CN205503349U - 综合水力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种综合水力发电系统，水道由依次连接的均为倾斜向下设置的水道入口段、水道中间段和水道引流段三部分组成，水道中间段倾斜度最小；水道中间段内设有发电机组B，发电机组B的上游设有发电机组A，水道引流段内设有发电机组C，发电机组A、发电机组B与发电机组C共用同一条水道。发电机组A可以位于水电站坝体外，也可位于坝体内。通过科学的布局，进行资源的整合，使三种不同发电模式的机组都能满足其流量及压力需求，将巨大的水力势能最大限度、最高效率地转化为电能。系统结构简单，性能可靠，工作效率高，发电率大，可使装机容量最大化，水能利用率最大化，尤其适用于蓄水高程270m以上的超高坝、大流量的水电站。

Description

综合水力发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种水力发电系统，尤其涉及一种适用于超高坝型水电站的高效、综合的水力发电系统。

背景技术

水力发电(Hydroelectric power)是利用河流、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含之位能转换成水轮机之动能，再藉水轮机为原动力，推动发电机产生电能。

传统的水力发电系统如图1所示，在水电站坝体1内设有水道2，水道2顶部入口即为进水口3，水道2内设有一柱状阀4，水道2底部设有一水力涡轮机5，水力涡轮机5连接发电机6。工作时，打开柱状阀4，水从进水口3进入水道2，沿水道2倾泻而下，并推动水力涡轮机5做功，进而推动发电机6工作，产生电能。

传统的水力发电系统存在如下缺陷：

1、水能利用率低。对于高坝型水电站，尤其是长江三峡水电站、溪洛渡水电站等超高坝水电站，其具有巨大的水能，但是水道底部仅配置了一台水力涡轮机，机组装机容量较小，无法对水能进行充分利用。如长江三峡水电站目前的发电率只有50％。

2、水力涡轮机运转时，其有一半的叶片会形成反向水流，对涡轮机产生逆势影响，降低了水力涡轮机的工作效率，从而也影响了整机机组的效率。

为了解决上述问题，申请人已申请了专利“一种连续机组水力发电系统”，申请号为201510993308.5，其在水道两侧设置两排机组，提高了系统的装机容量，可以充分利用水能。同时，水力涡轮机一半设于水力涡轮机屏蔽凹槽内，水力涡轮机屏蔽凹槽可以减少反向水流对涡轮机的逆势影响，使水力涡轮机动能输出最大化。此外，在水道末端向下折弯增加水道引流段，水道引流段以一定的高度落差给机组的流体产生强大的牵引力作用，提高了水体流速，水流在几乎垂直的下降通道中所产生的重力加速度作用，确保了整个机组的转速。

但是上述连续机组水力发电系统中，若坝型足够高，尤其是对于270m以上蓄水高程的超级电站，水体落下的超大压力易将水道前端的机组冲毁，同时从水道引流段落下的水体依然有很大的势能，却未能得到充分利用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何极大可能地利用超高坝、大流量水电站的巨大水能进行发电。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种综合水力发电系统，其特征在于：水道由依次连接的均为倾斜向下设置的水道入口段、水道中间段和水道引流段三部分组成，水道中间段倾斜度最小；

水道中间段内设有发电机组B，发电机组B的上游设有发电机组A，水道引流段内设有发电机组C，发电机组A、发电机组B与发电机组C共用同一条水道。

优选地，所述水道入口段与水道中间段之间的夹角为钝角，所述水道中间段与水道引流段之间的夹角为钝角或直角。

优选地，所述水道入口段设于水电站坝体内，所述水道入口段的顶部入口即为进水口；所述水道入口段内设有柱状阀。

优选地，所述发电机组A设于所述水电站坝体内的水道入口段内，发电机组A的出水通过柔性管道与所述水电站坝体外的发电机组B连接。

优选地，所述发电机组A设于所述水电站坝体外部，且位于所述水道中间段的起始段内。

优选地，所述发电机组A包括圆形墙体，圆形墙体内均匀分布有涡轮机，涡轮机连接发电机。

优选地，所述水道中间段至少一侧的墙体内设有至少一个用于减少反向水流对水力涡轮机的逆势影响的水力涡轮机屏蔽凹槽，水力涡轮机设于水力涡轮机屏蔽凹槽内，水力涡轮机连接发电机。

