水庫清沙並能收集沙石及漂物的虹吸發電系統的製作方法

2023-10-23 10:09:32 3

專利名稱：水庫清沙並能收集沙石及漂物的虹吸發電系統的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及的是一種能夠清理水庫底部沉積物，水面的漂浮物，並能將清理出的沙石、漂浮物篩分後收集。且能利用沙漿衝擊水輪發電的虹吸發電系統。
目前水庫的清淤、清漂是靠衝沙閘、排漂閘開放，讓大流量水把淤物及漂物衝向下遊。不但造成大量水資源損失，還會給下遊造成礙航危害及下遊的河道環境汙染。夾沙紊流還會衝刷河岸，使河床改道及河堤蹦踏。再者靠挖沙船用泵管伸入庫底撈沙。挖沙船耗能高、效率低深水作業困難，對整治淤害能力有限。「水庫是水利水電工程綜合利用水資源的重要組成部分，在水庫蓄水運用的情況下，隨著泥沙在庫區的淤積，水庫的有效容量日益減少，終至淤廢，我國北方多沙河流水庫，迄今已有不少水庫淤廢。如陝西省庫容大於100萬立方米水庫共192座，截止1973年已淤廢43座，黃河青銅峽水庫1969年蓄水運用，截止1980年有效庫容已淤積86％。美國1935年前修建的水庫已有10％的水庫淤廢。」(摘自《三峽工程泥沙研究》)本發明提供一種集清理庫底淤積和水面漂物，兼發電於一身的虹吸發電系統，其目的是充分利用水力資源，增大發電量，根治水庫淤積而廢棄的沉痾頑症，使水庫永保青春，為人類造福。
本發明是這樣實現的，在水庫的大壩或庫堤設置一路虹吸管路，其一端伸入庫底最深部排沙閘下的深槽裡，端部裝有電動吸沙漿閥，在靠近吸沙漿閥一定距離裝設向上方向一路管路與主虹吸管相通，其長短主要避開沙區，保證能吸入清水，最上部安裝電動調節閥。在管路靠近水庫水面附近，安裝一臺引水泵和引水閥，水泵吸水龍頭置於水庫水中。水泵出水口與引水閥通過管路連在一齊，引水閥另一端通過管路與虹吸管相連。在虹吸管最高處裝設一排空氣閥，並通過管路與虹吸管最高處相連通，另一端安裝一段管子置於空氣中，虹吸管成半園拱形跨過大壩，(條件允許的話最好是從靠近庫水面附近穿通大壩為好，可減少壓頭損失)虹吸管直伸到水輪機上端，虹吸管端部裝有電動出沙漿閥，閥下有厚鋼板製成的水輪機90°-120°園弧形定子，並與水輪機架構成沙漿通道。出沙閥口的中心與水輪機葉片上的園形底下裝有彈簧的墊板對應，水輪機的軸心與水輪機定子的90°-120°弧同園心。水輪機下部裝有卵石篩運送機。卵石篩運送機下面裝有粗沙篩運送機。粗沙篩下部裝有運送細沙漿的渡槽。用於排漂時，如圖2所示，不需要粗沙篩及細沙漿渡槽。其吸漂閥所在虹吸管端部應安裝於水庫水面下1-2米處，且吸口向上。用於水庫中、上遊清淤時，如圖3所示，虹吸管橫穿大堤，吸漿閥與調節閥一端應置於水庫易淤處人工開挖的較深的存沙池底部。該發電機運用前首先關閉出沙漿閥，然後打開排氣閥、調節閥和吸漿閥，使虹吸管內水位上升，直到接近水庫水面時，關閉調節閥及吸漿閥，打開引水閥，開啟引水泵，往虹吸管內灌引水，當排氣閥向上噴水時，關閉排氣閥及引水閥，停止引水泵，打開出沙漿閥及調節閥，此時便有大量水流衝向水輪機，水輪機轉動帶動發電機發電。待發電穩定後再開啟吸沙漿閥，清沙開始運作。調節閥用來調節沙漿水沙比例達到最佳值。同時使水輪機轉速穩定在規定值內。如果用於老水庫，可開啟螺旋滾筒機，將沉澱已久的淤沙攪勻，便於虹吸管吸入。開啟卵石運送機把篩上的卵石運送到卵石倉裡，粗細沙從卵石篩運送機的底部及兩側槽壁的密布孔中注入粗沙篩運送機。開啟粗沙運送機把篩過的粗沙運送進粗沙倉，細沙漿便從粗沙篩兩側壁孔中流入細沙漿渡槽。沿著水平設置或略有下坡的渡槽，細沙漿流入選定好的山谷細沙存放場中沉澱，積滿後清水流出，細沙可挖出造磚及做建材使用，或填谷造田。粗沙較為昴貴不愁出售。卵石可挑出精美的做成工藝品出售或做建築材料。
