專利名稱：利用豐水期多余水量增加水電站出力的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水力發(fā)電技術(shù)，用于水電站建設(shè)和已有水電站技術(shù)改造，提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)查閱有關(guān)技術(shù)資料，國內(nèi)國外尚沒有與本發(fā)明相同的技術(shù)資料和設(shè)備。
水力資源普遍特點(diǎn)是水量隨季節(jié)不同，枯水期和豐水期流量相差懸殊。這就給水力資源開發(fā)利用帶來很大難度。一般水電站的設(shè)計(jì)，考慮在枯水期利用可能實(shí)現(xiàn)高水頭運(yùn)行的有利條件，按最佳效率工況運(yùn)行，發(fā)揮僅有流量的最佳效益。在豐水期投入全部設(shè)備，按最大出力運(yùn)行，充分利用水量，獲得更多的電能。枯水期因流量小，豐水期因水頭低，電站出力均較低。只有枯水和豐水期之間，流量適中，可以保持較高的水頭，是水電站高效滿發(fā)的好時(shí)期。
確定水電站的裝機(jī)容量，需要考慮的因素很多，但基本的原則是即要充分利用水力資源，又要盡可能減少投資。增大裝機(jī)容量，可以更充分利用豐水期的水量，增加電能，但裝機(jī)容量增加投資增加機(jī)電設(shè)備不能充分利用。
一般水電站的裝機(jī)容量，除了少數(shù)具有多年完全調(diào)節(jié)水庫的水電站，水量經(jīng)調(diào)節(jié)可以全部利用外，多數(shù)水電站不能全部利用，豐水期要棄水。隨著水庫調(diào)節(jié)性能減弱，枯水期豐水期流量差別增大，棄水時(shí)間長，棄水量增大。
例如葛洲壩是沒有調(diào)節(jié)能力的水電站，在設(shè)計(jì)水頭18.6米，只要流量夠，可以滿發(fā)271.5萬千瓦，但在豐水季節(jié)出現(xiàn)最小水頭10.6米時(shí)，流量是足夠的，因水頭低只能發(fā)116.8萬千瓦，當(dāng)出現(xiàn)特殊最小水頭8.3米時(shí)，電站僅能發(fā)出81萬千瓦。豐水期豐富的水量不能利用而棄掉，電站出力又大幅度下降。不僅電站效益受損失，給電力系統(tǒng)運(yùn)行也帶來很大困難，措施不利，拉閘限電損失更大?？梢娧芯刻接懗浞掷秘S水期的水量，改善豐水期運(yùn)行工況，增加豐水期水電站出力，是水力發(fā)電技術(shù)中一個(gè)十分重要的課題本發(fā)明主要提出解決這個(gè)問題理論和具體實(shí)施措施。
水輪機(jī)在豐水期低水頭運(yùn)行的兩個(gè)特點(diǎn)1、在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)水頭確定在綜合特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)附近。當(dāng)偏離最優(yōu)區(qū)越遠(yuǎn)，效率下降越快。附

圖1是混流式水輪機(jī)導(dǎo)葉(項(xiàng)1)和轉(zhuǎn)輪(項(xiàng)2)相對(duì)位置關(guān)系和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口速度三角形(項(xiàng)3)出口速度三角形(項(xiàng)4)。進(jìn)口速度三角形(項(xiàng)3)中u1為圓周速度，v1為絕對(duì)速度，w1為相對(duì)速度。低水頭運(yùn)行時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，圓周速度u1大小方向不變，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時(shí)，絕對(duì)速度v1方向不變，而數(shù)值減小，變成虛線位置，即絕對(duì)速度為v1'相對(duì)速度為w1'。w1'數(shù)值減小，方向也發(fā)生變化，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊產(chǎn)生了負(fù)沖角，使轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口產(chǎn)生了脫流和撞擊產(chǎn)生的紊亂水流流進(jìn)口轉(zhuǎn)輪葉片，破壞了翼型良好繞流使葉片水力損失加大，效率下降更快。項(xiàng)4為出口速度三角形，u2為出口圓周速度，機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，各種工況均相同，w2和v2為出口相對(duì)速度和絕對(duì)速度。當(dāng)水頭降低時(shí)，w2因葉片出口角不變而方向不變，數(shù)值相應(yīng)減小。出口速度三角形變到虛線位置，w2'和v2'為變化后的相對(duì)速度和絕對(duì)速度。絕對(duì)速度v2偏離了設(shè)計(jì)工況的軸向出流，產(chǎn)生了正向(與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)向一致)環(huán)流。隨水頭繼續(xù)下降，環(huán)流越來越大，環(huán)流使尾水管的效率下降，同時(shí)產(chǎn)生渦帶，空腔汽蝕加重，壓力脈動(dòng)加大，不僅效率下降，還引起機(jī)組振動(dòng)加大，影響機(jī)組正常運(yùn)行。