优选地，所述水力涡轮机屏蔽凹槽为半圆形，所述半圆形大小与半个所述水力涡轮机的大小相匹配。

优选地，所述水道中间段两侧相对设置的两台所述水力涡轮机之间留有中央水流通道。

优选地，所述水道中间段末端的延伸线上设有水道缓冲区。

优选地，所述发电机组C在水道引流段内竖直方向分层布置，水道引流段上方设有真空泵。

优选地，水流首先驱动发电机组A做功，将部分水力势能转化为电能；发电机组A出来的水体再驱动水道中间段内的发电机组B做功，此时，水流在经过前一组水力涡轮机后流速慢下来的过程中，又会在中央相对高速的水流的带动下提高流速，继而带动下一组水力涡轮机运转；水道引流段通过高度落差给流体产生牵引力，形成引流作用，以提高水道中间段内的水流速度，同时，发电机组B出来的水体还会驱动水道引流段内的发电机组C做功。

本实用新型提供的综合水力发电系统，将三种模式的发电机组共用一条水道，采用一水多机组、多模式运行发电。通过科学的布局，进行资源的整合，使三种不同发电模式的机组都能满足其流量及压力需求，将巨大的水力势能最大限度、最高效率地转化为电能。首先通过发电机组A消化掉一部分水压力，使其不至于对水道中间段内的发电机组B造成破坏。在水道中间段两侧设置两排机组，提高了系统的装机容量，可以充分利用水能。同时，水道中间段内的水力涡轮机一半设于水力涡轮机屏蔽凹槽内，水力涡轮机屏蔽凹槽可以减少反向水流对涡轮机的逆势影响，使水力涡轮机动能输出最大化。在水道末端向下折弯增加水道引流段，水道引流段以一定的高度落差给机组的流体产生强大的牵引力作用，提高了水体流速，水流在几乎垂直的下降通道中所产生的重力加速度作用，确保了整个发电机组B的转速，同时水道引流段内的发电机组C还可以利用发电机组B的弃水做功，将水力势能利用到极致。

本实用新型提供的系统克服了现有技术的不足，结构简单，性能可靠，工作效率高，发电率大，可使装机容量最大化，水能利用率最大化，尤其适用于蓄水高层270m以上的超高坝、大流量的水电站。

附图说明

图1为传统的水力发电系统示意图；

图2为实施例1提供的综合水力发电系统主视图；

图3为“环流式”机组俯视图；

图4为“合流式”机组俯视图；

图5为“引流式”机组俯视图；

图6为“引流式”机组纵向剖视图；

图7为实施例2提供的综合水力发电系统主视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

综合水力发电系统包括从上流至下游依次布置的“环流式”、“合流式”、“引流式”三种发电模式的机组，三种发电模式的机组共用一条水道，同时运行发电。该发电模式适合蓄水高程270m以上的超高坝、大流量的水电站，通过科学的布局，进行资源的整合，以确保三种不同发电模式的机组都满足其所需要的流量及压力需求，将巨大的水力势能最大限度、最高效率地转化为电能。

图2为本实施例提供的综合水力发电系统示意图，所述的综合水力发电系统包括水道，水道由依次连接的水道入口段2-1、水道中间段2-2和水道引流段2-3三部分组成。水道入口段2-1、水道中间段2-2和水道引流段2-3均为倾斜向下设置，水道中间段2-2倾斜度最小。水道中间段2-2末端向下折弯，形成水道引流段2-3。水道入口段2-1与水道中间段2-2之间的夹角为钝角，水道中间段2-2与水道引流段2-3之间的夹角为钝角或直角。

水道入口段2-1设于水电站坝体1内，水道入口段2-1的顶部入口即为进水口3，水道入口段2-1内设有柱状阀4。

发电机组A-“环流式”机组，可以设于水电站坝体1内，也可以设于水电站坝体1外。结合图3，发电机组A包括圆形墙体，圆形墙体内均匀分布有涡轮机，涡轮机连接发电机，形成发电机组。