本發明主要根據虹吸現象，物理學中能量守恆定律及能量轉換規律、勢能轉換成動能與路途無關，其虹吸管的流量取決於水庫水面與出漿口的標高差，即為壓頭，單位米。以H表示，則H＝RTQ21
RT—阻力係數(s2/m5)Q—管內流量(m3/s)RT=82g[xlxdxs+plpdps+x1dxs+(p+1)1dps](s2/m5)---2]]>λxλp—沿程阻力損失係數 g——重力加速度LxLp—沿程管路長度∑εx∑εp—管路上局部阻力損失係數之和(1、2式來源於煤炭工業出版社出版，淮南礦業學院白銘聲、陳祖蘇教授合編的《流體機械》一書)虹吸管路要求沿程所有處的內徑必須保持一致，且大於吸沙漿口直徑，為此計算時只考慮按一種直徑計算，局部阻力損失係數也就忽略不計了，即按下式計算。RT=82gxlxdxs]]>管內流體出力以P為標示，則P＝9.81QH(公式來源於中國水利水電出版社出版，河海大學劉大愷教授主編的《水輪機》)為此發電機的功率與壓頭H和流量Q有關，而Q又取決於阻力係數RT和壓頭H，阻力係數直接與管的內徑和長度有關由於採用上述方案，可有以下幾個方面有益效果；1、能夠清除水庫底部的淤積物，使水庫較長時期服務於人類；2、清除水面上的漂浮物，並能將這些白色垃圾收集回收再利用，減少下遊河道的環境汙染；3、由於沙石被收集減少下遊河道淤積便於通航，減少下遊清淤費用；4、能把衝沙、衝漂及庫容外水資源充分利用進行發電增加水庫的發電能力；5、沙石及漂物被收集重新加以利用，變有害於社會有害於人類為有利於社會有利於人類；6、有價能源消耗極少，只是灌引水開閘閥，運送沙石及漂物機耗能，而吸沙吸漂物是充分利用大壩的勢能而已，決不消耗其他有價能源；7、由於超前將沉沙收入管內，流徑水庫主發電機水輪機的流水含沙量大大減少，減少主發電機水輪機的磨損量，延長主水輪機的使用壽命也會帶來可觀的經濟效益。總的來說該項發明的經濟，社會效益是很難用數量表示清楚的。
下面結合附圖和實施例對本發明專利進一步說明；

圖1為本發明安裝在水庫攔水大壩的清沙發電的剖面圖。
圖2為本發明專利安裝在水庫攔水大壩上清漂發電機剖面3為本發明用於水庫中上遊清理易淤處淤積物發電的剖面圖。
圖4是本發明用於大壩的側視中1、虹吸管；2、電動吸沙漿閥；3、電動調節閥；4、電動出沙漿閥、出漂物閥；5、排空氣閥；6、引水閥；7、引水泵；8、水輪機；9、卵石篩運送機；10、粗沙篩運送機；11、細沙漿渡槽；12、水庫攔水大壩；13、帶割刀的螺旋滾筒機；14、虹吸管固定螺栓；15、虹吸管固定腰帶；16、衝沙閘積沙深槽；17、水庫水面；18、發電機；19、水庫下遊水面；20、水庫庫堤；21、水庫底；22、積沙池；23、排漂虹吸管底託架；24、水輪機90°-120°園弧定子；25、水輪機機架；26、裝於水輪機葉片上由彈簧支撐的防砸墊板；27、彈簧；
圖1中虹吸管1伸入水庫底部的一端與吸沙漿閥2、調節閥3相連，調節閥3應遠離沙區一定距離，以保證能吸進清水。靠近水面17附近有引水泵7，其出水口通過管路與引水閥6相連，6的另一端通過管路與虹吸管1相連，在虹吸管最高處有排空氣閥5通過管路與虹吸管1相連，另端安一定長度管子置於空氣中。虹吸管1的另一端與出沙漿閥4相連，並置於水輪機架25的上部，其中心對著水輪機8的葉片上的彈簧墊板26中心，26與葉片之間有彈簧27相連；機架25上部與兩側面與水輪機90°-120°定子構成沙漿通道，水輪機半邊葉片夾於通道中，沙漿衝擊葉片使水輪機8旋轉。