CN114594803B - 一种小水电站生态流量泄放、监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小水电站生态流量泄放、监测设备，小水电站生态流量泄放、监测设备包括：取水区、平水区、监测区，取水区设置有虹吸管，虹吸管跨过坝体顶端设置；平水区设置有控制容器，虹吸管与控制容器连接，控制容器包括气体部、液体部，气体部连通有气体交换管，液体部连通有输水管；监测区设置有水力发电装置、流量监测装置、信号发送装置。本发明中，水流沿虹吸管跨过坝体顶端进入控制容器，不影响坝体结构的稳定性；气体交换管调节控制容器内的压力水头，控制水流进入控制容器并为水轮机发电提供动力；输水管流量动态稳定，实现设备自我供能。

Description

一种小水电站生态流量泄放、监测设备

技术领域

本发明涉及水利建筑领域，特别涉及一种小水电站生态流量泄放、监测设备。

背景技术

小水电站尤其是引水式电站的运行，往往导致下游河道发生严重的减脱水现象，泄放生态流量是解决减脱水问题的有效途径。生态流量泄放设施包括生态泄流孔、生态泄流阀、生态泄流闸、生态机组等，以上设施需要在上游安装水位传感器，根据测量的水位计算泄放设施开度。目前，核定泄放生态流量大小最常用的方法是Tennant法和最小月平均流量法，以两者的最大值作为生态流量，因此核定的生态流量通常为定值。受上游来水以及发电流量的影响，上游水位波动明显，为满足生态流量泄放要求，需要根据上游水位变化情况，实时手动调整泄放设施开度。但是，由于大部分小水电站核定的生态流量值均较小，且泄放设施调整程序繁琐，实际操作中无法做到实时精准调控，导致生态流量的泄放大部分处于生态流量未足额或超额泄放状态，难以实现按核定结果精准泄放，因此以上设施存在费时、费力、不精确的问题，不满足生态流量泄放要求或影响电站发电效益。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提供一种小水电站生态流量泄放、监测设备，所采用的技术方案如下：

本发明提供一种小水电站生态流量泄放、监测设备，包括：取水区，所述取水区设置有虹吸管，所述虹吸管连通小水电站拦河坝体上下游，所述虹吸管跨过坝体顶端设置；平水区，所述平水区设置有控制容器，所述虹吸管与所述控制容器连接，所述控制容器包括气体部、液体部，所述气体部和所述液体部位于所述控制容器的内部，所述气体部高于所述虹吸管末端，所述液体部低于所述虹吸管的末端，所述气体部连通有气体交换管，所述液体部连通有输水管；监测区，所述监测区设置有水力发电装置、流量监测装置、信号发送装置，所述水力发电装置连接于所述输水管上，所述流量监测装置连接所述水力发电装置，所述信号发送装置用于将所述流量监测装置监测到的信号发送到集控中心。

本发明的实施例至少具有以下有益效果：本发明中，通过虹吸管在上游抽水，水流沿虹吸管跨过坝体顶端进入控制容器，不影响坝体结构的稳定性；通过气体交换管抽或充气，调节控制容器内的压力水头，控制水流进入控制容器，同时为输水管水轮机发电提供所需的压力水头；由于控制容器内的压力水头动态稳定，且输水管的开度不变，输水管流量动态稳定；通过输水管水流的动能转换为监测设备所需的电能，实现设备自我供能；通过监测发电电压，实现远程有效监测输水管流量。

本发明的某些实施例中，所述虹吸管的末端设置有端盖，所述端盖铰接在所述虹吸管末端。所述端盖上连接浮球，所述浮球的密度小于水的密度，所述浮球上浮能够带动所述端盖盖合所述虹吸管末端。

