集成水力發電站的製作方法

2023-10-05 07:45:39

專利名稱：集成水力發電站的製作方法
技術領域：
本發明是關於集成水力發電站。
自1878年和1927年，先後在德國建成世界上第一座水力發電站和抽水蓄能電站開始，各種型式的水電站便在各國發展起來。
現在常規水電站按徑流調節分類，有周日調節、年調節和多年調節水電站;按集中落差的方式分類，有壩式、引水式和混合式水電站;其它還有潮汐電站、梯級開發電站和抽水蓄能電站等。
有壓引水式水電站的建築物組成一般有深式進水口、壓力墜洞、調壓室、壓力水管、廠房和尾水渠等;河床式梯級開發電站是將一條河流分成幾段，將落差分段集中分段利用，使一個電站接著一個電站，上一級電站發電用過的水，又流入下一級電站的取水口繼續使用;抽水蓄能電站是利用可以兼做水泵和水輪機的蓄能機組，在電力負荷低谷時(夜間)做泵運行，用基荷機組發出的多餘電能將下水庫中的水抽到上水庫貯存起來，在電力負荷高峰時(下午或晚間)做水輪機運行，將水放下來發電。
常規水電站以天然水能發電，優點在於不需消耗其他能源，電能成本低。具有設備簡單、開停靈活迅速，以及廠用電少和不汙染環境等特點。抽水蓄能電站的優點是利用水作為媒介來儲蓄能量，滿足電力系統負荷變化的需要，改善系統中火電站的工作條件，減少燃料消耗。
常規水電站的弊病在於循環周期性長，出力可靠性差，設備利用率低，建站擇地性強，投資浪費性大。常規水電站一般都要與火電廠互補發電，才能滿足系統的需要。抽水蓄能電站與同等規模的常規水電站投資額相等，相比之下而效益特別低，廠耗電量大，出力得不償失。
從使用電的一個多世紀以來，人類爭相加速對化石燃料的跨世紀開採和越位使用，現在世界上燃料資源逐步減少，而能源需求量不斷增加，以及環境日益嚴重汙染所引起的地球溫室效應，已受到國際社會的關注，至使各國專家學者廣泛尋求化石燃料的替代能源和節能新途徑。
本發明的目的是提供一種不擇水域、大容量，常年無限循環、豐水出力，而且完全可以替代化石電廠而自成系統的集成水力發電站。
本發明集成水力發電站，是以負荷中心的穩定水源(人工池、江河湖海及水庫)為位能;以吞而不耗、吐而不棄之時時循環為調節方式;以河床式梯級電站梯級利用為原理，以數座常規有壓引水式電站和一座抽水蓄能電站或水泵站(圖12J式無)為基體，按照設計型式從上至下地用漸變壓力管道(池)，將數座常規水電分站按不同設計水頭梯級地集合起來，水從上池經壓力墜洞一條龍串入，逐次串入每座分站，上分站吞吐出力後，又把水吐給下分站繼續出力發電，形成各分站同時吞吐發電的流水出力生產線。水經最後分站出力發電後，底部水泵站分秒不停地將水分配還原。
集成水電站的設計型式是按照水出力循環的字母形流程軌跡來表示的，主要有T、V、S、D、W、L、J式等(見圖1、4、8至12)。T式適於缺水地區興建人工池集成電站;L式適於水源豐富，水位穩定的地區興建岸邊壩式、湖中龍宮式集成電站;J式適於興建地面高水頭無泵站集成電站;V、S、D、W式等適於興建盤旋有壓引水墜洞集成電站。
人工上池的池容應≥末分站5小時的額定流量，以確保機組在≤20℃的水溫下正常出力循環;上下分站水頭之差一般應在20米以上;每分站的總額定流量應≤末分站的總額定流量(不含備用容量)。
各分站的主、副廠房、變壓器房及出線井等，可以繞上池中心對稱軸，任意旋轉360°，以尋找穩定的地殼，以上下各分站不垂合為標準，將其澆築在各自水頭部分扇形區域內的墜洞中。有壓引水遂洞，交通井、通風井等可交叉或重合;
