CN117072364B - 一种水力发电站尾水处理系统及水力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力发电站尾水处理系统及水力发电系统，包括尾水隧洞，尾水隧洞的出口与压缩空气室连通，压缩空气室外部设有水轮机，水轮机与空气压缩机连接，空气压缩机通过空气管路与压缩空气罐连接，压缩空气罐连接有发电系统，所述压缩空气室的底端排水口连接有蓄水池，蓄水池与引水管的一端连接，引水管的另一端用于连接至水力发电站的水库，采用本发明的尾水处理系统实现了尾水的利用，避免了水资源的浪费。

Description

一种水力发电站尾水处理系统及水力发电系统

技术领域

本发明涉及水力发电技术领域，具体涉及一种水力发电站尾水处理系统及水力发电系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前许多抽水蓄能式水力发电站采用地下厂房布置方案，地下厂房的发电机组产生的尾水流入尾水隧洞，由尾水隧洞排出，一次性发电后排出的尾水动能流走，无法对尾水进行利用，造成了能源的浪费，尾水排出后仍然有很大的冲击力，加上尾水的自身重力，是一种能量巨大的可再生资源，如何利用这种能量巨大的可再生资源，是急待解决的实际问题。而且目前地下厂房的渗水通过单一的排水廊道排入集水井内，地下厂房外周的渗水无法进行排放，发电厂房外周岩层渗水大，渗水无法及时排除会影响岩层的稳定性，而且现有的采用单一廊道排水的方式使得发电厂房外周岩层的水体排出速度不均等，容易出现局部岩层错位的问题，而且目前的渗水通过集水井排出后也无法实现利用，浪费了资源。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水力发电站尾水处理系统及水力发电系统，实现了尾水和围岩渗水的利用，避免了能源的浪费，而且避免了地下发电厂房外周岩层不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种水力发电站尾水处理系统，包括尾水隧洞，尾水隧洞的出口处设有水轮机，水轮机与位于压缩空气室内部的空气压缩机连接，空气压缩机通过空气管路与压缩空气罐连接，压缩空气罐连接有发电系统，所述压缩空气室的底端排水口连接有蓄水池，蓄水池与引水管的一端连接，引水管的另一端用于连接至水力发电站的水库。

可选的，所述尾水隧洞的出口处设置有导流结构以形成水头差，导流结构的末端与水轮机的叶片位置相对应。

可选的，所述发电系统包括涡轮机以及发电机，涡轮机的输出轴与发电机连接，所述涡轮机通过输气管路与压缩空气罐连接。

可选的，所述水轮机通过调速器与空气压缩机连接。

可选的，所述引水管与蓄水池之间设置有开关阀门。

可选的，所述蓄水池内安装有液位检测元件。

第二方面，本发明的实施例提供了一种水力发电系统，包括第一方面所述的水力发电站尾水处理系统，还包括地下发电厂房，地下发电厂房设有发电机组及渗水排水管，渗水排水管与多个位于地下发电厂房外部的渗水廊道连通，渗水廊道与位于地下发电厂房外部的排水廊道连通，排水廊道与集水井连通，集水井内设有水泵，水泵与水管的一端连接，水管的另一端连接至多个净化池，净化池通过管路与蓄水池连接，净化池内设有净化机构。

可选的，所述排水廊道采用位于地下发电厂房外围的环状结构，且相对于水平面倾斜设置，集水井与排水廊道高度较低的端部连通，所述渗水廊道设置在地下厂房和排水廊道之间，以地下发电厂房为中心呈放射状分布。

可选的，所述集水井与净化池之间的管路上设置有开关阀门，所述蓄水池与净化池之间的管路上设置有开关阀门。

可选的，所述净化池的底部设置有排水口，排水口与用水管连接，用水管上安装有开关阀门。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的尾水处理系统，在尾水隧洞的出口处设置有水轮机，水轮机与空气压缩机连接，空气压缩机通过气管与压缩空气罐连接，压缩空气罐与发电系统连接，尾水隧洞流出的尾水能够带动水轮机转动，从而带动空气压缩机产生压缩空气并存储在压缩空气罐内，然后利用压缩空气罐内的压缩空气的能量通过发电系统进行发电，实现了尾水动能的利用，避免了尾水的浪费。