本发明的某些实施例中，所述虹吸管上设置有第一控制阀，所述气体交换管上设置有第二控制阀，所述输水管上设置有第三控制阀。

本发明的某些实施例中，所述气体部设置有压力表，所述压力表设置于所述控制容器的外部，所述压力表用于测量所述控制容器内的压强。

本发明的某些实施例中，所述水力发电装置为水轮机，所述水轮机用于将输水管内水流的动能转化为电能，所述水轮机为所述流量监测装置和信号发送装置供电。

本发明的某些实施例中，所述控制容器底部设置有支撑件。

本发明的某些实施例中，所述支撑件的高度能够调节。

本发明提供一种小水电站生态流量泄放、监测设备的控制方法：关闭第一控制阀和第三控制阀，打开第二控制阀，通过气体交换管抽取控制容器内的空气至第一目标压强；关闭第二控制阀，打开第一控制阀，小水电站拦河坝体上游的水流进入控制容器中，随着控制容器内水位的上升，浮球向上浮动带动端盖向上运动，直至盖合虹吸管，停止进水；打开第二控制阀，通过气体交换管调节控制容器内空气的量，使控制容器内的压强达到第二目标压强；关闭第二控制阀，打开第三控制阀，控制容器内的水通过输水管流至下游。

本发明的实施例至少具有以下有益效果：本发明中，通过对第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀的配合使用将上游的水流导入控制容器，再以目标生态流量泄放至下游，泄放及监测过程为全自动、自供能模式，操作简单，节省人力物力。

本发明的某些实施例中，所述关闭第一控制阀和第三控制阀，打开第二控制阀，通过气体交换管抽取控制容器内的空气至第一目标压强，还包括：气体交换管调节控制容器内空气的量，使控制容器内的压强达到第一目标压强，并通过压力表测量控制容器内的压强。

本发明的某些实施例中，小水电站生态流量泄放、监测设备的控制方法还包括：流量监测装置监测水轮机的发电电压，根据发电电压和流量的相关关系，得到输水管流量的大小，通过信号发送装置将发电电压与生态流量数据发送至集控中心。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种小水电站生态流量泄放、监测设备的结构示意图；

图2是本发明一种小水电站生态流量泄放、监测设备工作过程流程图。

附图标记：1、虹吸管；2、第一控制阀；3、端盖；4、浮球；5、压力表；6、第三控制阀；7、水轮机；8、流量监测装置；9、第二控制阀；10、控制容器；11、支撑件；12、气体交换管；13、输水管。

具体实施方式

本部分将结合图1至图2详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。限定有“第一”、“第二”的特征是用于区分特征名称，而非具有特殊含义，此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种小水电站生态流量泄放、监测设备，小水电站生态流量泄放、监测设备包括取水区、平水区、监测区。取水区设置有虹吸管1，虹吸管1用于将上游的水导入，最终到达下游，因此，虹吸管1连通水流上游，虹吸管1水流入的一端管口高度较低，使上游水位低的情况下虹吸管1仍能够从上游抽水。为保证坝体的结构稳定性，虹吸管1跨过坝体顶端设置，同时，也避免了在坝体上设置供虹吸管1通过的孔，进而导致虹吸管1与坝体之间密封困难。

平水区设置有控制容器10，虹吸管1连通控制容器10，虹吸管1的末端在控制容器10中具有一定高度。控制容器10包括气体部、液体部，气体部、液体部位于控制容器10内部，高于虹吸管1末端的部分为气体部，低于虹吸管1末端的部分为液体部。使用过程中，水沿着虹吸管1进入控制容器10，液体部用于将水进一步排出至水流下游，气体部用于调整控制容器10内的压强，保证流向下游的水流量。气体部连通有气体交换管12，通过气体交换管12调整气体部内空气的量，进而调节控制容器10内的压强；液体部连通有输水管13，输水管13将液体部的水排出至下游。

监测区设置有水力发电装置、流量监测装置8、信号发送装置，水力发电装置设置于输水管13上，水流过输水管13的过程中存在动能，水力发电装置用于将水的动能转化为电能。电能不仅可以进行供电，其具有的电压也可以反映出水流量，水流量越大，发电电压越大。通过监测发电电压能够确定当前的水流量信息。

流量监测装置8连接水力发电装置，流量监测装置8能够从当前的发电电压得到具体的流量值，工作人员能够直接通过观察流量监测装置8得到发电电压以及流量值，便于通过所需的生态流量调节小水电站生态流量泄放、监测设备。同时，流量监测装置8连接信号发送装置，流量监测装置8将流量信息传递给信号发送装置，信号发送装置能够将采集到的信息发送到集控中心。

