專利名稱：層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)，屬于水力發(fā)電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
水電站利用水庫(kù)來蓄水，水庫(kù)庫(kù)容越大存儲(chǔ)的水量越大，水庫(kù)蓄存的水能就越多。具有一定流速的水流含有動(dòng)能，流速越高具有的動(dòng)能就越大；處于一定高度的水流具有勢(shì)能，相對(duì)高度越大具有的勢(shì)能就越大。水流從高處流向低處，可以將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水流獲得更高的速度。水庫(kù)里儲(chǔ)蓄的水在重力作用下獲得高的速度，沿壓力引水管向下輸移，在水輪機(jī)接口處獲得更高的速度。具有一定速度的水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使水輪機(jī)獲得機(jī)械能；水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)上水電站水輪發(fā)電機(jī)組輸出功率的計(jì)算公式都采用如下數(shù)學(xué)公式[1]-[13] P＝9.80ηQH(1) 式中P為水輪發(fā)電機(jī)組輸出功率(kW)，Q為發(fā)電流量，H為發(fā)電水頭，η為水輪機(jī)發(fā)電效率。
式(1)是在假設(shè)壓力引水管入口處水流速度、壓強(qiáng)與水輪機(jī)出水口處水流速度、壓強(qiáng)相等的前提下得出的。也就是說，水輪發(fā)電機(jī)組輸出功率的傳統(tǒng)計(jì)算方法只包括勢(shì)能，而沒有包括動(dòng)能、壓能。傳統(tǒng)計(jì)算方法，沒有考慮水流動(dòng)能和壓能在水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、尾水管的輸移，因此在結(jié)構(gòu)和工藝上也沒有對(duì)水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、尾水管進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)和優(yōu)化，使得水能沒有得到充分和高效的利用。
水輪發(fā)電機(jī)組從水庫(kù)水體勢(shì)能、動(dòng)能和壓能轉(zhuǎn)化而成的電能主要與水庫(kù)落差、壓力引水管入口處水流速度和水庫(kù)蓄水水位等有關(guān)系。
水電能源是以發(fā)電為主兼顧其他綜合利用的資源，為了能夠?qū)ζ淅眠M(jìn)行合理的優(yōu)化，必須通過數(shù)學(xué)方法求出其總量，建立函數(shù)模型。水電能源是由自然水資源所蘊(yùn)藏的能量轉(zhuǎn)化而來，主要是存在于水體中的壓能、勢(shì)能、沖擊動(dòng)能以及水體重力做功所產(chǎn)生的能量。
(1)進(jìn)水口處水體微元具有的能量 假設(shè)水電站某機(jī)組壓力道管為圓柱形，進(jìn)水口處一個(gè)在x方向上微長(zhǎng)度為dx的水體微元，則該水體微元的受力有重力、水壓強(qiáng)及水庫(kù)四級(jí)水體重力分量對(duì)其作用力。在這些作用力共同作用下，水體微元沿著壓力引水管進(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)水能-機(jī)械能-電能的耦合轉(zhuǎn)換，水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能輸出。
壓強(qiáng)沿壓力引水管方向分量對(duì)水體微元所做的功或者所具有的能量WI為 其中PI、VW、HI、D為壓力引水管入口處水體微元的體積、壓強(qiáng)、水位、直徑，H為水庫(kù)蓄水水位，ρ為水的比重，α為壓力引水管傾斜角。
水體微元重量在壓力引水管入口處所形成的壓力沿壓力引水管方向的分量所做的功或者所具有的能量為 設(shè)重量為mW、體積為VW的水體微元在壓力引水管進(jìn)水口處的速度為vI，j，i，則其具有的動(dòng)能為 重量為mW、體積為VW的水體微元在壓力引水管進(jìn)水口處所具有勢(shì)能為 (2)出水口處水體微元具有的能量 對(duì)水輪機(jī)做功后運(yùn)動(dòng)到下游的水體微元，假設(shè)水電站水輪發(fā)電機(jī)組在水輪機(jī)出水口處的壓強(qiáng)為pO，則該壓強(qiáng)對(duì)重量為mW、體積為VW的水體微元所做的為 重量為mW的水體微元在水輪機(jī)出水口處截面所形成的壓力沿壓力道管方向的分量所做的功或者所具有的能量為 設(shè)重量為mW、體積為VW的水體微元在水輪機(jī)出水口處的速度為vO，則其具有的動(dòng)能為 重量為mW、體積為VW的水體微元在水輪機(jī)出水口處所具有的勢(shì)能為 其中HO為水電站水輪機(jī)出水口處的高程。
