CN201843122U - 水力发电站尾水余能处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种水力发电站尾水余能处理装置，包括原水电站尾水池、压力管道、空气压缩机房、尾水池水闸、出水管道、固定导叶、水轮机、增速器、空气压缩机、高压气管和发电机房，发电机房位于河流岸上地势高处，原水电站尾水池位于水力发电站尾水余能处理装置的上游，空气压缩机房及尾水池水闸组成水坝位于原水电站尾水池的水流方向末端，固定导叶连接水轮机与基础内壁。水轮机转轮位于水轮机机体沿水流方向末端，且设有螺旋桨叶；水轮机轴承与水轮机转轮和增速器相连，增速器与空气压缩机相连，水轮机轴承中间穿过空气压缩机房墙体。本实用新型可充分利用尾水池中积蓄的静力势能，且结构简单，设备耐用性好，提高尾水余能的开发利用价值。

Description

水力发电站尾水余能处理装置 

技术领域

本实用新型属于能源技术领域，涉及一种水力发电站尾水能源收集处理装置，尤其是能在水力发电站枯水期期间，对发电站尾水池尾水势能实现高效收集利用的装置。 

背景技术

水能发电是一种技术十分成熟的环保无污染的可再生能源，其大规模投入生产应用的已有一个多世纪的历史了。近年来，我国对于水能资源的开发利用的重视程度也相当的高。进入2009年，我国水电产业仍保持较快发展，据中投顾问能源行业研究部最新数据分析显示，2009年1-2月份全国水电发电量达610.52亿千瓦时，同比增长25.5％。另外，1-2月份，全国6000千瓦及以上发电生产设备容量76073万千瓦，同比增长10.9％。其中，水电14379万千瓦，同比增长22.1％。如何提高我国水能的资源利用率，已是摆在我国科技工作者面前的一项重大的课题。 

水力发电站是利用水位差产生的强大水流所具有的动能进行发电的电站。目前，公知的水力发电方式就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，同时在水轮机上接上另一种机械(发电机)，随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。 

由于河水存在枯水期与丰水期的变化，水电站在设计时，会在水轮机的尾水口位置，设置一尾水池。保证在枯水期期间，尾水口有一定的淹没高度，防止水轮机在运行时发生气蚀等现象。这样水电站运行过程中，尾水池水位与下游河床水位就会产生一个水头差。这类水头差(尾水渠落差)在库容枯水期时往往较大，有时高达8-10米，而且时间往往也长达3-5年不等。但是由于这部分能源相对不稳定，如果为此设置一套传统的水力发电设备，则一是设备投入及运营维护成本太高，二是难以形成持续稳定能量源。因此，目前对尾水池中所蕴含能源的有效开发利用尚处在空白阶段，若能开发出一种装置，合理地收集利用好这种能源，则能带来巨大的效益。 

实用新型内容

为了充分利用传统水电站尾水池中的尾水余能，本实用新型的目的在于提供一种水力发电站尾水余能处理装置，其投资成本低且运行维护简单，可将尾水余能转化为稳定的能源并加以储存利用。 

为达到以上目的，本实用新型的解决方案是： 

一种水力发电站尾水余能处理装置，包括原水电站尾水池、压力管道、空气压缩机房、尾水池水闸、出水管道、固定导叶、水轮机、水封、轴承、增速器、空气压缩机、高压气管。 

发电机房位于河流岸上地势高处，最好在一般河水汛期水位之上，以保证机房中的设备不受水患影响而受损害。原水电站尾水池位于水力发电站尾水余能处理装置的上游，处于地势较高处。由空气压缩机房以及尾水池水闸共同组成的水坝位于原水电站尾水池的水流方向末端，空气压缩机房及尾水池水闸两者并排，将上游水电站排出的尾水拦截并蓄于尾水池中。空气压缩机房的结构顶部标高应与尾水池水闸顶部标高一致，或略高于尾水池水闸顶部。空气压缩机房的机构顶部标高应由如下公式确定： 

H_k＝h_ym+h_dz+h’                            (1) 