如圖1、表1所示本發明的(T式)集成水電站由梯級常規水電分站〔1〕至〔9〕(可多可少)、水泵站〔10〕、上池〔11〕錐池〔12〕、水輪發電機組或水泵〔14〕、各分站深式進、出水口及其閘閥室〔13〕、〔15〕、〔16〕、壓力墜洞及壓力鋼管〔17〕、水泵進、出水壓力鋼管〔18〕，設計水頭線〔19〕、下池〔20〕等組成。〔1〕至〔9〕分站各自的設計水頭〔19〕重合於上池〔11〕、錐池〔12〕中，池深513.4m，池容700萬m3。〔1〕至〔8〕分站均在各自水頭45°扇形區域內的墜洞中澆築主、副廠房等，〔9〕分站8臺機組與水泵站〔10〕12臺水泵相間安裝在錐池底部周圍的環形廠房內(見圖3);分站間最小水頭差27.1m;〔9〕分站總額定流量390m3/s，最大額定流量是〔5〕分站393m3/s，見表1，在調整各分站機組合數後(見圖2)，〔1〕至〔8〕分站與〔9〕分站基本上趨於同步流量。因此，此方案為優化集成方案。
首先啟開〔9〕分站取水口〔13〕，6臺機組〔14〕吞水出力發電並向下池〔20〕棄水，同時水泵站〔10〕先後啟動水泵〔14〕8臺，通過水泵進、出水壓力鋼管〔18〕、經出水口〔28〕，分秒不停地向上池〔11〕抽水循環。與此同時攪動了整個池〔11〕、錐池〔12〕的水向下作勻加速運動，這時可拾級而上啟動〔8〕、〔7〕……各分站的全部水輪發電機組〔14〕取水棄水，出力發電。這樣周而復始地吞而不耗、吐而不棄地出力發電並上下對流循環，提高了有限水量的無限利用率。集成前這九家抽蓄電站總出力為-310.9萬KW/時，出力得不償失，無與論比;集成後總出力為564.3萬KW/時;優化集成後總出力為685.2萬KW/時，較優化前提高21.4%，其規模相當於葛洲壩水電廠的2.5倍，而700萬m3的循環水是長江葛洲壩所微不足道的，也是缺水地區所不難儲蓄的水量。因此，相對已有技術，集成水電站是不擇地域、不擇水域的大容量集團型水電站，具有替代化石電廠而自成系統的廣闊前景。由於它可以常年按設計水頭〔19〕豐水出力發電，因而克服了常規電站循環周期長，出力可靠性差和設備利用率低的弊端;使用人工上下池〔11〕、〔12〕、〔20〕，既四季運行無幹擾，又可免除攔汙柵等設施，水面無雜物、冰塊、且夾帶泥沙少，因此出淤量小，這樣可以延長電站與機組的使用壽命。
各分站壓力墜洞〔17〕的取水口〔13〕與上分站棄水口〔15〕在池壁自動閘閥室〔16〕相聯結，所有分站啟開閘閥〔16〕屬於並聯運行;只開〔1〕分站進水口〔13〕和〔9〕分站尾水口〔15〕，其餘閘閥〔16〕全關閉，屬於串聯運行;閘閥〔16〕有的全開有的全關屬於混聯運行;一般情況下閘閥〔16〕是處於半啟閉狀態下運行出力的。
在〔2〕分站全停臺不出力時，啟開〔2〕分站尾水口池壁閘閥〔16〕關閉〔15〕，〔3〕分站便可滿負荷出力;在〔2〕分站全停臺之後又需再啟動之時，這時可啟開〔2〕分站尾水口閘閥〔15〕，關閉〔16〕，讓〔3〕分站抽取〔2〕分站墜洞尾水的同時，啟動〔2〕分站水輪機組〔14〕出力，這樣自動配合，可以減輕水錘;在上下各分站都運行出力，且運行機臺，流量多少不等的情況下，閘閥〔16〕常處於半啟閉狀態，這樣便於上分站尾水上呼下吸高速佔先進入下分站取水口〔13〕，同時具有自行調節水量的作用;在操作運行上，上分站對下分站沒有約束，只有最後〔9〕分站和水泵站〔10〕對各分站〔1〕至〔8〕具有同步約束力。即〔1〕至〔8〕分站只能以≤〔9〕分站的即時流量同步運行，不可能超越〔9〕分站即時流量非同步運行。如果〔9〕分站或水泵站〔10〕全部停臺，則全廠出力中止。