2.本发明的尾水处理系统，所述压缩空气室的底端排水口连接有蓄水池，蓄水池与引水管的一端连接，引水管的另一端用于连接至水力发电站的水库，能够将发电机组产生的尾水再次引入水力发电站的水库，实现尾水的再利用，节省了水资源，避免了水资源的浪费。

3.本发明的尾水处理系统，水轮机与空气压缩机连接，空气压缩机通过气管与压缩空气罐连接，水轮机能够带动空气压缩机工作，空气压缩机产生的压缩空气存储在压缩空气罐中，压缩空气罐与发电系统连接，利用压缩空气的能量进行发电，采用此种发电方式，从根本上避免了水轮发电机系统复杂的技术要求，降低了设备投资成本，基本上可以适用于各种水头、水量，简化了设计，拓宽了本系统的应用范围。

4.本发明的水力发电系统，蓄水池与净化池连接，集水井与净化池连接，净化池内安装有净化机构，集水井收集的围岩渗水以及蓄水池收集的尾水能够进入净化池进行净化，满足了农业灌溉或水产养殖的用水需求，实现了尾水和渗水的利用，避免了水资源的浪费。

5.本发明的水力发电系统，排水廊道为设置在地下发电厂房外周的环状结构，且通过多个渗水廊道与地下发电厂房内部的渗水排水管连通，渗水廊道呈放射状分布，渗水廊道能够将地下发电厂房周岩层的水体收集然后导入排水廊道内，使得地下发电厂房外周岩层内的含水量均匀，避免岩层错位的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1整体结构主视图；

图2是本发明实施例1整体结构侧视图；

图3是本发明实施例1水轮机、调速器以及空气压缩机装配示意图；

图4是本发明实施例1发电系统示意图；

图5是本发明实施例2地下发电厂房与排水廊道、渗水廊道装配示意图一；

图6是本发明实施例2地下发电厂房与排水廊道、渗水廊道装配示意图二；

图7是本发明实施例2第一搅拌机构结构示意图；

图8是本发明实施例2第二搅拌机构结构示意图；

其中，1.地下发电厂房，2.排水廊道，3.集水井，4.水泵，5.排水管，6.渗水廊道，7.主检修廊道，8.副检修廊道，9.尾水隧洞，10.导流结构，11.压缩空气罐，12.控制阀门，13.压缩空气室，14.气管，15.空气压缩机，16.调速器，17.轴承座，18.输出轴，19.输气管路，20.进气口，21.水轮机，22.液位传感器，23.最高水位线，24.引水管，25.第一开关阀，26.第二开关阀，27.第三开关阀，28.第四开关阀，29.第五开关阀，30.第一搅拌机构，30-1.搅拌杆，30-2.搅拌叶片，31.第一投料口，32.第一净化池，33.第一用水管，34.第六开关阀，35.第二搅拌机构，35-1.搅拌杆，35-2.搅拌叶片，35-3.透气孔，36.第二投料口，37.第二净化池，38.第七开关阀，39.第二用水管，40.蓄水池，41.涡轮机，42.发电系统外壳，43.涡轮机叶片，44.发电机，45.齿轮传动机构。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种水力发电站尾水处理系统，如图1-图2所示，包括尾水隧洞9，尾水隧洞9用于接收发电机组排出的尾水。

所述尾水隧洞9的出口处设置有导流结构10，导流结构10由土体堆砌而成，导流结构10设有导流通道，导流通道朝下设置形成高度差，导流结构10接收尾水隧洞9流出的水，尾水隧洞9由导流结构10的导流通道向下流动，形成水头差。

所述尾水隧洞9的出口处设置有水轮机21，水轮机21采用现有的水轮机结构即可，水轮机21的叶片位置与导流结构10的底端位置相对应，导流结构10流下的水能够冲击水轮机21的叶片，从而带动水轮机21的输出轴18转动。

如图3所示，水轮机21的输出轴18与空气压缩机15连接，水轮机21的输出轴18的动力能够传递至空气压缩机15，带动空气压缩机15工作，所述空气压缩机15位于压缩空气室13内部，所述空气压缩室13位于导流结构10的底端。所述空气压缩室13中有砖砌隔层，空气压缩机15位于砖砌隔层上部以避免进水使机器失灵。所述空气压缩机15的出口通过气管14与位于压缩空气室13顶部的压缩空气罐11连接，空气压缩机15产生的压缩空气能够输入压缩空气罐11进行存储。

