传感器303226，并设置预设的水位，当检测储水室303225中的水位因为转化为热蒸汽而下降至预设水位以下时，水位传感器将采集到的水位告警信息传输至补给井的控制中心，补给井控制中心根据水位告警信息通过自反馈系统适时向储水室补水适量的液态水，以保证储水室水位稳定，水汽转化效率平稳。补给井控制中心用于接收水位传感器的信息，并控制补给井在何时补充多少液态水。

可选地，所述发电子系统303的蒸汽发生器3032中，除所述回灌井3031提供液态水作为热蒸汽来源外，还可以另设补给井30323提供用于产生热蒸汽的液态水。

本发明实施例中，由于储水室中的液态水不断被汽化消耗，为了保障发电稳定，需给储水室不断供水，因此，当通过水汽循环从回灌井中获取的液态水无法满足储水室中最低水位要求的情况时，还可以在水位传感器与补给井控制中心的控制下通过如图6所示的补给井通过补给水管向储水室供水，以保证稳定发电，从而保证水资源的稳定传输。

产气井3033，用于将所述蒸汽从蒸汽发生器运输至水汽分离塔。

水汽分离塔3034，用于将所述蒸汽中的液态水与热蒸汽分离，将所述液态水送入所述回灌井中，将所述热蒸汽送入蒸汽罐中。

本发明实施例中，当热蒸汽来到水汽分离塔后，热蒸气上升进入蒸汽罐中，液态水下降流入回灌井中，等待重新蒸发，这样一来既保证了水汽循环利用，又避免了热蒸汽过多冷凝，影响后续发电效率。

蒸汽罐3035，用于收集储存热蒸汽，并将所述热蒸汽送入蒸汽涡轮机中。

蒸汽涡轮机3036，用于通过所述热蒸汽带动蒸汽涡轮机叶片转动，将所述地热能转化为机械能；所述热蒸汽在推动蒸汽涡轮机叶片转动后，冷凝为液态水流回灌井中。

发电机3037，用于通过转动的蒸汽涡轮机叶片带动发电机转子转动，将所述机械能转化为电能，向所述高扬程水泵供电。

本发明实施例中，由热蒸汽带动蒸汽涡轮机叶片转动后，转动的叶片带动发电机转子转动，转动的转子在磁铁线圈内部切割磁感线，利用电磁感应的原理将机械能转化为电能，从可再生资源地热能开始，经过一系列转换获得了高扬程水泵工作所必需的电能，达到了节省能源、降低成本的效果。

所述输水子系统304，用于利用所述电能将所述水库中待传输的水资源通过高扬程水泵传输至下一个中继站的蓄水池。

可选地，参照图3示出了本发明实施例中连续式空中输水系统输水节点结构示意图，如图3所示，所述输水子系统包括：

连续输水装置3041，用于利用所述发电模块提供的电能，根据预设的流速以及出水倾角以连续输水的方式向下一个输水节点的蓄水池传输水资源。

本发明实施例中，采用连续输水的模式。如图8所示为高扬程水泵连续输水的电压示意图，当使用连续输水模式时，只需要设置一个工作电压即可持续工作输水，参数设置少，操作简单。

所述连续输水装置3041包括：

地热采集装置30411，用于通过地热采集棒采集地热能，再通过热传导管将所述地热能传输至热交换器。

本发明实施例中，参照图9示出了本发明实施例中海拔高度与大气温度关系示意图，如图9所示，大气温度随高程非线性变化，当高程在5～60km区间，大气温度小于0℃，为了保证水在高空中以液态水的形式传输，必须对水库中待发射的水加入抗冻试剂或者进行加热处理，否则使用连续输水模式，就会直接结成一座冰桥，无法进行水资源的传输。因此，在将水资源泵出前，需要使用如图5所示的地热采集装置采集地热能并通过热导管传输至热交换器，对水库中的冷水进行加热，在此处为地热采集装置30411。关于地热采集装置的描述与前述蒸汽发生器中地热采集装置的描述类似，在此不再赘述。

