專利名稱：用于包括動(dòng)力室的地下發(fā)電站的洞穴空氣腔的制作方法
用于包括動(dòng)力室的地下發(fā)電站的洞穴空氣腔 技術(shù)領(lǐng)域一種開鑿在巖石中的洞穴，位于動(dòng)力室的上游的不遠(yuǎn)距離處，包 括多個(gè)體積元件，所述體積元件彼此之間獨(dú)立，并具有任何體積形狀， 在所述體積元件的內(nèi)部包含壓力作用下的空氣或者任何氣體，從而洞 穴被用作空氣腔，目標(biāo)是能夠非常靠近放水路坑道的端部或者否則在 緊鄰放水路坑道的出口的外部處構(gòu)造動(dòng)力室，并且能夠獲得渦輪發(fā)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速的非常良好的控制穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
它包括洞穴，洞穴的內(nèi)部被引入大量的球體，所述球體通常由橡 膠、聚亞安酯、或者聚合物、或者任何其它有抵抗力的并且可在壓力的作用下膨脹的材料制成；密封；根據(jù)水錘作用計(jì)算等；或者洞穴內(nèi) 部被引入任何體積元件，所述體積元件的材料會(huì)通過洞穴中它周圍的水的壓力作用而收縮或者膨脹。由于液壓負(fù)荷而具有壓力下的密封空氣并且彼此之間獨(dú)立的體積 元件的目的在于即使當(dāng)巖石具有裂縫或者裂紋時(shí)，或者在地球運(yùn)動(dòng) 的事件中產(chǎn)生所述裂縫或者裂紋時(shí)，即使具有大開口裂縫外觀，用于產(chǎn)生空氣腔洞穴的空氣將永遠(yuǎn)不會(huì)損失空氣或者氣體，這是因?yàn)轶w積 元素將制造成具有充分大的直徑，比相當(dāng)大的裂縫更大，并且另外考 慮這樣的事實(shí)，即這些元件不會(huì)通過所述裂縫而離開，這是因?yàn)榻饘?網(wǎng)將設(shè)置在洞穴中，目的是如果裂縫具有大的尺寸防止所述元件離開 所述裂縫或者被捕獲在裂縫的內(nèi)部。這些元件，具有封閉的空氣或者氣體，無運(yùn)動(dòng)并且彼此獨(dú)立，位 于洞穴的內(nèi)部，通過來自它們周圍的排出管道或者多個(gè)管道中的水的壓力的作用，這些元件會(huì)收縮從而減小它們的體積。這些位于洞穴內(nèi)部的元件，目的是防止地下發(fā)電站受到水錘作用，每當(dāng)全甩負(fù)荷(load rejection)或者部分甩負(fù)荷時(shí)，產(chǎn)生所述水錘作 用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明、本專利申請(qǐng)的目的是一種洞穴，所述洞穴在它的內(nèi)部包 括多個(gè)球形的或者任何其它體積形狀的球，所述球由任意材料制成， 可膨脹，球之間獨(dú)立，球具有處于壓力作用下的空氣或者任何其它氣 體，作為一個(gè)元件使得洞穴作為空氣腔而工作，目的是具有非常良好 的調(diào)節(jié)，因?yàn)槎囱ńㄖ趧?dòng)力室上游距離動(dòng)力室不遠(yuǎn)距離處。當(dāng)與發(fā)電站相連的電網(wǎng)需要負(fù)荷增加時(shí)，渦輪機(jī)通過控制器的作 用接納更多的流動(dòng)，并且這種流動(dòng)必須通過鄰近的源頭提供，從而發(fā) 電站可以以滿意的方式調(diào)節(jié)頻率。因此，當(dāng)電力需求的這種增加產(chǎn)生 時(shí)，并且因此更多的流動(dòng)被接納到渦輪機(jī)時(shí)，根據(jù)需求的增加，發(fā)電 站中的壓力降低。因?yàn)樵谛枨笤黾又?，所述球或者體積元件是收縮 的并且它們的尺寸穩(wěn)定，所以它們將隨著壓力的降低而膨脹，因此由 于需求的這種改變需要向渦輪機(jī)提供其需要的水流。