优选的，所述水轮机21的输出轴18与调速器16连接，调速器16位于压缩空气室13内部并与空气压缩机15连接，调速器16通过齿轮传动机构45与空气压缩机15的输入轴连接，调速器16用于对水轮机21的输出轴18转速进行调节，使其满足空气压缩机15的输入轴转速需求。

调速器16采用现有设备即可，由测量元件、放大元件、执行元件和反馈元件。测量元件负责测量水轮机输出的机械能的频率，当测得的频率偏离给定值时，发出调节信号。放大元件负责把调节信号放大，然后通过执行元件去改变水轮机输出轴转速，使频率恢复到定值。

优选的，所述水轮机21的输出轴18还与轴承座17转动连接，轴承座17固定在压缩空气室13内部，轴承座17对水轮机21的输出轴进行支撑，避免水轮机21的输出轴18的挠性变形。

所述压缩空气罐11与发电系统连接，发电系统能够利用压缩空气罐存储的压缩空气进行发电，发电系统设置在压缩空气室13的顶部。

所述压缩空气室13的底端与蓄水池40相连通，压缩空气室13内流入的用来发电的尾水能够流入蓄水池40进行存储。

所述蓄水池40的侧部池壁的底端与引水管24的一端连接，引水管24的另一端连接至水力发电站的水库，从而能够将尾水再次引入水库，实现重复利用。

所述引水管24上设置有第一开关阀25，第一开关阀25采用电动球阀或电动蝶阀等，用于控制引水管24的导通和关闭。

所述蓄水池40内安装有液位检测元件，液位检测元件采用现有的液位传感器22，用于检测蓄水池40内的水位。

当液位检测元件监测到蓄水池内的水位超过了最高水位线23时，引水管24上的第一开关阀25打开，蓄水池40内的水会流向水力发电站的水库。

如图4所示，所述发电系统包括涡轮机41与发电机44。所述涡轮机41与发电机44位于发电系统外壳42内。压缩空气罐11通过输气管路19连接涡轮机41的进气口20。压缩空气罐11与输气管19连接处设置有控制阀门12。所述输气管路19穿过发电系统机外壳42，且管路19外侧与发电系统外壳42紧密相连，无缝隙。

需要发电时，控制阀门12打开，位于压缩空气罐11中的高压气体经过输气管路19从进气口20喷出，对涡轮机的涡轮机叶片43造成冲击力，使得涡轮机的叶片43进行转动，带动涡轮机进行工作。涡轮机的旋转轴44连接发电机的转子轴，通过涡轮机的旋转轴44旋转驱动发电机的转子旋转产生电能。发电机采用现有设备即可。

本实施例的尾水处理系统，尾水隧洞流出的尾水能够带动水轮机转动，从而带动空气压缩机15产生压缩空气并存储在压缩空气罐11内，然后利用压缩空气罐11内的压缩空气的能量通过发电系统进行发电，实现了尾水动能的利用，可以避免尾水的浪费，发电站尾水本身的势能较小，如果采用传统的水轮机发电系统直接将其转换为电能，购买发电设备并安装和维护相应的电气设备配套系统的成本很大；因此，采用空气压缩机作为能量转换装置，结构简单，从根本上避免了水电系统复杂的技术要求，降低了设备投资成本，基本适用于各种水头和水量，简化了设计，扩大了该系统的应用范围。

实施例2

本实施例提供了一种水力发电系统，为抽水蓄能水电站，包括设置有实施例1所述的水力发电站尾水处理系统，还包括地下发电厂房1，地下发电厂房1内设有发电机组，地下发电厂房通过管路与尾水隧洞9连接，用于将发电机组产生的尾水送入尾水隧洞9。

如图5-图6所示，地下发电厂房1的外周设置有环状的排水廊道2，地下发电厂房1的高度高于排水廊道2的高度，地下发电厂房1的渗水排水管通过多个渗水廊道6与排水廊道2连通，地下发电厂房1外围围岩的地下水能够伸入渗水廊道6，然后流入排水廊道2。

为了使得地下发电厂房1外围岩层渗水均匀，所述多个渗水廊道6以地下发电厂房1为中心呈放射状分布。

采用此种设置方式，渗水廊道6能够将地下发电厂房1周岩层的水体收集然后导入排水廊道2内，使得地下发电厂房1外周岩层内的含水量均匀，避免岩层错位的问题。

其中排水廊道2与水平面呈设定锐角倾斜设置，所述排水廊道2与集水井3连通，集水井3设置在排水廊道2高度较低的端部，便于排水廊道2内的水通过自身重力的作用汇集进入集水井3。