热交换器30412，用于对所述水库中待传输的水资源预加热，将所述预加热后的待传输的水资源输送至热水库。

本法发明实施例中，热交换器30412一端与水库302连接，另一端与热水库30413连接，热交换器通过利用地热能对水库中待传输的水资源进行加热，加热方法可以是利用加热棒将地热采集装置采集到的地热能释放到水中，当水资源从热交换器的水库端流过热交换器再从热水库端流出进入热水库时就是加热后的热水了。对于预加热的具体温度，需要本领域人员进行具体分析，对于水资源来说在进入空气稀薄的高空前，其抵御空气摩擦阻力所产生的热量也可以部分的抵消高空低温所造成的影响，甚至可以不进行预加热。

热水库30413，用于储存待传输的热水资源。

具体实际应用中，热水库内部温度应保持小于95摄氏度，避免水资源在100摄氏度以上转化为气态损失，以控制水资源的损失。

高扬程水泵30414，用于利用发电子系统提供的电能以单口水泵流速V_θ的速度将所述水库中的待传输的热水资源斜向上θ倾角抛至高度为h的空中。

本发明实施例中，高扬程水泵利用发电子系统提供的电能，将进行预加热后的热水库中的水资源沿θ倾角，以V_θ的速度连续抛至高度为h的高空，经过计算，水柱在重力作用下，沿着抛物线的轨迹，以液态水的形式到达下一个输水节点的蓄水池，高扬程水泵工作中，如图8所示，其工作电压为连续的、稳定的。

具体地，工作人员需要预先计算出高扬程水泵工作时的参数。以本发明实施例中的调水方案路线一为例，总长为1185km，预设输水节点间距离为100km，假定年调水量Q＝500亿m³，不同管径d下流速v、扬程(即水柱抛出的高度h)与时间关系见图10所示，本发明的应用实例中管径为0.48m。假设有n＝10台高扬程水泵同时工作，则单口水泵流量Q_h为：

Q_h＝Q/365/24/3600/n (1)

在公式(1)中设一年为365天，Q_h表示单口水泵的秒流量，Q表示年需求调水量，n表示工作的高扬程水泵的台数，故代入上述数据可求得：

Q_h＝500*10^8/365/24/3600/10＝158.549m³/s。

设水泵横截面积S，则水平方向流速V_h为

V_h＝Q_h/S (2)

在公式(2)中Q_h表示单口水泵的年流量，S为水泵出口横截面积(由管径通过圆面积计算公式得出)，则求得流速V_h为：

V_h＝Q_h/S＝158.549/(3.1415926*0.24^2)＝876.1754m/s

换算为3154.231km/h。

设水柱以倾角θ＝45°抛出，则θ方向流速V_θ为：

V_θ＝V_h/sin(θ) (3)

公式(3)中V_θ为当水柱以与水平方向成θ倾角的方向抛出时水柱在与水平方向呈θ倾角的方向上的速度，V_h为水柱在水平方向的流速，θ为水柱射出方向与水平方向的夹角，故代入上述数据可得：

根据路程L与速度v关系可得两点间水的传输时间为：

t＝L/V_h (4)

在公式(4)中，t表示水柱在两输水节点间的移动时间，L表示输水节点间的距离，V_h表示单口水泵出水水柱在水平方向的流速，故代入上述数据可得：

t＝L/V_h＝100km/3154.231km/h＝0.031703h＝114.1324s。

设水柱以倾角θ＝45°抛出，不考虑空气阻力，水柱在垂向运移距离h可根据如下公式计算：

h＝V_h*sin(θ)t-0.5gt² (5)