式中H_k——空气压缩机房顶部结构标高。 

h_ym——上游原有水电站出水口(尾水渠口)淹没水位高程；此高程可由上游原有水电站既有的设计技术资料中查得。 

h_dz——下游尾水余能处理装置动作前后可变水位；此数值主要由上游水电站发电机组性能指标确定。由于本实用新型的安装是依托于原有发电站设施的基础上进行的二次能源开发，上游水电站发电机组已经安装完毕，技术指标已经确定，故上下游的水文条件变化过大，则会影响到上游水电站发电机组的出力和发电效率。因此，必须经过对上游原有电站的发电机情况详细分析研究后才可得出。在允许的范围内，h_dz的应取较大值，为下游尾水余能处理装置提供较大水头，获得更多的能量。 

h’——尾水池水位缓冲高度，此高度可根据上游水电站尾水池容积大小、上游水电站尾水口过水量情况取0.5m～1m不等。尾水池容积大、尾水口过水量小的水电站可相应取较小值，反之取值应稍大，以防尾水池尾水上涨过快漫过空气压缩机房和水闸。 

由于空气压缩机房在充当工作间的同时也兼有水坝的功能，因此空气压缩机房的基础及上部结构设计施工必须符合相关水利设施要求。 

尾水池水闸平时处于关闭蓄水状态，遇到尾水池修缮或设备维护等情况时打开放水。 

水轮机来水分别从对应的空气压缩机、增速器等设备左右两侧引入。水轮机包括水轮机机体、水轮机转轮和水轮机轴承。固定导叶通过焊接及锚栓连接水轮机机体与空气压缩机房基础内壁，同时由于导叶需要将在转轮前，导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲面。水轮机固定导叶(座环)导水机构的作用，一是形成和改变进入转轮的水流环量；二是连接固定水轮机机体，承受水流对水轮机产生的冲击荷载，三是为水轮机轴承提供支撑。 

水轮机转轮位于水轮机机体沿水流方向末端，转轮上有螺旋桨叶，浆叶开度由H_k、固定导叶开度、等决定。浆叶的轮径应满足以下条件： 

针对于上游尾水管以及下游水轮机系统都只有一个的情况，则 

    Q_sy≈Q_xy                    (2) 

$Q_{\mathrm{sy}}=\mathrm{\π}\×r_{\mathrm{sy}}^2\×v_{\mathrm{sy}}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{xy}}=\mathrm{\π}\×R_{\mathrm{xy}}^2\×v_{\mathrm{xy}}---\left(4\right)$

式中，Q_sy——上游原有水电站尾水渠过水量 

r_sy——上游原有水电站尾水渠口处管径 

V_sy——上游原有水电站尾水渠口处水流流速 

Q_xy——下游尾水余能处理装置水轮机浆叶断面处过水量 

V_xy——下游尾水余能处理装置水轮机浆叶断面处水流流速 

R_xy——下游尾水余能处理装置水轮机浆叶的轮径 

若上游电站规模较大，发电机组有n台，而下游尾水余能处理装置水轮机浆叶的轮径由于场地条件、运输条件、设备采购等方面的原因无法满足公式2中要求时，则可分设m台水轮机系统，满足以下公式要求 

Q_sy’≈Q_xy’            (5) 

${Q_{\mathrm{sy}}}^{,}=n\×\mathrm{\π}\×r_{\mathrm{sy}}^2\×v_{\mathrm{sy}}---\left(6\right)$

${Q_{\mathrm{xy}}}^{,}=m\×\mathrm{\π}\×R_{\mathrm{xy}}^2\×v_{\mathrm{xy}}---\left(7\right)$

式中，Q_sy——上游原有水电站尾水渠总过水量 

Q_xy——下游尾水余能处理装置水轮机浆叶断面处总过水量 

根据上述条件提供的参数在目前市场上专业的水轮机生产厂家提供的水轮机中选择合适的产品。 

水轮机轴承通过齿轮连接水轮机转轮和增速器，将水流带动水轮机所产生的动力传导至增速器处。由于水轮机轴承中间穿过空气压缩机房墙体，故须在水轮机轴承与墙体连接处设置水封，以防水流进入机房。 

增速器位于压缩机房内部，连接水轮机轴承与空气压缩机，这三者之间用机械齿轮实现能量的传递。通过增速器的调速作用，将水轮机轴承的转速调整为空气压缩机适用的转速。 

空气压缩机位于空气压缩机房内部。能量从增速器进入空气压缩机以后推动空气压缩机运转，空气压缩机通过对气体做功，将气体压缩为高压气体，并通过高压气管从储气罐进气口送入于高压气管相连的高压储气罐中。 