所述集水井3与地下发电厂房1之间设置有主检修廊道7，主检修廊道7一端与集水井3连通，另一端与地下发电厂房1连通，主检修廊道7的高度高于相邻的渗水廊道6的高度。

相邻渗水廊道6之间连接有副检修廊道8，副检修廊道8和主检修廊道7连通，主检修廊道7和副检修廊道8与集水井3、渗水廊道6和排水廊道2相连通，可以极大的提高检修的便利性。

所述集水井3内部设置有水泵4，水泵4与排水管5的一端连接，排水管5的另一端连接有多个净化池，排水管上设置有第二开关阀26，第二开关阀26采用电动球阀或电动蝶阀等，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，

本实施例中，设置有两个净化池，两个净化池分别为第一净化池32和第二净化池37。

第一净化池32和第二净化池37均与进水支管连接，进水支管连接至进水总管，进水总管与蓄水池40连接，蓄水池40内的水能够通过进水支管和进水总管进入第一净化池32和第二净化池37。

本实施例中，所述进水总管上安装有第三开关阀27，用于控制进水总管的导通和关闭，其中一个进水支管上安装有第四开关阀28，另一个进水支管上安装有第五开关阀29，第四开关阀28和第五开关阀29用于控制进水支管的导通和关闭。

第三开关阀27、第四开关阀28和第五开关阀29均采用电动球阀或电动蝶阀等，本领域技术人员根据实际需要设置即可。

所述第一净化池32和第二净化池37内均设置有净化机构，用于对净化池内的水质进行净化。

所述净化机构包括固定在净化池内空间上部的搅拌机构，搅拌机构包括搅拌轴，搅拌轴与固定在净化池顶部池壁的搅拌驱动电机连接，搅拌驱动电机能够带动搅拌轴转动，搅拌轴上设置有搅拌叶片，用于对净化池内的水进行搅拌。

其中第一净化池内的搅拌机构为第一搅拌机构30，第二净化池内的搅拌机构为第二搅拌机构35。

所述净化池的池壁上还设置有投料口，投料口处设置有开关门，打开投料口，能够向净化池内投入催化剂。

第一净化池的池壁上为第一投料口31.第二净化池的池壁上为第二投料口36。

本实施例中，第一净化池31内的水用于农业灌溉，其使用的催化剂为氢氧化钙，第二净化池37内的水用于水产养殖，其使用的催化剂为次氯酸钠。如图7-图8所示，第一搅拌池内的第一搅拌机构包括搅拌杆30-1，搅拌杆设置有搅拌叶片30-2，其中第二净化池37内的搅拌杆35-1为中空结构，且在搅拌叶片35-2上设置有多个透气孔35-3，以便搅拌时增加水中的溶氧量。

所述第一净化池31的底部与第一用水33管的一端连接，第一用水管33的另一端用于延伸至农田，用于将第一净化池31内的灌溉用水排入农田，所述第二净化池37的底部与第二用水管39的一端连接，第二用水管39的另一端用于延伸至鱼塘，用于将第二净化池内的水产养殖用水排入鱼塘。

第一用水管33上设置有第六开关阀34以控制第一用水管33的导通和关闭，第二用水管39上设置有第七开关阀38以控制第二用水管39的导通和关闭，第六开关阀34和第七开关阀38均采用电动球阀或电动蝶阀等，本领域技术人员根据实际需要设置即可。

本实施例的水力发电系统的工作方法为：

地下发电厂房的渗水以及其周围岩层的渗水进入渗水廊道6，然后进入排水廊道2，通过排水廊道2最终汇入到集水井3中，集水井3中收集的渗水主要用于居民用水，集水井3内的水泵4通过排水管5将水直接排至第一净化池32和第二净化池37中，可通过第二开关阀26控制排水管5的导通和关闭。

第六开关阀34能够控制第一净化池32内的净化水流入农田进行灌溉，第七开关阀38能够控制第二净化池37内的净化水流入鱼塘进行水产养殖。

经过水轮机21发电的水流入蓄水池40中，蓄水池40内的水主要用来通过引水管24将水引入抽水蓄能电站上部的水库中，从而实现循环利用，高效发电，避免水资源的浪费。蓄水池40内安装有液位检测元件，当蓄水池40内的水位超过了设定的最高控制水位之后，就可以选择性的打开流向净化池的第三开关阀27，当蓄水池40内的水位低于最高控制水位之后，流向净化池的第三开关阀27关闭，以等待引水管24上的第一开关阀25开启将水引入水库中。

同时，集水井3中的水通过水泵4和排水管排5至第一净化池32和第二净化池37，直接用来净化，补充居民用水。

当汛期到来，排水廊道收集更多的渗水，汇入集水井3中，集水井3中的水泵4将渗水泵送至净化池内。发电完毕的尾水流入蓄水池40内，等待被抽入上水库进行新一轮的发电。当蓄水池40的水位超过了最高水位线23，引水管24的第一开关阀25门便会开启，当上水库里的水充足时，再打开蓄水池40流向净化池的第三开关阀27、第四开关阀28和第五开关阀29。相对来说，夏季净化池内的水主要靠排水廊道里收集的渗水补充。而当冬季，枯水期到来之时，排水廊道里收集的渗水相对来说少了许多，同时冬季农业灌溉用水量为预防冻害发生，也少了许多。所以排水廊道2里的渗水和蓄水池40内多余的水可以维持净化池用水的平衡。此时若蓄水池40水位无法达到最高控制水位，则流向净化池的第三开关阀27不会打开，水会在蓄水池40内储存着，等待着被抽入上水库，进行新一轮的发电。

净化池中的水在搅拌机构的加速作用下，与催化剂反应之后完成净化。在需要用水时，打开第六开关阀34或第七开关阀38，通过第一用水管33或第二用水管39流入农田或鱼塘。进入到净化池中的尾水在催化剂的作用下以及搅拌机构的搅拌下，快速与催化剂反应，除去尾水中的有害离子，供农业灌溉以及水产养殖。当需要灌溉农田或者鱼塘用水时，可以打开输水的第六开关阀34或第七开关阀38，通过净化池的第一用水管33或第二用水管39，直接流入农田或鱼塘，便于居民用水，以及避免了多余的尾水直接排放对环境造成危害。

本实施例的水力发电系统，集水井3收集的围岩渗水以及蓄水池40收集的尾水能够进入净化池进行净化，满足了农业灌溉或水产养殖的用水需求，实现了尾水和渗水的利用，避免了水资源的浪费。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水力发电系统，其特征在于，包括一种水力发电站尾水处理系统，还包括地下发电厂房，地下发电厂房设有发电机组及渗水排水管，渗水排水管与多个位于地下发电厂房外部的渗水廊道连通，渗水廊道与位于地下发电厂房外部的排水廊道连通，排水廊道与集水井连通，集水井内设有水泵，水泵与水管的一端连接，水管的另一端连接至多个净化池，净化池通过管路与蓄水池连接，净化池内设有净化机构；

所述排水廊道采用位于地下发电厂房外围的环状结构，且相对于水平面倾斜设置，集水井与排水廊道高度较低的端部连通，所述渗水廊道设置在地下厂房和排水廊道之间，以地下发电厂房为中心呈放射状分布；

所述的一种水力发电站尾水处理系统，包括尾水隧洞，尾水隧洞的出口处设有水轮机，水轮机与位于压缩空气室内部的空气压缩机连接，空气压缩机通过空气管路与压缩空气罐连接，压缩空气罐连接有发电系统，所述压缩空气室的底端排水口连接有蓄水池，蓄水池与引水管的一端连接，引水管的另一端用于连接至水力发电站的水库；

所述尾水隧洞的出口处设置有导流结构以形成水头差，导流结构的末端与水轮机的叶片位置相对应；

所述压缩空气室中有砖砌隔层，空气压缩机位于砖砌隔层上部以避免进水使机器失灵。

2.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述发电系统包括涡轮机以及发电机，涡轮机的输出轴与发电机连接，所述涡轮机通过输气管路与压缩空气罐连接。

3.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述水轮机通过调速器与空气压缩机连接。

4.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述引水管与蓄水池之间设置有开关阀门。

5.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述蓄水池内安装有液位检测元件。

6.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述集水井与净化池之间的管路上设置有开关阀门，所述蓄水池与净化池之间的管路上设置有开关阀门。

7.如权利要求1所述的一种水力发电系统，其特征在于，所述净化池的底部设置有排水口，排水口与用水管连接，用水管上安装有开关阀门。