因此集成電站宜在同步運行的前提下，按系統需要而兼顧各分站機組運行出力、輪休、維修與事故備用等。由於所轄分站多、機臺多、備用機組和備用水泵也多，而開臺的多與少和水的耗量及外因沒有關係，因此點多面大，靈活機動，易於調度，相對已有技術，集成電站具有穩定基荷、調峰調頻和事故備用等靈活多變的明顯優勢。由於底部水泵站〔10〕吐水耗電量僅相當於〔9〕分站吞水發電量的4/3倍，這樣整個集成電站付出一個多〔9〕分站的發電量，而實際賺回的是將近〔1〕至〔8〕分站發電量之和。因此對於改造抽水蓄能水電站借四還三的現狀具有很大的潛力，對於高水頭常規水電站，一旦改造為J式集成水電站(圖12)後，不僅可以增加容量，而且具有延長豐水出力時間和避免耗電抽蓄的優勢。
〔9〕分站和水泵站〔10〕是確保集成電站同步運行的關鍵分站，因此安裝備用機組2臺、備用水泵4.2臺。8臺機組與12臺水泵，以2∶3的比例，相同安裝在錐池〔12〕底部周圍環形廠房內(也可分開安放)，4根水泵出水壓力鋼管〔18〕在上池〔11〕等弧排列。水泵〔14〕在下池〔20〕的水位線〔26〕以下抽水循環。J式下池為下遊河道(圖12)，部分L式下池即為上池(圖10)。下池可大可小，一般以≥末分站一小時額定流量為宜，便於水散熱和溶解氣泡，水泵站〔10〕不停地把水抽回上池〔11〕還原，再變為位能。容量小的下池，則必須有一部分水泵直接從錐池底水或末分站尾水口抽水循環。下池宜可分段落閘，既不影響抽水循環，又便於不定期排水後機械化去淤。
為了減輕水錘震力，進水壓力墜洞〔17〕設有進機臺分岔壓力鋼管〔17〕和旁通管〔17〕，並設有自動閘閥〔22〕，末站設有尾水管調壓室〔23〕，水泵出水壓力鋼管〔18〕設有三級自動閘閥〔21〕;為了上下分站充分利用尾水餘能，機臺轉輪出口設有直錐形尾水管〔24〕，各機組尾水一般在並聯(或部分並聯)後，尾水壓力墜洞〔17〕直(斜)向下延伸到下站取水口〔13〕;為了降低氣蝕現象，在尾水管〔24〕，取水口〔13〕等處設有進氣孔〔27〕。
為了補充水量，穩定設計水頭〔19〕，〔1〕分站設有客水取水口〔25〕。如果取水口〔25〕的外來水源很豐富，那麼水泵站〔10〕則可以配水棄水。即利用水泵站大量耗電被動抽循環水這個手段，除達到出力發電的主要目的外，還可以利用地下特有的條件制H2制O2，主動花樣棄水，達到充分提高集成電站的經濟效益和社會效益的雙重目的。(一)在下池〔20〕附近構築液化氫專用池及其他設施，在系統低谷時，可以電解水分子，儲蓄H2，出售O2，多餘的O2隨時排向城市上空，可以淨化城市空氣，優化城市環境，收到人工植被的效果;H2可以隨時用管道泵送給就近的火電廠或液化氣站，可作發電調峰用(為集成電站普及前的權宜之計)，還可供應鍋爐、飛機和汽車作燃料，供應城鄉人民生活之用，以儘快改變社會能源結構、縮小能源需求差距，收到以水代油，以水代煤的效果;(二)可將水隨時供給城市自來水公司，供應工業生產和人民生活之用，以縮小社會的二次耗能面，降低成本，收到節能增收的效果;(三)轉向調水，可與其他集成電站全面規劃配套，將淡水源源不斷地輸送給遠方缺水的廣大城鄉，彌補地區降雨差異，為工農業生產服務，收到人定勝天、增產增收的效果。這樣長期堅持配水棄水，社會則受益非淺。
在就地利用穩定水源的同時，還應結合當地橋梁、江(河、海)底墜道及其他地下工程項目，全面擇型規劃。這樣既可以減少架橋修路配套工程，又可以削減投資額，提高配套工程利用率，儘快竣工和收回全部投資效益;同時還頗具遊樂觀光價值，她是永遠懸浮在電力負荷中心的一幅幅不再汙染、更加美麗的水彩欣賞畫。