帶動發電機發電，通道出口的下面裝有卵石篩運送機9，運送機可由煤礦用大型刮板機括大改制，溜槽底和幫密布所定小於最小卵石直徑的孔。以便於卵石篩出運走。可挑選精美的做工藝品出售，其它做建築材料。沙漿從密布孔中流進再下面的粗沙篩運送機10。10和9大致相同，只是密布孔徑小於篩選粗沙最小粒度直徑，篩上的粗沙被機器運進倉，而細沙漿流入最下面的細沙漿渡槽11，細沙漿順著略有下坡的渡槽流進山谷沙場，沉澱後，清水流入下遊河道。細沙可用於造磚及建築材料或填谷造田。排氣閥5引水閥6及引水泵7的設置，只是為啟動該系統所用，一旦該系統運轉正常，它們便完成使命，只要虹吸管內滿水，再也不會再用它們。調節閥3是用來調節水沙比例，以選擇最佳運作，同時它也可以用來調節流量達到附節發電頻率的目的。它的另一個作用是關機時清理虹吸管內積沙，關機時先完全打開調節閥3，關閉吸沙漿閥2，待出沙漿口完全是清水時再同時關閉出沙漿閥4和調節閥3。虹吸發電機用於水庫中上遊清沙時，必須選定易於淤沙的地方深挖積沙池，以便把水庫順水積沙和高水位蓄水形成回流水所沉澱積沙收留積存，便於虹吸管採沙。使用本發明的關鍵問題是必須出沙口與庫水而有一定的落差，且出口低於水面。螺旋滾筒機13由綱板與閥2相連。用於廢庫清淤。
下面假設該發明在舉世聞名的長江三硤水庫完全竣工後使用情況粗略分析計算如下；已知三硤大壩最大高度185m，正常蓄水水位175m，枯水季節蓄水水位155m，假定出沙漿口與庫水面落差為120m。
則虹吸管長度 Q=HRT]]>RT=82gx343dxs]]>這裡λ的值計算難以找到合適的公式只有採用舍維列夫舊鋼管及舊鑄鐵管的公式。 這裡的λ被認為在粗糙且鏽蝕嚴重的舊管中流體的阻力係數，而我們虹吸管一旦使用其內管壁肯定會被沙石磨的很光滑，可以說按此公式計算是比較保守的，下面選定Ф2mФ2.5mФ3m三種管徑分別計算如下 RT2＝0.0151 RT2.5＝0.00474 RT3＝0.001761將上述RT值代入 Q2＝89.15m3/s Q2.5＝159.11m3/sQ3＝261m3/s虹吸管內流水出力為P2＝9.81×89.15×120＝10.5萬千瓦P2.5＝9.81×159.11×120＝18.7萬千瓦P3＝9.81×261×120＝30.7萬千瓦不難看出如果把7個衝沙閘，還有洩洪閘及衝漂閘，船閘都安裝使用該發明技術，可使衝沙、衝漂及庫容外水資源得到全面的利用，同時水庫將增加非常可觀的發電容量。更不難看出這麼大吸動力在水庫底部抽吸，沙石是很難再進入下遊河床了，再加上中上遊分段設置幾處，三峽水庫的淤沙問題何用再愁。
該項發明負面影響及存在的問題。
事物的發展都有兩面性，即能對社會和人類產生積極影響給人類造福的一面，同時也有不利的影響，現分析如下1、由於採用本發明基本上能把水庫所存粗沙，卵石捕捉且運到有用的地方，細沙歸場。這樣水庫下遊河床的沙石將漸漸缺少，以後有可能水流直截衝擊河底，有可能造成河堤的維修量加大，建議使用本發明技術時應考慮對兩岸及大堤打鑽注水泥漿防止河岸及大堤踏方。
2、排漂虹吸發電設備啟動後，給靠近吸口附近造成強大的旋渦。為此吸口附近一定距離需架設圍柵，以防小船及泳人被吸進管內造成財產及人員傷亡。
3、一些瀕臨滅絕的珍貴生物，有可能誤入吸管，當越過吸管最高處後基本上作自由落體運動而被摔死。為此建議應研究發明恐嚇幹擾信號，驅趕珍貴生物遠離虹吸管口。
4、沙漿及漂物流流經虹吸管時，對大壩產生一壓力，此力和開啟衝沙閘比較起來可能要小，但其越過大壩頂端，此力相對大壩根部產生一力矩，應在固定虹吸管處增加鋼筋混凝土墩，以防對大壩的破壞作用。