当设于坝内时，即将发电机组A设于水道入口段2-1内。为了计算方便，假设水库正常水位300m高程，采用半潜式平台，将环流式机组潜深至距水面-120m工作深度，这样环流式机组所需的压力、流量、流速、进水条件得到全部满足。发电机组A的出水采用具备一定强度的柔性管道与坝外第二机组水道连接，这样便具备了发电条件。环流式工作压力11.5-12kg/cm²，流速115-120m/s，具备极大动能和冲击力，故而环流式涡轮机尺寸并不很大，直径15m(连控制阀)，高8m左右，装机300-600万千瓦(台)，4台一组，每台机组秒流量大于1800m³，4台耗水7200-8000m³/s，正好满足后两种机组发电模式耗水需要，完美结合。半潜式平台的好处是水位上下变化50m左右对它毫无影响，因为这种浮式平台可随库容水位升降而升降，始终保持这个水位，除非满足不了压力11.5kg/cm²、流速115m/s的要求。譬如说出水口-150m高层，库内水位降至250m，三种机组依然可以发电。

当设于坝外时，即将发电机组A设于水道中间段2-2内起始段。这种方式机组施工方便，发电能力与上述半潜式一样，问题是它不能控制来水压力和秒流量，尤其是满库容时的巨大压力、巨大流速很难控制。

上述两种“环流式”互有利弊，但是巨大的单机容量和发电量具有极大的市场价值，尤其是在270m以上蓄水高程的超级电站，充当第一高级、高效发电模式具有重大的市场价值。另外，这种“环流式”机组发电模式的神奇之处在于它可采用数百千瓦(台)-600万百千瓦(台)都是一个模式，而且耗水并不多，同时还可以发电后的水再利用“合流式”连续机组发电。一台300万千瓦机组秒耗水量1800m³，它的瞬间冲击动能高达5万吨，以这种持续发电模式的动能完全可以驱动一台300万千瓦的发电机正常运行。

发电机组B-“合流式”机组，设于水道中间段2-2内，位于发电机组A的下游。结合图4，水道中间段2-2两侧的墙体内对称设有半圆形的水力涡轮机屏蔽凹槽7，水力涡轮机屏蔽凹槽7为半个水力涡轮机大，水力涡轮机5一般设于水力涡轮机屏蔽凹槽7内，水道两侧相对设置的两台水力涡轮机为一组。两排水力涡轮机设置，可以充分利用水能，使水力涡轮机动能输出最大化。同时，水力涡轮机屏蔽凹槽可以减少反向水流对涡轮机的逆势影响。水力涡轮机5连接发电机6。

“合流式”机组中，每台机组装机容量为60～80万千瓦，每条水道可对称布局6～8组，即12～18台水力涡轮机，当然，具体的台数，还需根据特定工况下的电站流量来设定。

水道中间段2-2起始端高度为100m，末端高度为90m。水道中间段2-2两侧墙体之间的水道宽度为9.8m。相对设置的两台水力涡轮机之间留足3m的距离，这样水流速度在经过水力涡轮机后流速慢下来的过程中，又会在中央相对高速的水流的带动下恢复流速，继而带动下一机组运转，如此直至末端机组。

“合流式”机组发电利用水压力大于10kg/cm²、流速大于100m/s、流量8000m³/s的剩余价值，采用8组*2台-12组*2台，单机容量60万千瓦(台)，单条水道采用100m下降10m坡道设计，这样有利于保持水道内流速，并不影响机组之间水平稳定。当库容降低时，可采用减少(递减)机组方式发电。

发电机组C-“引流式”机组，设于水道引流段2-3内，位于发电机组B的下游，在水道引流段2-3上方设有真空泵8，在整个系统工作之前，首先开启真空泵，达到-0.1～-0.2kg的真空压力时关闭。“引流式”机组采用前两级发电弃水再利用，采用重力引流原理，这种发电模式动能转化率70％左右，超过轴流式50％的动能转化率。由于8000m³/s来水破坏力巨大，需要降低来水能量，消减方法只有拉长、加宽水道引流段的横截面。

如图5所示，水道引流段内每一层平面布局2组60万千瓦机组和6-8组80万千瓦机组，位于两侧的机组采用横向布置(即与水道中间段来水方向垂直)，位于中间的机组采用轴向布置(即与水道中间段来水方向平行)，垂直方向布置3-5层，同轴布置的相邻层之间的机组通过水道相连，如图6所示，这样就消化了这8000m³/s来水。

按每一层平面布局2组60万千瓦机组和6组80万千瓦机组，垂直方向布置3层计算。从80m高层每隔15m设一机组，其中，60万千瓦直径6.8m*10m，80万千瓦直径8m*12m，加上水道高度15m左右一层、垂直向设3层机组，剩下30几米作引流腔低速引流，三十几米引流采用垂直角度。水道引流段2-3底部0m线以下还设有-20m的缓冲区域，以确保安全。

以溪洛渡水电站平均流量大于1万m³/s计算，暂设一条水道、三种模式的发电量、流量按8000m3/s计，溪洛渡水电站涡轮发电机装机容量达到4000万千瓦，相比传统的1480万千瓦，本实施例提供的综合水力发电系统的发电量是传统的2.7倍。

实施例2

图7为本实施例提供的综合水力发电系统示意图，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：在水道中间段2-2末端的延伸线上设有水道缓冲区2-4。水流从水道中间段2-2倾泻而下后，部分水直接从水道引流段2-3落下，部分水经水道缓冲区2-4缓冲后从水道引流段2-3流下。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：从上流至下游仅依次布置“环流式”、“合流式”两种发电模式的机组，两种发电模式的机组共用一条水道，同时运行发电。

这种方式虽然水能利用率较实施例1低，但相对传统的水力发电系统还是高的。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：从上流至下游仅依次布置“合流式”、“引流式”两种发电模式的机组，两种发电模式的机组共用一条水道，同时运行发电。

这种方式虽然水能利用率较实施例1低，但相对传统的水力发电系统还是高的。

Claims (10)

1.一种综合水力发电系统，其特征在于：水道由依次连接的均为倾斜向下设置的水道入口段(2-1)、水道中间段(2-2)和水道引流段(2-3)三部分组成，水道中间段(2-2)倾斜度最小；

水道中间段(2-2)内设有发电机组B，发电机组B的上游设有发电机组A，水道引流段(2-3)内设有发电机组C，发电机组A、发电机组B与发电机组C共用同一条水道。

2.如权利要求1所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述水道入口段(2-1)设于水电站坝体(1)内，所述水道入口段(2-1)的顶部入口即为进水口(3)；所述水道入口段(2-1)内设有柱状阀(4)。

3.如权利要求2所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述发电机组A设于所述水电站坝体(1)内的水道入口段(2-1)内，发电机组A的出水通过柔性管道与所述水电站坝体(1)外的发电机组B连接。

4.如权利要求2所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述发电机组A设于所述水电站坝体(1)外部，且位于所述水道中间段(2-2)的起始段内。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述发电机组A包括圆形墙体，圆形墙体内均匀分布有涡轮机，涡轮机连接发电机。

6.如权利要求1所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述水道中间段(2-2)至少一侧的墙体内设有至少一个用于减少反向水流对水力涡轮机的逆势影响的水力涡轮机屏蔽凹槽(7)，水力涡轮机(5)设于水力涡轮机屏蔽凹槽(7)内，水力涡轮机(5)连接发电机(6)。

7.如权利要求6所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述水力涡轮机屏蔽凹槽(7)为半圆形，所述半圆形大小与半个所述水力涡轮机(5)的大小相匹配。

8.如权利要求6所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述水道中间段(2-2)两侧相对设置的两台所述水力涡轮机(5)之间留有中央水流通道。

9.如权利要求1所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述水道中间段(2-2)末端的延伸线上设有水道缓冲区(2-4)。

10.如权利要求1所述的一种综合水力发电系统，其特征在于：所述发电机组C 在水道引流段(2-3)内竖直方向分层布置，水道引流段(2-3)上方设有真空泵(8)。