当需要发电时，高压储气罐内高压气体通过推动气动装置使发电机机械轴承转动，发电机机械轴承通过带动发电机组中的转子切割磁感线实现机械能与电能的转化。 

本实用新型的工作步骤分述如下： 

(1)枯水期时，尾水池水位高于下游水位，存在水头差，装置开机动作； 

(2)水流通过水轮机，推动桨叶转动，带动轴承； 

(3)通过增速器调速后，带动空气压缩机工作，能量转移入压缩空气中； 

(4)压缩空气通过管道，将能量传递至地面高压气体储存装置； 

(5)高压气体中的能量通过地面上的气动装置和发电机组设施转化为电能等形式。 

(6)丰水期时，下游水位接近尾水池水位，水头差过小，装置进入闲置期。 

本实用新型的工作注意事项分诉如下： 

(1)尾水池水位要在一定高度以上，保证出水口淹没高度，以免原水轮机发生气蚀损坏； 

(2)本组装置出水量应与上游水轮机尾水出水量相适应； 

(3)本组装置动作主要受下游水位控制，应在一最高水位与最低水位之间内动作。 

本实用新型发明原理有两点，一是使用本装置收集利用枯水期原有发电站尾水池与下游河道存在的水位差产生的落差势能；二是本实用新型中通过压缩空气这一能量载体，将河流 下游处水轮机产生的机械能高效地传输到位于地势较高处的发电机房中的发电机组处，实现能源的储存与转化。 

由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下有益效果：(1)由于发电机尾水的势能能量本身不大，若采用传统的水轮机发电发电系统将其直接转化为电能，电机购买及相应的电气设备配套系统安装维护成本巨大；现采用空气压缩机作为能量转化装置，结构简单，能实现对原有水电站尾水余能的高效利用。 

(2)采用空气压缩机代替发电机，将发电站尾水余能通过高压气体的储存再加以利用，从根本上避免了水轮发电机系统复杂的技术要求，基本上可以适用于各种水头、水量，简化了设计，拓宽了本装置的应用范围。 

(3)由于尾水池中尾水势能仅有在枯水期存在，并且由于此处地势较低，当丰水期到来时整个空气压缩机房会被淹没，机房内设备将会浸泡在水中。本实用新型采用的空气压缩机不怕浸入水中，当枯水期再次到来时，仅需对空气压缩机房略作清理即可马上投入使用，设备耐用性好。 

(4)从对环境影响的角度进行评估，本装置对环境的影响小，无需建设新的库区，侵占大片土地，改变当地生态环境，仅需对原有水电站的尾水池稍加改造即可。而且由于本装置的原理是利用排出后尾水的势能，理论上不会改变原有电站内水轮机的流体动力特性，因此可以认为，只要考虑公式1合理设计尾水池的水位高程，该装置的应用不会对原有电站的运行产生不利的影响。 

(5)该实用新型可以通过压缩空气蓄能调峰，提高尾水余能发电上网电价，提高尾水余能的开发利用价值。 

附图说明

图1是本实用新型的侧立面图： 

图中1.原有水电站出水口(尾水渠口)，2.尾水池，3.空气压缩机房，4.正常水位(上游原有水电站出水口淹没水位)，5.最高水位，6.固定导叶，7.水轮机转轮，8.浆叶，9.水轮机机体，10.水封，11.轴承，12.增速器，13.空气压缩机，14.空气压缩机房顶部，15.开机水位，16.高压气管 