5、水庫尾部淤積問題本技術還無法解決，該段還必須使用挖沙船作業，該技術必須有一定的水位落差才行。
6、本發明技術水輪機實際上是做為對越過虹吸管最高處的卵石作自由落體運動產生的衝力的一種緩解。它設置在哪裡就是挨砸的，為此其發電效率肯定不盡人意，同時根據能量轉換原理，水輪機必須做成質量很大才能滿足正常使用要求，為此比較費鋼鐵。
7、根據清淤要求，能吸起的卵石直徑越大越好，但根據能量轉換公式計算，直徑達1米的卵石在壓頭為120時，衝擊在水輪機葉片上的衝力達3000多噸，為此確定吸引卵石的直徑必須限制在0.5-0.6米(Ф0.5為300多噸，Ф0.6為600噸)吸沙漿口應加柵限制，或分Ф0.5mФ0.6m多處吸口。
8、該技術的操作比較簡單最好能使用計算機控制，但缺少水下監視吸沙漿口的傳感器，為此建議能加強這些方面的研究，儘快使用計算機控制水沙比例，及發電機頻率。
9、此水輪的轉速不會太快為此需研究大功率多磁極對數發電機。
權利要求
1.一種水庫清沙並能收集沙石、漂物的虹吸發電系統，由壩、堤、虹吸管、吸沙漿閥、調節閥、出沙漿閥、排氣閥、引水閥、引水泵、水輪機、發電機、卵石篩運送機、粗沙篩運送機、細沙漿運送渡槽、螺旋滾筒機組成，其特徵是虹吸管橫跨或橫穿壩、堤。布置在壩堤橫斷面的兩邊，一端伸入庫底最深處或水庫水面下1-2米處。端部接有吸沙漿閥或吸漂物閥，在距吸沙漿閥一定距離的虹吸管上向上方向接一管。其端部接調節閥置於能避開沙區，吸到清水的地方。虹吸管接近水面附近由一管引水閥相接，引水閥另一端再由管與引水泵出水口相連，引水泵吸水口置水庫水裡，虹吸管的最高處由一管與排氣閥相接，排氣閥另一端接一段管置於空氣中，虹吸管的另一端與出沙漿閥相接出沙漿閥另一端對準水輪機葉片上彈簧墊板。
2.根據權力要求1所述的水庫清沙並能收集沙石及漂物的虹吸發電系統，其特徵在於水輪機由轉子、定子組成，轉子上有葉片支撐的墊板，定子是由鋼板製成90°——120°園弧與機架兩邊相連，構成沙漿通道，水輪機葉片從通道中轉過。水輪機軸心即為定子弧的園心，其軸與發電機軸相連。
3.根據權力要求1所述的水庫清沙並能收集沙石及漂物的發電系統，其特證在於卵石篩運送機裝於水輪機架與園弧形成的沙漿通道下部。結構和煤礦用大型板運輸機相似，只是槽底及幫密布所定分類最小卵石直徑的孔。
4.根據權力要求1所述的水庫沙並能收集沙石及漂物的發電系統，其特徵在於粗沙篩運送機裝於卵石篩運送機下面，兩機基本相同。不同的是密布的孔徑更小，是所定最小粗沙粒直徑，而槽幫的上部孔徑大些。
5.根據權力要求1所述的水庫清沙並能收集沙石及漂物的發電系統其特徵在於細沙漿運送渡槽安裝於粗沙篩運送機下面直至山谷沙場，該渡槽水平設置或略有下坡。
6.根據權力要求1所述水庫清沙並能收集沙石及漂物的發電系統其特徵在於吸沙漿閥下部有一託架，託架上還固定有螺旋滾筒機，螺旋滾筒上設有數把堅硬的割刀。
全文摘要
一種能夠清理庫底淤積物,水面漂浮物,並將清理出的沙石、漂物篩分後收集,還可利用沙漿衝擊水輪發電的發電系統。由虹吸管1、吸沙漿閥2、調節閥3、出沙漿閥4、水輪機8、發電機18、卵石篩運機9、粗沙篩運機10、細沙運送渡槽11構成。清沙、清漂是利用壩的勢能,不消耗有價能源,充分利用衝沙、衝漂及庫容外水資源增大發電量。根治水庫淤積之沉痾頑症,使水庫永葆青春,長久造福人類。
文檔編號F03B13/08GK1352352SQ0114307
公開日2002年6月5日 申請日期2001年12月15日 優先權日2001年12月15日
發明者陳亞洲 申請人:陳亞洲