圖1狄諾維克集成水電站示意圖(T式);
圖2狄諾維克集成水電站俯視圖;
圖3狄諾維克集成水電站〔9〕分站與水泵站〔10〕俯視圖;
圖4巴斯康蒂集成水電站示意圖(V式);
圖5圖4A-A放大圖;
圖6a、巴斯康蒂抽水蓄能電站俯視圖;
b、巴斯康蒂集成電站俯視圖;
c、巴斯康蒂集成電站優化集成俯視圖。
圖7S式集成電站流程示意圖;
圖8D式集成電站流程示意圖;
圖9W式集成電站流程示意圖;
圖10L式集成電站流程示意圖(水中);
圖11L式集成電站流程示意圖(岸邊壩式);
圖12J式集成電站流程示意圖。
1～3圖標號說明〔1〕PoZydovo〔6〕JAOKutataragi波蘭，孜多俄日本，奧多多良木〔2〕USMuddyRun〔7〕JAOKuyahagi美國，莫狄侖日本，奧亞哈木〔3〕JAKisenyama〔8〕JATamahara日本，喜撰山日本，玉原〔4〕BECoo比利時，庫〔9〕UKDinorwic〔5〕USRaccoonMountain英國，狄諾維克美國，拉孔山〔10〕水泵站;
〔11〕上池;〔3〕JAAzumi〔12〕錐池;日本，愛竹密〔13〕深式進水口;〔4〕JAShinToyonne〔14〕水輪發電機組、水泵;日本，新豐根〔15〕深式出水口;〔5〕USRaccoonMountain〔16〕進、出水口閘閥室;美國，拉孔山〔17〕壓力墜洞;〔6〕USBathCounty〔18〕水泵進、出水壓力鋼管;美國，巴斯康蒂〔19〕上池設計水頭線;〔7〕水泵站;
〔20〕下池;〔8〕進水壓力管道;
〔21〕水泵三級閘閥;〔9〕上池;
〔22〕進機臺岔管閘閥;〔10〕深式進水口;
〔23〕尾水調壓室;〔11〕調壓塔;
〔24〕直錐形尾水管;〔12〕自動閘閥室;
〔25〕客水進水口;〔13〕水輪發電機組、水泵;
〔26〕下池水位線;〔14〕直錐形尾水管;
〔27〕氣孔;〔15〕水壓線;
〔28〕水泵壓力鋼管出水口;〔16〕尾水調壓室;
〔17〕下池;
4～6圖標號說明〔18〕水泵進、出水壓力鋼管;
〔1〕USThermolito〔19〕異地上池;
美國，帖爾模裡託〔20〕氣孔;
〔2〕USSmithMtn美國，史密斯山
7～12圖標號說明〔5〕水輪發電機組;
〔1〕上池;〔6〕下池;
〔2〕深式進水口;〔7〕水泵站;
〔3〕進水壓力管道;〔8〕出水壓力管道;
〔4〕分站廠房;〔9〕出水口。
附表一附表二實施二例一、(T式)集成水力發電站參照圖1、表1將PO Zydovo波蘭，孜多俄〔1〕、US Muddy Run美國，莫狄侖〔2〕、JA Kiseuyama日本，喜撰山〔3〕、BE Coo比利時，庫〔4〕、US Raccoon Mountain美國，拉孔山〔5〕、JA OKutataragi日本，奧多多良木〔6〕、JA OKuyahagi日本，奧亞哈木〔7〕、JA Tamahara日本，玉原〔8〕梯級地集合在UK Dinorwic英國，狄諾維克〔9〕和水泵站〔10〕的上部，組成一個集成水力發電站。〔1〕至〔9〕分站各自的設計水頭〔19〕重合於上池〔11〕、錐池〔12〕中，設計水頭〔19〕即池深513.4m，水池容量700萬m3(其中上池562萬m3，錐池138萬m3)，為〔9〕分站5小時的額定流量。優化集成前，〔2〕、〔4〕、〔5〕分站因超額定流量，共有7臺機組受阻被裁減，受阻功率為122.7萬Kw/時，〔1〕、〔3〕、〔7〕、〔8〕分站因達不到〔9〕分站390m3/S的額定流量，共新增7臺機組，新增功率為120.9萬Kw/時，另外〔9〕分站增加2臺備用機臺，水泵站〔10〕增加備用水泵6臺(實際超同步水泵4.2臺);除〔5〕分站＞〔9〕分站3m3/S額定流量而略顯出力不足外，其餘分站均≤〔9〕分站額定流量，通過調整，機組未增加，其功率為685.2萬KW/時，比優化集成前的564.3萬Kw/時提高21.4%因此這為優化集成方案。狄諾維克等九家抽水蓄能電站如果作為常規電站發電，也必須以全年3/4的時間豐水出力，才能與此優化集成電站出力持平。
