潮汐電站可逆式水輪泵及其蓄能運行方法

2023-05-29 23:56:26 1

專利名稱:潮汐電站可逆式水輪泵及其蓄能運行方法
潮汐電站可逆式水輪泵及其蓄能運行方法。
本發明涉及利用潮汐能交替起泵或水輪機功能的水力設備及其系統的抽水蓄能發電方法。
現有的潮汐電站是在港灣造堤建閘，攔截海水，形成潮汐水庫，安裝水輪發電機組，依靠漲、退潮與水庫間形成的水位差放水發電的。據此建造的潮汐電站，出力起伏不穩，且有間斷難連續等缺點，需與外電網聯網或另建電力抽水蓄能發電站互補運行。例如我國浙江的海山潮汐電站就另建造有蓄能電站，在潮汐發電谷荷時有多餘電力帶動電動水泵抽水上高庫蓄能，在平潮停電或峰荷時電力不足，再由高庫放水發電補充。但是這種蓄能發電方式能量經多層次轉換，其效率只50%，要兩度電蓄能，才能得一度電，而且設備投資大，所以迄今為止，潮汐電站被認為是只有電量沒有容量的低品位電源，而投資又高，未能得到應有的發展。
本發明的任務是設計一種潮汐可逆式水輪泵及其抽水蓄能方法，從而提供一種高效率、不必依靠外電網互補、能全日連續、穩定、獨立運行又能承擔峰荷的電源。該電站設備簡單、發電量大，其單位千瓦或單位電度投資小。
本發明的系統設施有一潮汐水庫、一高地水庫和一安裝有水輪發電機組的高水頭電站，三者間以輸水總管相通聯。在潮汐水庫中裝有潮汐可逆式水輪泵。它是一個位於水下的貫流式水輪機(在逆轉時為貫流泵)經增速(逆轉時為減速)帶動位於水面之上的離心水泵(視高地水庫揚程的高低，而選取離心、混流或軸流泵)其泵軸上端還裝有衝擊式水輪機(如高地水庫至潮汐水庫的水頭較低，也可選用反擊式水輪機)共三部分組成。離心泵吸入口通潮汐水庫，出口與沿坡鋪設的輸水總管和高地水庫相連，衝擊式水輪機的噴咀也與輸水總管相連。
輸水總管下段還有支管通高水頭電站的水輪發電機組。
當趁漲潮攔蓄在潮汐水庫內的海水，到退潮開始後庫海之間形成水位差H，此時開潮汐可逆式水輪泵讓潮汐水庫中一股流量為Q的水流驅動貫流式水輪機洩回海洋，則離心水泵隨動旋轉，由此而形成的離心壓頭把另一股流量為q的水流經輸水總管源源送上高地水庫，其揚程為h，至工作水頭不適合水輪泵工作時停機;另有一部分流量不上水庫直接流入電站的水輪發電機組中去。
以上是正向運行工況。由於以水輪泵抽水蓄能取代了電力抽水蓄能，從而既省卻了發電、輸、配電至電動機系統的設備，又少了多層次能量轉換過程中的損耗，使能量轉換效率超過70%，比電力抽水蓄能效率只50%高得多。
但是在能源技術中，能量損失近30%還是不能容忍的。本發明的可逆式潮汐水輪泵及其系統運行方法就是力圖把此項損失奪回來。
由於水輪泵相當於水力變壓器。機泵之間依靠彼此比轉數的不同匹配，可得到不同的水頭比和流量比。因此當外海漲潮至滿潮前後時段，由於庫海之間水位差甚小，這時如放高地水庫的小量水流驅動可逆式潮汐水輪泵泵軸上的衝擊式水輪機再經減速逆向帶動貫流泵(正轉時為水輪機)，則可把大量海水抽入潮汐水庫以增益庫容和水頭。使水庫水位高過滿潮水位半米以上，則在下一次退潮時段可逆式潮汐水輪泵正向運行時，能抽送數倍於剛才高水庫放水量回送高庫中去，這樣就彌補了因水輪泵抽水蓄能中近30%的能量損失，使得總轉換效率趨近於1.0以至大於1.0，自然這是巧用有利時段，從外海退潮時由潮汐能量補充的。
