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
技術領域：
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[1]-[13] P＝9.80ηQH(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，η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動，最終實現(xiàn)水能-機械能-電能的耦合轉換，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、水位、直徑，H為水庫蓄水水位，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 設重量為mW、體積為VW的水體微元在壓力引水管進水口處的速度為vI，j，i，則其具有的動能為 重量為mW、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 (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pO，則該壓強對重量為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 設重量為mW、體積為VW的水體微元在水輪機出水口處的速度為vO，則其具有的動能為 重量為mW、體積為VW的水體微元在水輪機出水口處所具有的勢能為 其中HO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，水輪機獲得的能量或功為 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 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 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＝HI-HO(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(1kW＝102kg.m/s)在時段dt內(nèi)所產(chǎn)生的出力可以表示 其中QG為機組發(fā)電流量， 對式(14)整理，得 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化為機械能在轉化為電能的，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)，使水輪機出水口處瞬時排水量增大，流速降低，達到充分利用動能分量，使動能轉化效率提高，實現(xiàn)更高效水力發(fā)電的目的。同時，采用多條大管徑層疊布置的尾水管，可以進一步增加整個尾水管的管徑，進而更大地降低尾水水流的速度，增加水庫壓力引水管入口處與多條層疊尾水管水流速度的差值，進一步提高水能中動能向電能轉換的效率，提高水能利用效率。
本發(fā)明的技術方案如下 層疊式尾水管高效水力發(fā)電方法，在水輪機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，擴大尾水管出水口口徑，獲得壓力道管進水口與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，使尾水管能夠輸運與壓力引水管一樣的發(fā)電流量，使動能更多地轉化為電能。
層疊式尾水管高效水力發(fā)電系統(tǒng)，包括水庫、壓力引水管、水輪機、發(fā)電機、層疊尾水管，其特征在于水輪機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)點在于通過對水力發(fā)電系統(tǒng)的尾水管系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計，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，從而增大水能中動能分量轉化為電能的效率，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。
具體實施例方式 如圖所示，1為水庫，2為壓力引水管，3為水輪機，4為發(fā)電機，5為尾水管群(尾水管有n條)。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的出水口與多管大管徑尾水管5的進水口直接連接。
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2的水流速度為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在輸運與壓力引水管2一樣的發(fā)電流量條件時，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能分量已經(jīng)通過水輪機3轉化為機械能，那么每條喇叭形尾水管5的水流速度將小于4m/s，甚至會更小。從整個尾水管來看，其水流速度會接近于1m/s，甚至會更小。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。
對于新機組，在設計時只要權衡技術和經(jīng)濟的效果，將每條喇叭形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能分量轉化為電能，提高水能利用率，最強水能發(fā)電的高效性。
權利要求
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、高細壓力引水管、水輪機、發(fā)電機、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，獲得更大的水體勢能轉化為電能，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，增大水能中動能分量轉化為電能，提高發(fā)電效率。
文檔編號F03B11/00GK101713367SQ20091011459
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)明者吳杰康, 何芬 申請人:廣西大學