之后，在下一個(gè) 階段，產(chǎn)生坑道中的壓力增加并且因此產(chǎn)生腔室處的壓力增加，使得 球收縮，從而吸收部分壓力增加。然后，相同的循環(huán)再次發(fā)生，但是 因?yàn)樗^損失，這次更加弱化。這種現(xiàn)象稱為水力瞬變。當(dāng)由于渦輪轉(zhuǎn)速的快速停止(例如由于電能的切斷)而發(fā)生全甩 負(fù)荷時(shí)，產(chǎn)生水錘作用，使得整個(gè)系統(tǒng)中的壓力非常迅速地增大。在 那種情況中，所述球?qū)⒃谒霈F(xiàn)象的第一階段中收縮，并且吸收所述 壓力升高的一部分。然后，接著發(fā)生壓力的下降，從而球?qū)⒁虼伺蛎洝?所述循環(huán)將重復(fù)，但是因?yàn)樗^損失的影響，它將隨著時(shí)間更加弱化， 最終結(jié)束。因此，所述洞穴的目的還在于減輕水錘作用的影響。涉及這種洞穴的技術(shù)已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但是空氣是在洞穴充 滿水時(shí)通過大型壓縮機(jī)在壓力下被射入這種洞穴中的，直到被射入的 空氣的體積達(dá)到根據(jù)水錘作用模擬的給定值，這樣，洞穴中的水位沒直到某一高度，使空氣和水保持平衡。因此， 所述洞穴具有與上述相同的功能和作用。但是因?yàn)樗隹諝饣蛘邭怏w 與水接觸并且在壓力的作用下稀釋，所以需要使用壓縮機(jī)來射入損失 的空氣。但是實(shí)際技術(shù)的很大不便在于圍繞洞穴的巖石必須具有高的質(zhì) 量，但是即使如此，在發(fā)電站啟動(dòng)之前需要利用"灌漿，，技術(shù)來密封巖 石的所有的裂紋和裂縫。這項(xiàng)工作非常繁重，并且非常類似于在許多 被設(shè)計(jì)和建造成具有用作空氣腔的實(shí)際洞穴構(gòu)造的發(fā)電站中的工作， 因?yàn)樵谄溥\(yùn)行過程中，由于不可能準(zhǔn)確地預(yù)測剩余的沒有被密封的裂紋，或者由于許多原因而出現(xiàn)裂紋(例如地震、塊石容納等)，所以已 經(jīng)損失比開始預(yù)期的空氣更多的空氣。產(chǎn)生了一個(gè)問題為何一些發(fā)電站建造成具有這種洞穴空氣腔系 統(tǒng)？原因很簡單并且下面將解釋。


圖1示出了地下發(fā)電站的示意圖，所述地下發(fā)電站沒有位于動(dòng)力 室上游的洞穴，所迷動(dòng)力室也在巖石中開鑿、遠(yuǎn)離河流并在山的內(nèi)部 深處。圖2示出了具有發(fā)電站上游的空氣腔的地下布局。 圖3示出了尼泊爾的標(biāo)準(zhǔn)布局的發(fā)電站。 圖4示出了甩負(fù)荷。調(diào)壓罐處的水位。 圖5示出了甩負(fù)荷。渦輪機(jī)處的壓力。 圖6示出了負(fù)栽導(dǎo)納50%到100%。渦輪機(jī)處的壓力。 圖7示出了地下發(fā)電站。全甩負(fù)荷。渦輪機(jī)處的壓力。 圖8示出了地下發(fā)電站。全甩負(fù)荷。流過安全閥，所述閥的直徑 為4.0米。圖9示出了地下發(fā)電站。負(fù)栽導(dǎo)納從50%到100%。渦輪機(jī)處的壓力。
具體實(shí)施方式
因?yàn)槿绻春蛣?dòng)力室之間的L較大(見圖1)，控制問題較大，所以動(dòng)力室設(shè)置在山的內(nèi)部非常深的位置處。如果這個(gè)距離相當(dāng)大，例如如果動(dòng)力室靠近放水路坑道的出口，那么發(fā)電站將不能調(diào)節(jié)頻率，并且結(jié)果它將不能運(yùn)行。另一方面，管道L的橫截面比放水路坑道的橫截面小很多，后者 從動(dòng)力室開始并且在河流處(或者水被最終傾瀉的位置處)結(jié)束，因 為這個(gè)管道中的速度大約為3到5米/秒，而在坑道中，速度較小，這 是由于所有的能量已經(jīng)被消耗在渦輪機(jī)中，因此坑道中的流動(dòng)沒有受 到壓力的作用，而是如同在開放通道中流動(dòng)。由此可以推斷，放水路 坑道的成本，除長度單位以外，比壓力作用下的管道昂責(zé)許多。因此， 如果可以將動(dòng)力室建造在放水路坑道的出口附近或者它的外部，可節(jié)省數(shù)百萬美元，這是因?yàn)榭拥谰哂袛?shù)公里長的長度。但是為了實(shí)現(xiàn)這 種設(shè)置，巖石的質(zhì)量必須非常高。這種理想的布局在圖2中示出。因?yàn)樵趫D2中所示的并且在前面段落中已經(jīng)敘述的空氣腔的空氣 泄漏之前，獲知巖石的準(zhǔn)確特性具有很大的不確定性，所以許多應(yīng)該 按照這個(gè)方案構(gòu)造的地下發(fā)電站即使具有關(guān)于巖石質(zhì)量的良好的條 件，也沒有按照這種布置建造，而是按照?qǐng)Dl所示的布置建造，這樣 就放棄了數(shù)百萬美元費(fèi)用的節(jié)約，即使考慮"灌漿"、壓縮機(jī)和從這些 壓縮機(jī)產(chǎn)生的電能消耗的成本。通過本發(fā)明的目的的應(yīng)用，總是可以在每個(gè)地下發(fā)電站中選擇具 有獨(dú)立的球的洞穴系統(tǒng)，在它們的內(nèi)部具有壓力作用下的空氣或者氣 體，這是因?yàn)榭諝獠豢赡芤莩?，甚至在大的裂縫存在的情況下。正是 由于這個(gè)原因，這種提出的電站的方案或者布置甚至在劣質(zhì)巖石的情 況中也可以采用。甚至，由于本發(fā)明，洞穴可以靠近洞穴出口開鑿， 巖石在所述出口處總是比放水路坑道內(nèi)部具有更差的質(zhì)量，并且將動(dòng) 力室露天建造，這就除了已經(jīng)獲得的成本節(jié)約之外的另外的大的節(jié)約。在這種情況中，假設(shè)動(dòng)力室在外部，并且空氣腔洞穴設(shè)置在坑道 內(nèi)200米。在瞬態(tài)現(xiàn)象發(fā)生之前，洞穴在通過壓力作用而收縮的球的 內(nèi)部容納150立方米的空氣。對(duì)于全甩負(fù)荷，地下電站需要安全閥。圖6示出了對(duì)于全甩負(fù)荷的渦輪機(jī)中的壓力的變化，其中置入了直徑4.0米的安全閥，其方式 使得過壓等于在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電站(圖5)中產(chǎn)生的壓力。在圖6、圖7和圖8中所示的仿真中，受到穩(wěn)定流動(dòng)的外部壓力 的球內(nèi)部的初始空氣體積為300立方米。這種穩(wěn)定流動(dòng)壓力為102 m。因此，在水力瞬態(tài)之前，球的內(nèi)部 的空氣總量必須是100m。顯然，所迷球不必具有比在瞬態(tài)過程中的最小壓力更大的內(nèi)部壓 力，根據(jù)圖9，所述最小壓力為54m。如果一個(gè)具有特殊制造的球例如具有80厘米的直徑(Vo-0.268 m3)，具有54 m的壓力(79 lb/in2)，當(dāng)受到102 m的外部壓力時(shí)，將 減小它的體積假設(shè)Hb = 10 m結(jié)果，所需要的球的總數(shù)為 = -^L = 1935* 2000 0.155在被引入洞穴之前，這2000個(gè)球占用的體積為「緣=0.268 * 2000 = 546m3因?yàn)榧性谝黄鸬脑S多球體的球之間的未占用空間系數(shù)接近 0.50,所以所述洞穴需要1070 1113的最小開鑿體積。應(yīng)當(dāng)觀察到，具有直徑為20米的調(diào)壓罐的發(fā)電站需要10500 m3 的最小開鑿。這些值顯示出本發(fā)明還可以代替調(diào)壓罐，即使在具有導(dǎo)流隧道的 傳統(tǒng)布局的水力發(fā)電站中，并且調(diào)壓罐、引水道和動(dòng)力室在露天。
權(quán)利要求
1. 一種用于包括動(dòng)力室的地下發(fā)電站的洞穴空氣腔，旨在解決由于壓力的下降或者升高以及水錘現(xiàn)象造成的水力瞬變的問題，其特征在于，所述空氣腔在鄰近動(dòng)力室的巖石中開鑿，使減輕壓力梯度的腔元件由多個(gè)囊形狀的元件構(gòu)成，所述囊具有根據(jù)發(fā)電站的流動(dòng)壓力而收縮或者膨脹的特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在于， Duch腔位于動(dòng)力室的上游。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在 于，所述多個(gè)囊形狀的元件是由可壓縮或者可膨脹材料形成的固體容 積體。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在于， 所述固體容積體的嚢由諸如橡膠、聚亞安酯或類似物的彈性體材料形 成。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在 于，所述多個(gè)嚢形狀的元件為中空容積體，在其內(nèi)部具有壓力氣體。
6. 如權(quán)利要求5所述的用于地下發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在 于，所述襲的內(nèi)部的壓力氣體為空氣。
7. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其 特征在于，所述多個(gè)嚢形狀的元件具有任意體積形狀，優(yōu)選為球形。
8. 如權(quán)利要求7所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其特征在于， 所述多個(gè)嚢(12)形狀的元件是特別制造的球。
9. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于發(fā)電站的洞穴空氣腔，其 特征在于，所述多個(gè)嚢形狀的元件無運(yùn)動(dòng)，并且它們之間彼此獨(dú)立地 浸入腔內(nèi)部的水中，并受到與發(fā)電站的坑道相同的內(nèi)部壓力，所述液 壓腔與該坑道連接。
全文摘要
一種開鑿在巖石中的洞穴，位于地下發(fā)電站的動(dòng)力室的上游的不遠(yuǎn)處，在它的內(nèi)部包括許多球形的或者任何其它體積形狀的囊，所述囊之間獨(dú)立，并由可以膨脹或者收縮的材料(優(yōu)選是聚合物、橡膠等)制成，在囊的內(nèi)部具有任何的壓力氣體，優(yōu)選是空氣；因?yàn)樵诎l(fā)電站的需求增加之前，它向動(dòng)力室提供流動(dòng)，目的是具有渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的良好控制穩(wěn)定性，并且另外能夠控制水錘作用，并且具有這樣的特點(diǎn)，即空氣將不能穿過洞穴周圍的巖石中的裂紋或者裂縫逸出，這將使得不需要通過壓縮機(jī)進(jìn)行空氣供應(yīng)。
文檔編號(hào)E02B9/00GK101240532SQ20071000543
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月8日
發(fā)明者費(fèi)利佩·蒙薩爾韋·蒙薩爾韋, 路易斯·費(fèi)爾南多·蒙薩爾韋·孔特雷拉斯 申請(qǐng)人:路易斯·費(fèi)爾南多·蒙薩爾韋·孔特雷拉斯;費(fèi)利佩·蒙薩爾韋·蒙薩爾韋