雖然潮汐可逆式水輪泵在退、漲潮時段周而復始正、反向交替運行，但高地水庫電站的水輪發電機組，因系從高庫調節放水，卻能持續而穩定地運行發電，解決了公知技術的潮汐發電工作不連續出力不穩定的矛盾。而在我國黃海、東海潮汐屬半日潮型，每隔12小時25分而一循環，則高地水庫為半日調節水庫，其所需庫容是很小的，故其建庫投資不多。
綜上所述，本發明所描述的潮汐電站以潮汐可逆式水輪泵特有的抽水蓄能的方法解決了已有潮汐電站電能輸出不穩定且有間斷需併網才能供電的問題，並彌補了公知技術中在抽水蓄能工況時能量損失的缺陷。從而使本發明達到了提供一種能全日連續穩定運行又能承擔峰荷的不必依靠與外電網互補運行的高效率低投資電源的目的。
下面是本發明在閩浙海域中擬建潮汐站的一個實施例。通過該實施例的描述和附圖，說明本發明的細節。
圖1 為潮汐可逆式水輪泵抽水蓄能放水發電工作示意圖，其中(1)潮汐水庫;(2)可逆式潮汐水輪泵;(3)高地水庫;(4)高水頭電站水輪發電機組;(5)輸水總管。
圖2 為可逆式潮汐水輪泵結構示意圖，其中(Ⅰ)貫流式水輪機(貫流泵);(Ⅱ)離心泵;(Ⅲ)衝擊式水輪機。
圖3 為可逆式潮汐水輪泵正、逆向運行潮汐水庫水位與潮位相關曲線圖(中潮)。其中(A)潮汐水庫水位消長曲線;(B)海潮水位曲線;
正向運行抽潮汐水庫水至高地水庫工況標記;
逆向運行抽海水入潮汐水庫庫水位升高工況標記;縱座標H代表水位，單位為米;橫座標t代表漲退潮歷時，單位為小時。
圖4 為高水頭電站出力過程線，縱座標代表電力，單位為千瓦;橫座標代表時間，單位為小時。
潮汐可逆式水輪泵及其蓄能運行方法如下
參看圖1、圖2、圖3和圖4。例如在中潮位時午夜零點外海接近滿潮而潮汐水庫方在灌水過程其水位尚略低於外海潮位如0.2～0.1米時，放高地水庫(3)之水經輸水總管(5)至可逆式水輪泵(2)頂部的衝擊式水輪機(Ⅲ)帶動貫流式水輪機(Ⅰ)逆轉以貫流泵工況運行抽海水入潮汐水庫(1)至接近二點時停機(標記
)，由於此時海、庫間水位差甚小(即揚程h甚小隻-0.2～0.7米)而高地水庫放水至潮汐水庫水面的水頭H高達120米，因水頭比h/H微小(≈0.001～0.006)，而流量比q/Q大(在水輪泵中η＝ (h)/(H) · (q)/(Q) )故高地水庫(3)小量放水就可以抽取大量海水入潮汐水庫(1)，此時潮汐水庫水位(A)可超出滿潮位0.5～0.6米。當外海退潮之後，庫海水位差至潮汐可逆式水輪泵正常工作水頭時(此時接近三點半)開動此水輪泵(見圖2)抽水送往高地水庫(3)。由於潮汐水庫(1)開機放水其水位漸落而外海退潮潮位也遞降，水頭H始而增大，至外海再次漲潮又漸減至近2米時關閉潮汐可逆水輪泵，這時約近8點(標記
)。至11點許外海接近第二次滿潮，(標記
)又放高地水庫(3)水入潮汐可逆式水輪泵的衝擊式水輪機Ⅲ，帶動貫流式水輪機(Ⅰ)逆轉又以貫流泵工況抽海水入潮汐水庫(1)，這樣就重複了上一次的從零點起那樣的工作循環。計算表明，一太
日兩次潮汐循環，可逆式潮汐水輪泵正向運行兩次共九小時許，在高地水庫揚程為120米下總抽升水量達98750立米，逆運行兩次共三小時許從高庫放水量11575立方米(抽海水入庫量205萬立米)提供高水頭髮電水量為87175立米，每一太陰日兩潮發電量為2.09萬度，全年有705次潮汐總發電量約740萬度。而高地水庫發電提供的電力是持續而穩定的。
作為本實例的一種變換，圖2中的(Ⅱ)可以是混流泵或軸流泵;