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。 

参见图1，原水电站尾水池2位于水力发电站尾水余能处理装置空气压缩机房3的上游，处于地势较高处。空气压缩机房3位于原水电站尾水池2的水流方向末端。由于空气压缩机房3在充当工作间的同时也兼有水坝的功能，因此空气压缩机房3的基础及上部结构设计施工必须符合相关水利设施要求(具体指如《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-2000等一系列中华人民共和国行业标准)。水轮机包括水轮机机体9、水轮机转轮7和水轮机轴承11。固定导叶6通过焊接及锚栓连接水轮机机体9与空气压缩机房基础内壁，同时由于导叶6需要将在转轮7前，导叶6后的水流形成转轮7所需要的环量，故导叶6形状为空间扭曲面。水轮机转轮7位于水轮机机体9沿水流方向末端，转轮上有螺旋桨叶8，浆叶8开度由H_k、 固定导叶6开度等决定。浆叶8的轮径应满足公式2至公式4要求。根据上述条件提供的参数在目前市场上专业的水轮机生产厂家提供的水轮机中选择合适的产品。水轮机轴承11通过齿轮连接水轮机转轮7和增速器12，将水流带动水轮机转轮7所产生的动力传导至增速器12处。由于水轮机轴承11中间穿过空气压缩机房3墙体，故须在水轮机轴承11与墙体连接处设置水封10，以防水流进入室内。增速器12位于压缩机房3内部，连接水轮机轴承11与空气压缩机13，三者用机械齿轮实现能量的传递。通过增速器12的调速作用，可以将水轮机轴承11的转速调整为空气压缩机13适用的转速。空气压缩机13位于空气压缩机房3内部。能量从增速器12进入空气压缩机13以后推动空气压缩机13运转，空气压缩机13通过对气体做功，将气体压缩为高压气体。高压气管16连接有高压储气罐，高压气体通过高压气管16存储于高压储气罐中，当需要发电时才从储气罐中放出，带动气动装置发电机组发电，实现整个尾水能源的利用过程。 

以上实施例中所描述的设置情况仅为本实用新型的其中一种变化，以下所述部件可根据实际应用情况加以调节： 

(1)上述实施例中所描述的水轮机为竖井贯流式水轮机，在应用中可根据具体应用的条件，如水头、过水量等情况采用轴心贯流式等各种类型的水轮机。这些型号都可以从专业的水轮机制造厂商中购得。 

(2)上述实施例中所描述的水轮机和空气压缩机系统仅为按一套布置的情况，实际上根据实际需要，本实用新型可在空气压缩机房中安装多套系统，共同工作。 

(3)上述实施例中所描述的高压气体储存罐仅为高压气体储存的一种方式，在实际应用中，可根据本实用新型所安装的具体环境条件选择合适的存储方式或工具，例如当本实用新型安装地点附近有废旧坑道时，可对废旧矿坑进行密封处理，将压缩空气打入坑道内将能量储存起来，待用电高峰时释放出来发电，此种方式可使用于尾水余能蕴含量较大的电站，实现大规模的能源储存 

现有的水电站尾水池下游只有水闸和水坝，尾水池中积蓄的静力势能白白放走了。本实用新型在水电站尾水池中安装该装置，对能源加以利用。并且该装置区别于传统水轮机发电装置的地方在于，用空气压缩机替换传统装置中的发电机，传统装置中都是将水轮机直接与发电机相连。传统结构的发电装置在尾水池中并不适用。这是因为当丰水期时，下游水位上涨，会淹没整个尾水余能利用装置，由于发电机中有大量的电路设备，不能浸入水中。若将发电机安装在此处，丰水期到来时会造成重大损失。由于空气压缩机能够容许泡入水中，水退以后仅仅需要简单维护即可再次使用，在此处采用空气压缩机代替发电机能节约维护成本。另外，利用空气压缩机将能源打入压缩空气中存储起来，则利用起来更加稳定，能够减少传统的水轮发电机装置中的同步设备。 

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：包括原水电站尾水池、压力管道、空气压缩机房、尾水池水闸、出水管道、固定导叶、水轮机、增速器、空气压缩机、高压气管和发电机房，发电机房位于河流岸上地势高处，原水电站尾水池位于水力发电站尾水余能处理装置的上游，空气压缩机房及尾水池水闸组成水坝位于原水电站尾水池的水流方向末端，固定导叶连接水轮机与空气压缩机房基础内壁。

2.如权利要求1所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述水轮机包括水轮机机体、水轮机转轮和水轮机轴承，水轮机转轮位于水轮机机体沿水流方向末端，转轮上设有螺旋桨叶；水轮机轴承通过齿轮连接水轮机转轮和增速器，水轮机轴承中间穿过空气压缩机房墙体。

3.如权利要求2所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述水轮机轴承与空气压缩机房墙体连接处设有水封。

4.如权利要求1所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述增速器位于压缩机房内部，连接水轮机轴承与空气压缩机。

5.如权利要求1所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述高压气管连接有高压储气罐，通过空气压缩机压缩气体存入高压储气罐。

6.如权利要求1所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述导叶形状为空间扭曲面。

7.如权利要求1所述的水力发电站尾水余能处理装置，其特征在于：所述空气压缩机房及尾水池水闸两者并排，空气压缩机房的结构顶部标高与尾水池水闸顶部标高一致，或略高于尾水池水闸顶部。

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