專利名稱：水流增壓高效水力發(fā)電方法與系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水流增壓高效水力發(fā)電方法與系統(tǒng)，屬于水力發(fā)電領域。
背景技術：
水電站利用水庫來蓄水，水庫庫容越大存儲的水量越大，水庫蓄存的水能就越多。 具有一定流速的水流含有動能，流速越高具有的動能就越大；處于一定高度的水流具有勢 能，相對高度越大具有的勢能就越大。水流從高處流向低處，可以將勢能轉(zhuǎn)化為動能，水流 獲得更高的速度。水庫里儲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 水輪機接口處獲得更高的速度。具有一定速度的水流驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，使水輪機獲得機械 能；水輪機驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)上水電站水輪發(fā)電機組輸出功率的計算 公式都采用如下數(shù)學公式[13]:
P = 9.80nQH (1) 式中P為水輪發(fā)電機組輸出功率(kW) ， Q為發(fā)電流量，H為發(fā)電水頭，n為水輪機
發(fā)電效率。 式(1)是在假設壓力引水管入口處水流速度、壓強與水輪機出水口處水流速度、 壓強相等的前提下得出的。也就是說，水輪發(fā)電機組輸出功率的傳統(tǒng)計算方法只包括勢能， 而沒有包括動能、壓能。傳統(tǒng)計算方法，沒有考慮水流動能和壓能在水庫、壓力引水管、水輪 機、尾水管的輸移，因此在結(jié)構和工藝上也沒有對水庫、壓力引水管、水輪機、尾水管進行針 對性改進和優(yōu)化，使得水能沒有得到充分和高效的利用。 水輪發(fā)電機組從水庫水體勢能、動能和壓能轉(zhuǎn)化而成的電能主要與水庫落差、壓 力弓I水管入口處水流速度和水庫蓄水水位等有關系。 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行合理的 優(yōu)化，必須通過數(shù)學方法求出其總量，建立函數(shù)模型。水電能源是由自然水資源所蘊藏的 能量轉(zhuǎn)化而來，主要是存在于水體中的壓能、勢能、沖擊動能以及水體重力做功所產(chǎn)生的能 (1)進水口處水體微元具有的能量 假設水電站某機組壓力道管為圓柱形，進水口處一個在x方向上微長度為dx的水
體微元，則該水體微元的受力有重力、水壓強及水庫四級水體重力分量對其作用力。在這些
作用力共同作用下，水體微元沿著壓力引水管進口向出口運動并推動水輪機組轉(zhuǎn)動，最終
實現(xiàn)水能_機械能_電能的耦合轉(zhuǎn)換，水輪發(fā)電機組產(chǎn)生電能輸出。 壓強沿壓力引水管方向分量對水體微元所做的功或者所具有的能量W工為 『,=仏- & — //JyO如￡)2血- 士 WZ)2 (i/ — i/, )dbc (2) 其中PpVw、H工、D為壓力引水管入口處水體微元的體積、壓強、水位、直徑，H為水庫 蓄水水位，P為水的比重，a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
3的功或者所具有的能量為 <formula>formula see original document page 4</formula> (3) 設重量為nv、體積為Vw的水體微元在壓力引水管進水口處的速度為Vl, j,i，則其具 有的動能為<formula>formula see original document page 4</formula> (4) 重量為nv、體積為Vw的水體微元在壓力引水管進水口處所具有勢能為
= ww -j;^!)2^^ (5) (2)出水口處水體微元具有的能量 對水輪機做功后運動到下游的水體微元，假設水電站水輪發(fā)電機組在水輪機出水 口處的壓強為P。，則該壓強對重量為nv、體積為Vw的水體微元所做的為 <formula>formula see original document page 4</formula>(6) 重量為mw的水體微元在水輪機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
<formula>formula see original document page 4</formula> (7)
設重量為nv、體積為Vw的水體微元在水輪機出水口處的速度為v。，則其具有的動 能為

得的能』
<formula>formula see original document page 4</formula> (8)
重量為nv、體積為Vw的水體微元在水輪機出水口處所具有的勢能為
<formula>formula see original document page 4</formula> (9)
其中H。為水電站水輪機出水口處的高程。 (3)機組電能計算
上游水體微元經(jīng)過水輪機做功運動到引水管出口 ，根據(jù)能量守恒定律，水輪機獲 t或功為
<formula>formula see original document page 4</formula>
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令kp為水電站機組水輪機出水口處與壓力道管進水口處水體壓強之比
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kv為梯級水電站機組水輪機出水口處與壓力道管進水口處水體流速之比
、=丄 (12) 、 HD為水電站機組壓力道管進水口處與水輪機出水口處之間的落差
HD = H廠H。 (13) 把水輪機獲得的能量或功用電功率表示，則梯級水電站j第i臺機組以kW為單位 (lkW = 102kg. m/s)在時段dt內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示 & =^[(1 —、)i>1+*Vl3(Uv) + i/D]0G (14)
1 , 血 其中QG為機組發(fā)電流量，仏=^;^、,巧=丁。 對式(14)整理，得iVG =9.8[(1—Ap)尸,+^_Vl3(i-、) + /fD]2G (15) 從式(15)可以看出，水電站水庫可利用的水能包括水體壓能、動能、勢能，利用水 輪發(fā)電機組所獲得的電能同水電站落差、發(fā)電流量有關，還與壓力引水管進出口水體的壓 力、速度、引水管傾角以及水電站的庫容特征等參數(shù)有密切關系。 傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組都是采用上述式(1)的傳統(tǒng)計算方法來確定其裝機容量的。