見圖1、2、3，優化集成後，因〔1〕至〔9〕分站的上下分站間流量各不相同，自動閘閥〔16〕只能是半啟閉狀態，便於調節水量。首先啟開〔9〕分站深式進水口〔13〕取水出力發電，再拾級而上啟開各分站深式取水口〔13〕取水，各分站水輪發電機組〔14〕吞水出力發電，〔1〕至〔8〕分站直錐形尾水管〔24〕將水經壓力墜洞〔17〕吐出深式尾水口〔15〕，再進入下分站深式取水口〔13〕，就這樣自上而下水經各分站層層出力發電，最後進入〔9〕分站出力發電後，吐入下池〔20〕中(池容140萬m3，為〔9〕分站一小時的額定流量)，水在下池〔20〕溶解氣泡和散熱30分鐘後，由水泵〔14〕將水經進、出水壓力鋼管〔18〕，不停地抽回上池〔11〕還原。水在上池〔11〕經過4小時散熱後又進入錐池〔12〕周而復始地出力發電。
二、(V式)集成水力發電站參照圖4、5、6和表2將USThemolito美國，貼爾模裡託〔1〕、USSmithMtn美國，史密斯山〔2〕、JAAzumi日本，愛竹密〔3〕、JAShinToyonne日本，新豐根〔4〕、USRaccoonMountain美國，拉孔山〔5〕梯級地集合在USBathCounty美國，巴斯康蒂〔6〕和水泵站〔7〕的上部，用三根進、出水壓力管道〔8〕將其一一聯結起來，組成一個集成水電站。其三根壓力管道直徑8.6m，各長2500m，設計水頭329m。圖6，a、〔1〕至〔6〕家抽水蓄能電站集成前總出力為-139.81萬Kw/時，出力得不償失;圖6，b、集成後出力為107.8萬Kw/時，因〔1〕、〔4〕、〔6〕分站有三臺機組完全不能出力，5臺機組抽水與發電時間各半，受阻功率有161.23萬Kw/時;圖6，c、為集成後，增加一根2500m長的壓力管道，這樣就有兩根壓力管道進水發電，同時另外兩根壓力管道抽水循環;〔2〕至〔5〕分站各調為4臺機組，〔1〕、〔6〕分站和水泵站〔7〕分別有5、6臺機組、8臺水泵，這樣總出力為289.51萬Kw/時，比優化前提高168.56%。因此，圖6，c為巴斯康蒂集成電站優化集成方案。上池〔9〕中的水進入取水口〔10〕，經調壓塔〔11〕、自動閘閥室〔12〕，串入〔1〕分站，衝動水輪發電機組〔13〕出力，再進入直錐形尾水管〔14〕，並匯合自動閘閥〔12〕溢出的水，一同串入〔2〕分站出力發電，再依次串入各梯級分站，各分站機組〔13〕保證在水壓線〔15〕上正常運行。最後經〔6〕分站出力發電後，水再經尾水調壓室〔16〕，進入下池〔17〕，水泵站〔7〕用水泵〔13〕把水經出水壓力鋼管〔18〕排向異地上池〔19〕。如此往復循環出力發電。


權利要求
1.一種集成水力發電站，由常規水電分站[1]至[9](可多可少)、水泵站[10]、上池[11]、錐池[12](或漸變管)、水輪發電機組或水泵[14]、深式進、出水口與池壁閘閥室[13]、[15]、[16]、水輪機組進、出水壓力墜洞或壓力鋼管[17]、水泵進、出水壓力鋼管[18]、設計水頭線[19]、下池[20]等組成，各分站按設計型式、各自的設計水頭梯級地集合而成。
