專利名稱：水電站尾水增壓與高效發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水電站尾水增壓與高效發(fā)電系統(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。有一定流速的水流具有動能，動能大小與流速平方成正比；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，使水流獲得較高的速度。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(xué)公式
尸=9.80/7^// (1)
式(l)中P為水輪發(fā)電機組輸出功率(kW)， ^為發(fā)電流量(mVs)， //為發(fā)電凈水 頭(m)， /7為水輪機發(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(gòu)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、壓力引水管入口處水流速度、壓力引水管入口處水流壓力和水庫蓄水水位等 有關(guān)系。
3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(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)生的能量。 (1)進水口處水體微元具有的能量
假設(shè)水電站某機組壓力道管為圓柱形，進水口處一個在JC方向上微長度為 ck的水體微元，則該水體微元的受力有重力、水壓強及水庫水體重力分量對其
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。
通過尾水加壓系統(tǒng)作用，尾水管低壓水流經(jīng)加壓裝置加壓注回水輪機進水 口，此種情況下，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『,為
其中巧、F^、 i^、 D為壓力引水管入口處水體微元的壓強、體積、水位、
直徑，尸,為尾水增壓系統(tǒng)所增加的壓強，//為水庫蓄水水位，；O為水的比重，g
為重力加速度。
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
M/ = =ig7rD2yOtanor'd2:v (3)
式(3)中，a為壓力引水管傾斜角。
設(shè)重量為m^ 、體積為fV的水體微元在壓力引水管進水口處的速度為 V/^.，則其具有的動能為
AT,=丄附 ,一 =丄.丄罕￡>2(^'一 ";zpD2dx.v (4)
重量為m^ 、體積為K^的水體微元在壓力引水管進水口處所具有勢能為
4<formula>formula see original document page 5</formula>
(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(shè)水電站水輪發(fā)電機組在水輪機
出水口處的壓強為； 。，則該壓強對重量為m^、體積為I^的水體微元所做的 功為
<formula>formula see original document page 5</formula>
重量為m『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
M0 = A/; =*g;zD2/ tan 'd2x (7) 設(shè)重量為m『、體積為^V的水體微元在水輪機岀水口處的速度為V0，則其
具有的動能為
AT0 二丄附wv古=丄.丄；rpZ)2(bc.《=丄.；r/oD2v^dx (8) ^ 一 2 4 8
重量為W『、體積為^V的水體微元在水輪機出水口處所具有的勢能為
//0 二 +;ryCgZ)2H0' dx (9)
其中//o為水電站水輪機出水口處的高程。 (3)機組電能計算
水輪機進水一p處水體微元對水輪機做功后運動到水輪機出水口，根據(jù)能量守
恒定律，水輪機獲得的能量或功為
<formula>formula see original document page 5</formula>)2 - 〃。 )A 4 8 4
令A(yù):p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與尾水
增壓系統(tǒng)所增加的壓強總和之比值<formula>formula see original document page 6</formula>、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
、4 (12)
//D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
//0 (13)
水輪機將獲得的能量通過帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移給發(fā)電機，假使轉(zhuǎn)換效率為 /7，把發(fā)電機,的能量或功用電功率表示，以kW為單位(lkW-102kg.m/s),則 水電站發(fā)電機組在時段df內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示為
:^."[(H為+^) + f V"卜"+ ^必 (14)
其中Qc 為機組發(fā)電流量，^j-丄^^v,， "=^。
4 &
對式(14)整理，得
乂; = 9.80. "[(I - 、)(P, + /O +— " + /^監(jiān) (15)
從式(15)JL^Ji出，水電站水輪發(fā)電機組可利用的水熊,括水體壓能、動能、 勢能，水輪發(fā)電機組的出力不僅同水電站落差、發(fā)電流量、轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，還與 壓力引水管進出口水體的壓力、速度、尾水增壓系統(tǒng)所增加的壓強以及水電站的 庫容特征等參數(shù)有密切關(guān)系。
傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組都是采用上述式(l)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) 動能分量與壓力弓I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i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)壓能分量與壓力引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(shù)問題是，提供一種水力發(fā)電機高 效發(fā)電方法及系統(tǒng)，充分利用動能分量，使動能轉(zhuǎn)化效率提高，實現(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 大于進水口口徑，同時在尾水管處增加一套加壓裝置。其作用在于，通過擴大尾 水管出水口口徑，獲得壓力道管進水口V,和水輪機出水口V。更大的差值。在水 輪機出水口Vc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；通過對尾水管低壓水流加壓回注給壓力引水管， 增大進水與出水的水壓差，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。
水電站尾水增壓系統(tǒng)，包括連接管、增壓裝置、增壓管，其特征在于將 尾水管低壓水經(jīng)過加壓裝置加壓后注回壓力引水管，增大出水口水壓與進水口 水壓的差值。
水力發(fā)電機高效發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、壓力引水管、水輪機、發(fā)電機、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水
7口口徑。
上述的水力發(fā)電機高效發(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)點在于通過對水力發(fā)電系統(tǒng)的尾水管系統(tǒng)和尾水處理系統(tǒng)進行 創(chuàng)新設(shè)計，分別增大壓力引水管和喇叭形尾水管水流速度、水壓之差值，從而增 大水能中動能、壓能分量轉(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)明水電站尾水增壓與高效發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
如圖所示，l為水庫，2為壓力引水管，3為水輪機，4為發(fā)電機，5為尾水 管，6為連接管，7為加壓裝置，8為增壓管。壓力引水管2的進水口與水庫1 連接，壓力引水管2的出水口與水輪機3的進水口連接。水輪機3的出水口與大 管徑尾水管5的進水口直接連接，尾水管5出水口與增壓裝置7進水口通過連接 管6相連，增壓裝置7出水口與增壓管8的進水口連接，增壓管8的出水口與壓 力引水管2的出水口及水輪機3的進水口連接。
以口徑8m的壓力引水管2為例，對水輪機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在輸運與壓力引水管2—樣的發(fā)電流量條件時，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能分量已經(jīng)通過 水輪機3轉(zhuǎn)化為機械能，那么喇叭形尾水管5的水流速度將小于4m/s，甚至?xí)?在1-2m/s以下。'以加尾水增壓系統(tǒng)的水電站為例，假設(shè)未加尾水增壓系統(tǒng)時，水輪機出水 口壓強尸。和壓力引水管進水口壓強《的比值為0.8，則水體微元壓能分量做功 可表示為0.2尸,K^若對該變電站增加尾水增壓系統(tǒng)后，經(jīng)加壓裝置回注給壓力 引水管的水壓假設(shè)等于原進水口壓強尸,，即經(jīng)加壓裝置加壓所增加的水流壓強 A為0.2尸,，在此情況下，水體微元壓能分量做功可表示為0.4尸,fV，相較原先
的壓能分量做功提高了一倍，由此可知，增加尾水增壓系統(tǒng)可以增加水電站的出 力，提高水電站發(fā)電效率。
對于新機組，在設(shè)計時只要權(quán)衡技術(shù)和經(jīng)濟的效果，對尾水管結(jié)構(gòu)進行改 造和增加一套尾水增壓系統(tǒng)，就可以達到提高水電站發(fā)電效益的目的。將喇叭形 尾水管出水口口徑設(shè)計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能分量轉(zhuǎn)化為電能；增加尾水增壓 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)有的尾水管進行結(jié)構(gòu)和工藝上的技術(shù)改造，在尾 水管增加一套加壓裝置，就能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。
9
權(quán)利要求
1、水電站高效發(fā)電方法，其特征在于，尾水管管徑大于壓力引水管管徑。
2、 水電站高效發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、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、 水電站尾水增壓系統(tǒng)，包括連接管、增壓裝置、增壓管，其特征在于， 將尾水管低壓水經(jīng)過加壓裝置加壓后注回壓力引水管。
4、 如權(quán)利要求3所述的水電站尾水增壓系統(tǒng)，其特征在于，注回壓力引水 管水流壓力大于尾水管水流壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種水電站尾水增壓與高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于將尾水管管徑設(shè)計為大于壓力引水管管徑，并通過加壓裝置對尾水管低壓水流進行加壓，重新注回壓力引水管。通過增大壓力引水管和尾水管水流速度、壓強之差值，從而增大水能中動能、壓能分量轉(zhuǎn)化為電能，提高發(fā)電效率。
文檔編號F03B13/08GK101566120SQ20091011411
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者吳杰康, 建 曾 申請人:廣西大學(xué)