(3)機(jī)組電能計(jì)算 上游水體微元經(jīng)過水輪機(jī)做功運(yùn)動(dòng)到引水管出口，根據(jù)能量守恒定律，水輪機(jī)獲得的能量或功為 令kp為水電站機(jī)組水輪機(jī)出水口處與壓力道管進(jìn)水口處水體壓強(qiáng)之比 kv為梯級(jí)水電站機(jī)組水輪機(jī)出水口處與壓力道管進(jìn)水口處水體流速之比 HD為水電站機(jī)組壓力道管進(jìn)水口處與水輪機(jī)出水口處之間的落差 HD＝HI-HO(13) 把水輪機(jī)獲得的能量或功用電功率表示，則梯級(jí)水電站j第i臺(tái)機(jī)組以kW為單位(1kW＝102kg.m/s)在時(shí)段dt內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示 其中QG為機(jī)組發(fā)電流量， 對(duì)式(14)整理，得 從式(15)可以看出，水電站水庫(kù)可利用的水能包括水體壓能、動(dòng)能、勢(shì)能，利用水輪發(fā)電機(jī)組所獲得的電能同水電站落差、發(fā)電流量有關(guān)，還與壓力引水管進(jìn)出口水體的壓力、速度、引水管傾角以及水電站的庫(kù)容特征等參數(shù)有密切關(guān)系。
傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組都是采用上述式(1)的傳統(tǒng)計(jì)算方法來確定其裝機(jī)容量的。
本發(fā)明的作者經(jīng)過多年研究，得出如下結(jié)論 1)水力發(fā)電機(jī)是通過水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和尾水管將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能在轉(zhuǎn)化為電能的，電能包括動(dòng)能、勢(shì)能和壓能等三種分量。
2)動(dòng)能分量與壓力引水管入水口處及水輪機(jī)出水口處水流速度的平方差成正比。壓力引水管入水口處水流速度大而將水輪機(jī)出水口處水流速度控制得小，動(dòng)能分量將會(huì)增大；壓力引水管入水口處及水輪機(jī)出水口處水流速度相等，動(dòng)能分量為0。
3)壓能分量與壓力引水管入水口處及水輪機(jī)出水口處水流壓強(qiáng)之差值成正比。壓力引水管入水口處水流所受壓強(qiáng)大而將水輪機(jī)出水口處水流壓強(qiáng)控制得小，壓能分量將會(huì)增大；壓力引水管入水口處及水輪機(jī)出水口處水流速度相等，壓能分量為0。


發(fā)明內(nèi)容
基于上述的分析，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)，使水輪機(jī)出水口處瞬時(shí)排水量增大，流速降低，達(dá)到充分利用動(dòng)能分量，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率提高，實(shí)現(xiàn)更高效水力發(fā)電的目的。同時(shí)，采用多條大管徑層疊布置的尾水管，可以進(jìn)一步增加整個(gè)尾水管的管徑，進(jìn)而更大地降低尾水水流的速度，增加水庫(kù)壓力引水管入口處與多條層疊尾水管水流速度的差值，進(jìn)一步提高水能中動(dòng)能向電能轉(zhuǎn)換的效率，提高水能利用效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法，在水輪機(jī)出水口處引出多條相同方向并層疊布置的尾水管，而且要求每條層疊尾水管管徑徑大于壓力引水管管徑。利用水輪機(jī)的出水在各方向上均有壓力的原理，通過增加尾水管數(shù)目，擴(kuò)大尾水管出水口口徑，獲得壓力道管進(jìn)水口與水輪機(jī)出水口水流速度更大的差值。在水輪機(jī)出水口水流速度較小的情況下，使尾水管能夠輸運(yùn)與壓力引水管一樣的發(fā)電流量，使動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)化為電能。
層疊式尾水管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、層疊尾水管，其特征在于水輪機(jī)出水口處引出多條相同方向并層疊布置的尾水管，每條層疊尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