流量监测装置8与信号发送装置由水力发电装置供给电能，具体地，信号发送装置为有线装置，即信号发送装置与控制监测设备通过线路连接进行传输；或者，信号发送装置为无线装置，即信号发送装置通过无线信号发送给控制监测设备。工作人员能够远程观测并控制生态流量，当小水电站生态流量泄放、监测设备出现故障时，工作人员能够及时发现并进行针对性调整，提升系统的稳定性。

在一些示例中，虹吸管1的末端设置有端盖3，端盖3铰接在所述虹吸管1末端，通过铰接的端盖3能够实现虹吸管1末端的开启或闭合，当水沿虹吸管1进入控制容器10时，虹吸管1末端开启；当控制容器10中的水达到虹吸管1末端的高度时，端盖3盖合在虹吸管1末端，阻止水继续进入控制容器10。

具体地，端盖3或虹吸管1末端设置有密封件，避免端盖3在盖合状态时，虹吸管1中的水继续流入控制容器10中，使水上溢至控制容器10的气体部，影响小水电站生态流量泄放、监测设备的正常运行。

在一些示例中，端盖3上连接浮球4，浮球4的密度小于水的密度，控制容器10中水的液面上升，带动浮球4上升。直至水的液面达到虹吸管1末端时，浮球4带动端盖3自动完成对于虹吸管1末端的盖合，盖合过程无需人为干预。

在一些示例中，虹吸管1上设置有第一控制阀2，第一控制阀2开启，水能够沿虹吸管1进入控制容器10；第一控制阀2关闭，阻止水进入控制容器10，便于在控制容器10内水量稳定的条件下，准确调节控制容器10内压强。

在一些示例中，气体交换管12上设置有第二控制阀9，在需要调节控制容器10内压强时，第二控制阀9开启；在需要保持控制容器10内压强时，第二控制阀9关闭。

在一些示例中，输水管13上设置有第三控制阀6，在调整控制容器10内压强时，第三控制阀6关闭；在控制容器10内压强调整完毕后，需要向下游输水时，第三控制阀6开启。

在一些示例中，为了按需准确调节控制容器10内的压强，气体部设置有压力表5，通过压力表5的示数能够实时了解控制容器10内的压强，保证控制容器10正常工作的条件下，也保证了小水电站生态流量泄放、监测设备的工作安全。可以理解的是，压力表5设置于所述控制容器10的外部，便于工作人员读数。

可以理解的是，由于控制容器10在工作状态下需要保持内部压强，控制容器10需要密封良好。具体地，第二控制阀9、第三控制阀6关闭时密封良好，虹吸管1与控制容器10连接处密封良好，避免控制容器10内的气体和水意外泄漏，造成水流量不准确、压强不稳定。

在一些示例中，水力发电装置为水轮机7，水轮机7为流量监测装置8和信号发送装置提供电能，因此，流量监测装置8与信号发送装置与水轮机7连接。在向下游输水的过程中，运用水流直接发电，节约能源与成本的同时，实时产生的电能能够充分反映出同一时刻的水流量，便于流量观测。在通常情况下，流向下游的水流量由第三控制阀6的开度决定，但当第三控制阀6的开度在初期确定完成后，小水电站生态流量泄放、监测设备如果出现异常，生态流量就无法保证和初期相同。而实时电能最直接地表示出当前流量，由实时电能反映出的水流量与小水电站生态流量泄放、监测设备是否产生漏水、漏气无关。因此，通过发电电能的监测能够对整体设备进行监控。具体地，实时发电电压越大，实时流量越大。

在一些示例中，控制容器10底部设置有支撑件11，支撑件11能够调整控制容器10的高度，使控制容器10在安装时的高度可以满足上游最大的水位变化程度，有效设备的适用范围。