在公式(5)中，h表示水柱在垂直方向移动的距离，θ表示水柱射出方向与水平方向的夹角，g为重力加速度，t为水柱水柱在两输水节点间的移动时间，故代入上述数据可得：

本发明实施例中，在计算中不考虑空气阻力是因为高空输水的过程中，空气稀薄，其空气阻力造成的影响并不高，本领域技术人员在计算参数时，可以根据实际情况，对结果进行修正。

本发明实施例中，通过利用地热发电产生的电能，高扬程水泵将待传输的水资源泵出从空中传输到下一个输水节点的蓄水池中，通过空中输水的方法，本发明实施例大大降低了调水工程建设的工程量，及使用过程中的后期维护工作，对于改善我国水资源空间分布不合理的现状具有重要意义。

实施例二

一种脉冲式空中输水系统

如图2所示，所述系统包括多个输水节点，所述输水节点包括：蓄水池、水库、发电子系统和输水子系统。

可选地，所述多个输水节点具体数量根据水源地与受水区间的输水路线的总长度长度以及输水节点间的预设距离计算。

参照图7示出了本发明实施例中脉冲式空中输水系统输水节点结构示意图，如图7所示，所述输水节点700可以包括：

蓄水池701，用于从水源地或上一个输水节点接收运输的水资源，并向所述水库提供待传输至下一个输水节点的水资源。

水库702，用于从蓄水池中获取待传输的水资源。

发电子系统703，用于采集地热能，并将所述地热能转化为电能输送给所述输水子系统。

可选地，所述发电子系统703包括：

回灌井7031，用于收集水汽分离塔及蒸汽涡轮机中生成的液态水，并将所述液态水送入蒸汽发生器中。

蒸汽发生器7032，用于利用采集到的地热能将所述液态水加热为蒸汽。

可选地，所述蒸汽发生器7032包括：

地热采集装置70321，用于通过地热采集棒吸收地热能，再通过热传导管将所述地热能传输至蒸汽发生装置。

蒸汽发生装置70322，用于利用所述热传导管传输的所述地热能，将所述回灌井输送至储水室中的液态水加热为热蒸汽。

可选地，所述蒸汽发生装置70322，还包括：

水位传感器703226，用于监测蒸汽发生装置中储水室中的水位，在水位低于预设水位时向补给井反馈水位告警信息。

可选地，所述发电子系统的蒸汽发生装置中，除所述回灌井提供液态水作为热蒸汽来源外，还另有补给井70323提供用于产生热蒸汽的液态水。

产气井7033，用于将所述蒸汽从蒸汽发生器运输至水汽分离塔。

水汽分离塔7034，用于将所述蒸汽中的液态水与热蒸汽分离，将所述液态水送入所述回灌井中，将所述热蒸汽送入蒸汽罐中。

蒸汽罐7035，用于收集储存热蒸汽，并将所述热蒸汽送入蒸汽涡轮机中。

蒸汽涡轮机7036，用于通过所述热蒸汽带动蒸汽涡轮机叶片转动，将所述地热能转化为机械能；所述热蒸汽在推动蒸汽涡轮机叶片转动后，冷凝为液态水流回灌井中。

发电机7037，用于通过转动的蒸汽涡轮机叶片带动发电机转子转动，将所述机械能转化为电能，向所述高扬程水泵供电。

所述输水子系统704，用于利用所述电能将所述水库中待传输的水资源通过高扬程水泵传输至下一个中继站的蓄水池。

可选地，如图7所示，所述输水子系统704包括：

脉冲式输水子装置7041，用于利用所述发电模块提供的电能，根据预设的流速、脉冲工作时间与脉冲间隔时间以脉冲输水的方式向下一个输水节点的蓄水池传输水资源。

本发明实施例中，采用脉冲输水的模式。如图11所示为高扬程水泵脉冲输水电压示意图，当采用脉冲输水模式时，由于水资源以不连续的形式输出，因此不会造成结成冰桥，水资源无法传输的情况，只要调整高扬程水泵工作的占空系数(占空比)，即可按照设定的输水量使水资源成功输送，无需进行预加热，节省了建设与维护成本。