上述的層疊式尾水管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，所述的多條層疊尾水管，由兩條及以上大管徑尾水管組成，其截面形狀可為圓形，或橢圓形，或三角形，或方形，或多邊形。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過對(duì)水力發(fā)電系統(tǒng)的尾水管系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加尾水管數(shù)量，增大壓力引水管和尾水管水流速度之差值，從而增大水能中動(dòng)能分量轉(zhuǎn)化為電能的效率，提高發(fā)電效率和水能的利用效率。



附圖為本發(fā)明多尾水管高效水力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施例方式 如圖所示，1為水庫(kù)，2為壓力引水管，3為水輪機(jī)，4為發(fā)電機(jī)，5為尾水管群(尾水管有n條)。壓力引水管2的進(jìn)水口與水庫(kù)1連接，壓力引水管2的出水口與水輪機(jī)3的進(jìn)水口連接。水輪機(jī)3的出水口與多管大管徑尾水管5的進(jìn)水口直接連接。
以口徑8m的壓力引水管2為例，對(duì)水輪機(jī)3而言壓力引水管2的水流速度為8m/s，在不考慮經(jīng)過水輪機(jī)3后水流速度的變化及其他因素的影響的情況下，如果尾水管群5中共有4條喇叭形尾水管(即n＝4)，由不同方向引出，每條尾水管為壓力引水管2的口徑的兩倍，那么喇叭形尾水管群5在輸運(yùn)與壓力引水管2一樣的發(fā)電流量條件時(shí)，在水流平均分配的情況下，流經(jīng)每條喇叭形尾水管的水流速度可變?yōu)?m/s。如果考慮水能中部分動(dòng)能分量已經(jīng)通過水輪機(jī)3轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，那么每條喇叭形尾水管5的水流速度將小于4m/s，甚至?xí)　恼麄€(gè)尾水管來看，其水流速度會(huì)接近于1m/s，甚至?xí)?。從而在壓力引水管和尾水管之間獲得更大的水流速度的差值。
對(duì)于新機(jī)組，在設(shè)計(jì)時(shí)只要權(quán)衡技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的效果，將每條喇叭形尾水管出水口口徑設(shè)計(jì)為壓力引水管口徑的k倍，就能夠使喇叭形尾水管水流速度減小1/k。尾水管水流速度的減小，就能夠增大壓力引水管和喇叭形尾水管水流速度的差值，從而使得更大的水流動(dòng)能分量轉(zhuǎn)化為電能，提高水能利用率，最強(qiáng)水能發(fā)電的高效性。
權(quán)利要求
1.層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法，其特征在于，多條尾水管自下而上層疊而成，且尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
2.層疊式尾水管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫(kù)、高細(xì)壓力引水管、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、多管尾水管，其特征在于，多條尾水管自下而上層疊而成，且尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
全文摘要
本發(fā)明公開一種層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法及系統(tǒng)，其特征在于水輪機(jī)出水口處引出多條相同方向的尾水管，并自下而上層疊而成；每條尾水管管徑大于壓力引水管管徑。通過增大水流落差，獲得更大的水體勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，從而節(jié)約水體流量；又增大壓力引水管和尾水管水流速度之差值，增大水能中動(dòng)能分量轉(zhuǎn)化為電能，提高發(fā)電效率。
文檔編號(hào)F03B11/00GK101713367SQ20091011459
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者吳杰康, 何芬 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)