具体地，支撑件11的高度能够调节，使控制容器10能够适应各种不同环境的水域，提升通用性。

本发明实施例提供一种小水电站生态流量泄放、监测设备的控制方法，小水电站生态流量泄放、监测设备在初始的使用过程中，需要进行调试，首先关闭第一控制阀2和第三控制阀6，打开第二控制阀9，在气体交换管12上连接调压设备进行调压。调压过程中控制容器10内的压强产生变化，通过观察压力表的压强测量值，使控制容器内的压强达到第一目标压强，停止调压。

关闭第二控制阀9，打开第一控制阀2，由于控制容器内的压强低于大气压，上游的水会沿着虹吸管1进入控制容器10内部。当控制容器10内的水液面达到虹吸管1末端的高度时，浮球4带动端盖3将虹吸管1的末端盖合，上游的水不再进入控制容器10。

打开第二控制阀9，调压设备通过抽或充气继续改变控制容器10内的压强，通过压力表观测到控制容器10内的压强达到第二目标压强时，停止调压。

为保持控制容器10内的压强值，关闭第二控制阀9，打开第三控制阀6，控制容器10内的水在压强水头的作用下流入输水管13，同时，控制容器10内水位下降，端盖3自动打开，虹吸管1重新输水，使控制容器10内液面再次上升，如此循环往复。

在这一过程中，水源源不断地流入输水管13，水流驱动输水管13上的水力发电装置，将水流的动能转化为电能，一部分电能驱动流量监测装置8工作，另一部分的电能驱动信号发送装置工作，流量监测装置8测量实时发电电压并显示，同时，由发电电压与流量的关系得到实时流量，并将实时流量也显示出来。

流量监测装置8在显示数据的同时，也将数据发送给信号发送装置，信号发送装置将流量数据与电压数据发送给集控中心，实现工作人员远程监控生态流量。

其中，第一目标压强与第二目标压强需要针对控制容器的具体形状与虹吸管1末端的高度人为预先确定。

小水电站生态流量泄放、监测设备在工作中，能够按照需求定量地从上游向下游输送水，同时，实时监测当前的水流量是否达到要求。

在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，包括：

取水区，所述取水区设置有虹吸管(1)，所述虹吸管(1)连通小水电站拦河坝体上下游，所述虹吸管(1)跨过坝体顶端设置，所述虹吸管(1)上设置有第一控制阀(2)；

平水区，所述平水区设置有控制容器(10)，所述虹吸管(1)与所述控制容器(10)连接，所述控制容器(10)包括气体部、液体部，所述气体部和所述液体部位于所述控制容器(10)的内部，所述气体部高于所述虹吸管(1)末端，所述液体部低于所述虹吸管(1)的末端，所述气体部连通有气体交换管(12)，所述液体部连通有输水管(13)，所述气体交换管(12)上设置有第二控制阀(9)，所述输水管(13)上设置有第三控制阀(6)；

监测区，所述监测区设置有水力发电装置、流量监测装置(8)、信号发送装置，所述水力发电装置连接于所述输水管(13)上，所述流量监测装置(8)连接所述水力发电装置，所述信号发送装置用于将所述流量监测装置(8)监测到的信号发送到集控中心。

2.根据权利要求1所述的小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，所述虹吸管(1)的末端设置有端盖(3)，所述端盖(3)铰接在所述虹吸管(1)末端；所述端盖(3)上连接浮球(4)，所述浮球(4)的密度小于水的密度，所述浮球(4)上浮能够带动所述端盖(3)盖合所述虹吸管(1)末端。

3.根据权利要求1或2所述的小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，所述气体部设置有压力表(5)，所述压力表(5)设置于所述控制容器(10)的外部，所述压力表(5)用于测量所述控制容器(10)内的压强。

4.根据权利要求1所述的小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，所述水力发电装置为水轮机(7)，所述水轮机(7)用于将输水管(13)内水流的动能转化为电能，所述水轮机(7)为所述流量监测装置(8)和信号发送装置供电。

5.根据权利要求1所述的小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，所述控制容器(10)底部设置有支撑件(11)。

6.根据权利要求5所述的小水电站生态流量泄放、监测设备，其特征在于，所述支撑件(11)的高度能够调节。

Images