所述脉冲式输水装置包括：

脉冲式输水子模块，用于高扬程水泵利用发电模块提供的电能以单口水泵流速V_θ的速度持续脉冲工作时间t₀将水库中的水资源斜向上θ倾角抛向空中，相隔脉冲间隔时间t₁后，再次以单口水泵流速V_θ的速度以脉冲工作时间t₀将水库中的水资源斜向上θ倾角抛向空中。

本发明实施例中，在脉冲式输水工作模式下，需要除了水泵发射水柱的角度θ与初速度V_θ外，还需要设置高扬程水泵的脉冲工作时间t₀与脉冲间隔时间t₁，通过设置脉冲工作时间t₀来控制冰柱长度，以控制传输的效率，通过控制脉冲间隔时间t₁来控制冰柱间隔距离，防止距离过大传输效率低，或者距离过小，发生追尾。

本发明实施例中，单口水泵流速V_θ的计算方法与实施例中计算方法类似，为避免重复，在此不再赘述。

本发明实施例中，控制冰柱长度为100m，则根据公式：

L₀＝V_θ·t₀ (6)

上述公式(6)中，L₀表示冰柱长度，V_θ表示水柱在出射方向上的流速，t₀表示水泵工作持续时间(脉冲宽度)，故代入上述数据可得：

本发明实施例中，为防止冰柱追尾，两冰柱间应留有一定的预设距离L₁，根据预先设置的间隔距离，如两100m长的冰柱间应间隔10m，可以计算脉冲式输水的过程中高扬程水泵工作时的时间间隔(脉冲重复周期)，计算公式为：

t₁＝L₁/V_θ (7)

上述公式(7)中t₁表示脉冲间隔时间，L₁表示水柱间预设距离，V_θ表示水柱在出射方向上的流速，故代入上述数据可得：

则有

由上述内容可知，本发明实施例中，脉冲式工作模式下，一个脉冲工作周期T为脉冲工作时间t₀与脉冲间隔时间t₁的和，即T＝t₀+t₁＝0.08877411，则可计算脉冲占空系数(占空比)η＝t₁/T＝0.0080704/0.0887411＝0.9090909，通过调整脉冲系数可以实现对年输水量的调控，年输水(Q为实际输水量，Q₀为额定输水量)。

参照表1，示出了一种占空系数与水柱长度、两相邻水柱间距、年输水量关系的具体示意。如表1所示，假设脉冲式输水中一个脉冲周期为T＝0.1s，额定输水量为500亿m³，占空系数与水柱长度、两相邻水柱间距、年输水量关系见下表。

表1

μ	0.9	0.8	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3	0.2	0.1
										L<sub>0</sub>/m	111.519	99.128	86.737	74.346	61.955	49.564	37.173	24.782	12.391
L<sub>1</sub>/m	12.391	24.782	37.173	49.564	61.955	74.346	86.737	99.128	111.519
										Q/亿m<sup>3</sup>	450	400	350	300	250	200	150	100	50

本发明实施例中，通过利用地热发电产生的电能，高扬程水泵将待传输的水资源脉冲式的发射从空中传输到下一个输水节点的蓄水池中，通过空中输水的方法，本发明实施例大大降低了调水工程建设的工程量使用过程中的后期维护工作，另外水在高空以固态形式传输路线较为稳定，且只有少量水与空气摩擦以气态水的形式损失，最后无需像连续输水那样对水进行预加热，因而能耗较少，对于改善我国水资源空间分布不合理的现状具有重要意义。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参考即可。

本领域技术人员易于想到的是：上述各个实施例的任意组合应用都是可行的，故上述各个实施例之间的任意组合都是本发明的实施方案，但是由于篇幅限制，本说明书在此就不一一详述了。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或子模块或组件组合成一个模块或子模块或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子子模块或子组件。除了这样的特征和/或过程或者子模块中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或子模块进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的子模块权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。