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)電機是通過水庫、壓力引水管、水輪機、發(fā)電機和尾水管將水能轉(zhuǎn)化為機 械能在轉(zhuǎn)化為電能的，電能包括動能、勢能和壓能等三種分量。 2)動能分量與壓力引水管入水口處及水輪機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出水口處水流速度控制得小，動能分量將會增
大；壓力引水管入水口處及水輪機出水口處水流速度相等，動能分量為0。 3)壓能分量與壓力弓I水管入水口處及水輪機出水口處水流壓強之差值成正比。壓
力引水管入水口處水流所受壓強大而將水輪機出水口處水流壓強控制得小，壓能分量將會
增大；壓力引水管入水口處及水輪機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)明所要解決的技術問題是，提供一種水流增壓高效水力發(fā)
電方法與系統(tǒng)，增加水流壓力，進一步增大水流速度和壓力，提高水能中動能轉(zhuǎn)化效率，實
現(xiàn)更高效的水力發(fā)電。 本發(fā)明的技術方案如下 水流增壓高效水力發(fā)電方法，將尾水管做成喇叭形狀，而且尾水管管徑大于壓力 引水管管徑，同時在水庫壓力引水管入口處增加一套外部動力的增壓裝置。其作用在于， 通過擴大尾水管管徑，獲得壓力道管進水口和水輪機出水口水流速度更大的差值。在水輪 機出水口水流速度較小的情況下，在尾水管能夠輸運與壓力引水管一樣的發(fā)電流量時，使 動能更多地轉(zhuǎn)化為電能；通過對水庫壓力引水管入口處水流加壓并往下注入下端壓力引水 管，增大出水與進水的水壓差，在尾水管能夠輸運與壓力引水管一樣的發(fā)電流量時，使壓能 更多地轉(zhuǎn)化為電能。 水流增壓系統(tǒng)，是在水庫壓力引水管入口處增加外部動力的增壓裝置，使水流壓強增加。水流增壓系統(tǒng)包括外加增壓動力源、增壓水泵，其特征在于，將利用外加增壓動力 源將壓力弓I水管入口處水流壓力增加到適當?shù)乃健?水流增壓高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、外加動力增壓裝置、壓力引水管、水輪機、 發(fā)電機、尾水管，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。 上述的水流增壓高效水力發(fā)電系統(tǒng)，所述的任意截面尾水管，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)點在于通過對水庫壓力引水管進行創(chuàng)新設計，引入外加動力的增壓 裝置，對水庫壓力引水管入口處水流實施增壓，將壓力引水管入口處水流壓力增加到更高 的水平，增大水能中動能、壓能轉(zhuǎn)化為電能的分量，提高發(fā)電效率，提高水能的利用效率。


附圖為本發(fā)明水流增壓高效水力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
如圖所示，1為水庫，2為外加動力增壓裝置，3為壓力引水管，4為水輪機，5為發(fā)電 機，6為尾水管。外加動力增壓裝置2直接與水庫1連接，壓力引水管3的進水口與外加動 力增壓裝置2連接，壓力引水管3的出水口與水輪機4的進水口連接。水輪機4的出水口 與大管徑尾水管6的進水口直接連接。 以口徑8m的壓力引水管3為例，對水輪機4而言，若壓力引水管3的水流速度為 8m/s，在不考慮經(jīng)過水輪機4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6 管徑為壓力引水管3的管徑的兩倍，那么尾水管6在輸運與壓力引水管3 —樣的發(fā)電流量 條件時，流經(jīng)尾水管6的水流速度可變?yōu)?m/s。如果考慮水能中部分動能分量已經(jīng)通過水 輪機4轉(zhuǎn)化為機械能，那么尾水管6的水流速度將小于4m/s，甚至會更小。
對于新機組，在設計時只要權衡技術和經(jīng)濟的效果，對壓力引水管結(jié)構進行改造 和增加一套水流增壓系統(tǒng)，就可以達到提高水電站發(fā)電效益的目的。將尾水管出水口口徑 設計為壓力引水管口徑的k倍，就能夠使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尾水管水流速度的差值，從而使得更大的水流動能分量轉(zhuǎn)化 為電能；增加壓力引水管入口水流增壓系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)壓能分量所做功的增長，增加水輪 發(fā)電機組出力，提高水電站水能利用率和發(fā)電效率。 而對于老機組，只要對現(xiàn)有的壓力引水管進行結(jié)構和工藝上的技術改造，在壓力 引水管增加一套加壓裝置，就能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的技術效果。
權利要求
水流增壓高效水力發(fā)電方法，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
2. 水流增壓高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、外加動力增壓裝置、壓力引水管、水輪機、發(fā) 電機、尾水管，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
3. 水流增壓系統(tǒng)，是在水庫壓力弓I水管入口處增加增壓裝置，使水流壓強增加。水流增 壓系統(tǒng)包括外加增壓動力源、增壓水泵，其特征在于，將利用外加增壓動力源將壓力引水管 入口處水流壓力增加到適當?shù)乃健?br> 4. 如權利要求3所述的水流增壓系統(tǒng)，其特征在于，經(jīng)過加壓后壓力引水管水流壓力 大于壓力弓I水管入口處水流壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種水流增壓高效水力發(fā)電方法與系統(tǒng)，其特征在于將尾水管管徑設計為大于壓力引水管管徑，并通過外加的增壓裝置對水庫壓力引水管入口處水流進行加壓，增大水能中動能、壓能轉(zhuǎn)化為電能的分量，提高發(fā)電效率，提高水能的利用效率。
文檔編號F03B13/00GK101713368SQ20091011459
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者何芬, 吳杰康, 王冰 申請人:廣西大學