2.根據權利要求1所述的集成水電站，其特徵在於按照某種型式集合而成，用字母來表示水出力的流程軌跡所組成的設計型式有T、V、S、D、W、L、J式等，各種型式的集成電站均可隨時自動調節閘閥〔16〕，形成並聯、串聯或混聯流水出力發電生產線。
3.根據權利要求1至2所述的集成水電站，其特徵在於尋找優化集成方案，一般要求上下分站的水頭之差在20米以上，經過調整機組臺數後，每分站的額定流量應≤未分站〔9〕的額定流量，〔9〕分站與水泵站〔10〕須留有備用容量，其餘參數不變。
4.根據權利要求1至3所述的集成水電站，其特徵在於必須有上池〔11〕作位能，其上池類型有T式人工上池〔11〕、〔12〕，成圓(稜)錐(臺)體形狀，上大下小，直徑不限，以利於施工與安裝為妥，V、S、D、W、L式集成電站上池應就地利用水庫(江河湖海)等位能，均以地殼與水位〔19〕穩定為宜，J式是以高水頭水庫為位能的一種不要下池與水泵站的集成水電站。
5.根據權利要求1至4所述的集成水電站，其特徵在於底部一般有下池〔20〕，下池容量以末分站〔9〕一小時的額定流量為宜，下池容量小或無下池的，必須有水泵或水泵水輪機組〔14〕直接從上池池底〔12〕或末分站〔9〕尾水口〔15〕抽水循環，下池〔20〕宜可分段落閘，便於排水後機械化去淤，J式集成電站的下池是下遊河道，部分L式集成電站的末分站是直接抽取上分站尾水的水泵站，即下池就是上池。
6.根據權利要求1至5所述的集成水電站，其特徵在於〔1〕至〔9〕分站的設計水頭〔19〕集中重合於上池〔11〕、錐池〔12〕中，其調節方式為上池〔11〕、錐池〔12〕的水進入壓力墜洞〔17〕，再與水泵出水壓力鋼管〔18〕形成上下對流、數站同時多層次吞吐出力發電、時時循環的格局，J式集成電站數站同時取水發電，末分站一口朝下遊河道棄水，J式集成電站仍然依靠太陽年調節循環。
7.根據權利要求1至6所述的集成水電站，其特徵在於各分站〔1〕至〔10〕廠房及其他地下建築，澆築在多層次扇面墜洞中或梯級壩體內，均以上下分站不垂合為宜，主廠房〔1〕至〔10〕以接近上池池體而不受其張力影響為妥。
8.根據權利要求1至7所述的集成水電站，其特徵在於〔1〕至〔9〕分站壓力墜洞〔17〕設有深式進、出水口池壁閘閥室〔16〕、機組岔道壓力鋼管〔17〕設有閘閥〔22〕、〔9〕分站設有尾水管調壓室〔23〕、水泵出水壓力鋼管〔18〕設有自動三級閘閥〔21〕。
9.根據權利要求1至8所述的集成水電站，其特徵在於各機組〔14〕轉輪出口有一直錐形尾水管〔24〕，各機組尾水並聯後(或單獨)，壓力墜洞〔17〕直向(斜向)下延伸至下站取水口〔13〕，尾水管〔24〕、取水口〔13〕等處設有進氣孔〔27〕。
10.根據權利要求1至9所述的集成水電站，其特徵在於〔1〕分站設有客水取水口〔25〕，便於隨時補充水量以穩定設計水頭〔19〕，客水〔25〕豐富的集成水電站抽水循環為配水棄水，建有制H2制O2，供水調水等配套設施。
全文摘要
本發明是集成水力發電站，它是以地殼穩定的水源為位能，按設計型式從上至下梯級地集合數座常規水電分站，進水漸變管(池)將各分站聯結起來，形成水龍串入、數站同時吞吐發電、底部水泵站配水棄水之無限循環。其容量為數座規模相等的常規水電站常年豐水發電量之和或與其水泵站耗電量之差。
文檔編號F03B13/06GK1040251SQ8910224
公開日1990年3月7日 申請日期1989年4月8日 優先權日1989年4月8日
發明者丁華清 申請人:丁華清