作為本實例的另一種變換，圖2中的(Ⅲ)可以是反擊式水輪機;
作為本實例的另一種變換，可逆式潮汐水輪泵正、逆向運行可以隨著潮汐循環的不同而選擇最佳時段。
權利要求
1.一種潮汐電站可逆式水輪泵及其蓄能運行方法(見附圖)，系統設有高地水庫(3)潮汐水庫(1)。其特徵是正向運行時，用裝於潮汐水庫(1)內的潮汐可逆式水輪泵(2)抽海水入高地水庫(3)蓄能，逆向運行時，放小量高地水庫(3)的水入潮汐可逆式水輪泵(2)把海水抽入潮汐水庫(1)內，高地水庫(3)則持續放水入高水頭電站水輪發電機組(4)內進行連續發電。
2.根據權利要求
1的方法，其特徵是當外海退潮時，利用潮汐水庫(1)與外海面之間形成一定的水位差所得位能，驅使潮汐可逆式水輪泵(2)正向運行，將潮汐水庫(1)之水抽入高地水庫(3)，至工作水頭不適合(2)工作時停機。
3.根據權利要求
(1)的方法，其特徵是當海水漲潮至滿潮前後時段，海、庫水位差很小時，放少量高地水庫(3)的水驅使潮汐可逆式水輪泵(2)，使其逆向運行，把海水抽入潮汐水庫(1)內。
4.根據權利要求
1或2的方法，其特徵是當外海退潮後潮汐水庫(1)與外海面之間水位差近2米時，放水驅使潮汐可逆式水輪泵正向運行，抽水入高地水庫(3)，一直至外海面又一次漲潮，工作水頭降至近2米時關閉潮汐可逆式水輪泵(2)。
5.根據權利要求
1或3的方法，其特徵是當外海接近滿潮，潮汐水庫(1)的水位稍低於外海水位如0.2～0.1米時開始放小量高地水庫(3)的水入潮汐可逆式水輪泵(2)，使其逆向運行，就把海水抽入潮汐水庫(1)，當其水位超出滿潮位0.5～0.6米時停機。
6.一種潮汐可逆式水輪泵(見附圖2)，其由貫流式水輪機(Ⅰ)增速帶離心水泵(Ⅱ)，其特徵是離心水泵(Ⅱ)的轉軸上方裝有衝擊式水輪機(Ⅲ)，其轉輪與離心水泵(Ⅱ)葉輪同軸，而離心水泵(Ⅱ)和衝擊式水輪機(Ⅲ)在水面之上。
7.根據權利要求
6的潮汐可逆式水輪泵，其特徵是正運行時，水流驅動貫流式水輪機(Ⅰ)，而貫流式水輪機同時帶動離心水泵(Ⅱ)隨同轉動抽水，此時，衝擊式水輪機(Ⅲ)空轉。
8.根據權利要求
6的潮汐可逆式水輪泵，其特徵是逆運行時，來自高地水庫(3)小量的高壓水衝擊衝擊式水輪機(Ⅲ)轉輪，從而帶動貫流式水輪機(Ⅰ)逆運行成為貫流泵，把海水抽入潮汐水庫(1)內，此時離心水泵(Ⅱ)在大氣中空轉。
9.根據權利要求
6的潮汐可逆式水輪泵，其特徵是根據高地水庫(3)揚程的高低，離心水泵(Ⅱ)的類型也可以是混流泵或軸流泵，泵軸上衝擊式水輪機視高地水庫(3)水頭的高低，也可以是反擊式水輪機。
專利摘要
本發明涉及潮汐發電中的水力機械設備的新結構型式及其抽水蓄能運行方法。現有的潮汐電站運行間斷不連續發電起伏不穩定需與外電網互補運行被認為是只有電量沒有容量的低品位電源。本發明是一種可逆式水輪泵裝於潮汐水庫內以管路上通高地水庫，旁通高水頭電站機組。它巧用潮汐水頭變化，低進高出使上下水庫交替蓄能贏得數倍能量增益再依靠高水頭電站連續穩定發電，從而解決了潮汐發電的現存矛盾。
文檔編號F03B13/26GK85104286SQ85104286
公開日1986年11月26日 申請日期1985年5月31日
發明者肖冠英 申請人:肖冠英導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan