專利名稱：水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水力發(fā)電機(jī)高效發(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[11-['■']:
P-9夠g// (1) 式中尸為水輪發(fā)電機(jī)組輸出功率(kW)， g為發(fā)電流量，//為發(fā)電水頭，？7為水
輪機(jī)發(fā)電效率。
式(l)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『,為
『/ =尸/ =W — //"p.丄TrD2^ =丄;r/ D2 (// -)cbc (2)
其中巧、f;、 //7、 Z)為壓力引水管入口處水體微元的體積、壓強(qiáng)、水位、
直徑，//為水庫(kù)蓄水水位，/ 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 所做的功或者所具有的能量為
= Pm^m = * ^ V.血2 (3) 設(shè)重量為^V 、體積為K『的水體微元在壓力引水管進(jìn)水口處的速度為
v/yv，則其具有的動(dòng)能為
<formula>formula see original document page 4</formula>
重量為m『、體積為K『的水體微元在壓力引水管進(jìn)水口處所具有勢(shì)能為
<formula>formula see original document page 4</formula>(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/^,則該壓強(qiáng)對(duì)重量為m^ 、體積為PV的水體
微元所做的為
『O =化.4 4 ""2尸(A (6)
重量為m『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
M。 =M/=*;zDVd2;c (7)
設(shè)重量為m『、體積為^V的水體微元在水輪機(jī)岀水口處的速度為V0，則其 具有的動(dòng)能為
AT0 =丄附『v古=丄■丄；ryC!D2djc' vj =丄.；r/ _D2vJdjc (8) 化 & 4
重量為、體積為F^的水體微元在水輪機(jī)出水口處所具有的勢(shì)能為
五0 = w『'0 = ^ ;rpD2//0. cbc (9)
其中//c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￡G = +〖7 +五j + Mj — PT0 _《0 — ^0 — M0
7Z￡)2 COS a[yO(/f - //7 ) _ _P0 ]血 7TpZ)2 COS Ct[V， - V，]血
= J + ^
一2(//廣//0)血 + J
(10)
令A(yù)^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
^=魚 (11)
^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
、=& (12)
//D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
7/0=/^—//0 (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y第/臺(tái)機(jī)組以kW 為單位(lkW402kg.m/s)在時(shí)段(k內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示
i丄[(1-^>/+^(1誦、)+//處 (14)
102 K
其中g(shù)cj為機(jī)組發(fā)電流量，0(;=t^O、，力=丁。
對(duì)式(14)整理，得:
iVG=9.8[(l-、)p,+^(l誦、)+ 7/^G (15)
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(l)的傳統(tǒng)計(jì)算方法來確定其裝機(jī)容 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) 壓能分量與壓力弓I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，提供一種水力發(fā)電機(jī)高 效發(fā)電方法及系統(tǒng)，充分利用動(dòng)能分量，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率提高，實(shí)現(xiàn)更高效的 水力發(fā)電。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電方法，將尾水管做成喇叭形狀，即尾水管的出水口口徑 大于進(jìn)水口口徑。其作用在于，通過擴(kuò)大尾水管出水口口徑，獲得壓力道管進(jìn)水口V,和水輪機(jī)出水口V^j更大的差值。在水輪機(jī)出水口Vc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。
水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、尾 水管，其特征在于尾水管為喇叭形尾水管，即尾水管的出水口口徑大于進(jìn)水
口 口徑。
上述的水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電系統(tǒng)，所述的喇叭形尾水管，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(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)，增大 壓力引水管和喇叭形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，提高發(fā)電效率，水能的利用效率也就更高。


附圖為本發(fā)明水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖所示，l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。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而言壓力引水管水2的流速度 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, 如果喇叭形尾水管5進(jìn)水口口徑為8m，出水口口徑為壓力引水管2的口徑的兩 倍，那么喇叭形尾水管5在輸運(yùn)與壓力引水管2—樣的發(fā)電流量條件時(shí)，流經(jīng)喇 叭形尾水管5的水流速度可變?yōu)?m/s。如果考慮水能中部分動(dòng)能分量己經(jīng)通過水輪機(jī)3轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，那么喇叭形尾水管5的水流速度將小于4ra/s，甚至?xí)?br> 在l-2m/s以下。
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，將喇叭形尾水管出水 口口徑設(shè)計(jì)為壓力引水管口徑的A:倍，就能夠使喇叭形尾水管水流速度減小 1/A:。喇叭形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。
而對(duì)于老機(jī)組，只要對(duì)現(xiàn)有的尾水管進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝上的技術(shù)改造，就能 夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。
權(quán)利要求
1、水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電方法，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
2、 水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫(kù)、壓力引水管、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、 尾水管，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
3、 如權(quán)利要求2所述的水力發(fā)電機(jī)高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的大 管徑尾水管截面形狀為圓形。
全文摘要
本發(fā)明公開一種水力發(fā)電機(jī)組高效發(fā)電的方法及其系統(tǒng)，其特征在于尾水管管徑大于壓力引水管管徑。通過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，提高發(fā)電效率。
文檔編號(hào)F03B13/00GK101539090SQ20091011394
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者吳杰康 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)