2、在低水頭運(yùn)行，吸出高度減小，汽蝕安全余度增加。在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中，為保證有良好的汽蝕特性，是按著最大水頭，最大容量范圍內(nèi)各種工況運(yùn)行，機(jī)組要求最小的吸出高度來確定的機(jī)組安裝高程。在豐水期低水頭運(yùn)行，尾水位抬高，吸出高度進(jìn)一步減小(負(fù)值增加)也就是尾水管進(jìn)口處真空減小。尾水位繼續(xù)增高，尾水管進(jìn)口處可能變成正的壓力。為對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片不產(chǎn)生翼型汽蝕很有好處，也就是汽蝕的安全余度增加。應(yīng)當(dāng)指出，如前所述，低水頭運(yùn)行，翼型良好的繞流被破壞和空腔汽蝕增加，汽蝕破壞還是存在的。
利用水電站在豐水期低水頭運(yùn)行汽蝕安全余度大的有利條件，利用多余的水量，提高流速補(bǔ)入水輪機(jī)尾水管中，增加尾水管中的真空度，即增加了水輪機(jī)有效水頭，增加機(jī)組出力，同時(shí)改善了水流狀態(tài)，提高了機(jī)組效率。
水電站水頭取決于上下游水位高度，與機(jī)組安裝高程無關(guān)，水輪機(jī)有效水頭，主要取決于轉(zhuǎn)輪葉片正面背面壓力差值。機(jī)組安裝高程確定后，轉(zhuǎn)輪葉片正面的壓力取決于上游水位高度，在豐水期上游水位可以保持在正常高水位附近運(yùn)行，即葉片正面壓力與枯水期相近。葉片背面一般是在高速水流作用下形成真空(負(fù)壓)，尾水管上部也是真空，其大小與尾水位高度直接相關(guān)。豐水期尾水位抬高使葉片背面和尾水管進(jìn)口處，真空度減小，即水輪機(jī)有效水頭降低。將豐水期多余的水量，提高流速補(bǔ)入尾水管，使期能量轉(zhuǎn)化為尾水管內(nèi)真空，增加了葉片正面和背面的壓力差值，增加了水輪機(jī)有效水頭，即增加了機(jī)組出力。可見增加出力多少，取決于此時(shí)汽蝕安全余度和多余流量的大小。
由于水輪機(jī)有效水頭增加，其運(yùn)行工況向高水頭運(yùn)行轉(zhuǎn)化，附圖1進(jìn)口和出口速度三角形是從虛線位置向?qū)嵕€位置轉(zhuǎn)化，即向設(shè)計(jì)工況最優(yōu)效率區(qū)靠近，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流得到改善，損失減小，效率提高。尾水管中的環(huán)流減小，改善了紊亂的水流狀態(tài)，空腔汽蝕和壓力脈動(dòng)均得到改善，增加了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。
可見利用豐水期多余的水量，不僅可以增加有效水頭增加機(jī)組出力，而且改善了水輪機(jī)運(yùn)行工況，提高了效率，增加了電能，減小了壓力脈動(dòng)，增加機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。是一舉三得的好技術(shù)。
附圖2表示水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(項(xiàng)1)尾水管(項(xiàng)2)尾水位(項(xiàng)3)的位置關(guān)系，項(xiàng)4項(xiàng)5項(xiàng)6為引入壓力水水管的位置。項(xiàng)4是錐管段沿圓周邊布置的引水管，項(xiàng)5是在水平擴(kuò)散段兩側(cè)沿高度布置的引水管，項(xiàng)6是水平向上擴(kuò)散段沿上部水平方向布置的引水管。分區(qū)分組設(shè)閘門控制水量，以控制產(chǎn)生真空度大小和調(diào)節(jié)使水流狀態(tài)較好。原則是沿周壁補(bǔ)入壓力水，易改善流態(tài)，減小脈動(dòng)。引水管與尾水管壁結(jié)構(gòu)方式如附圖3，項(xiàng)1為引水管，項(xiàng)2為尾水管。
采用本技術(shù)在水電站設(shè)計(jì)和水輪機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的幾個(gè)問題1、在水電站設(shè)計(jì)中可能的情況下，盡量降低機(jī)組安裝高程，增加汽蝕安全余度，為利用多余的壓力水，增加水頭，創(chuàng)造有利的條件。
2、采取本技術(shù)水輪機(jī)尾水管已超出原有的功能，應(yīng)增加其高度、長度，以增加加入高速水流后的恢復(fù)速度能力。
3、補(bǔ)入壓力水量的大小，按機(jī)組的容量大小，水頭大小和需要增加的動(dòng)力真空值來確定，計(jì)算中應(yīng)考慮出口速度損失較大，留有余地。有條件的可按，已定機(jī)型的模型試驗(yàn)準(zhǔn)確確定。補(bǔ)入位置按效果強(qiáng)弱項(xiàng)4、項(xiàng)5，項(xiàng)6依次應(yīng)用。
4、本技術(shù)可用來解決三峽水電站圍堰期和初期機(jī)組低水頭運(yùn)行穩(wěn)定性問題，同時(shí)可以增加效益。三峽水電站初期水量是非常富余的，按高水頭設(shè)計(jì)，汔蝕安全余度也很大，條件是充分的。
5、尾水管和壓力引水管均需增加汽蝕磨損防護(hù)措施。
6、本技術(shù)用已有電站改造，按具體條件確定方案，仍可取得較大效益。
權(quán)利要求
本發(fā)明屬于水力發(fā)電技術(shù)，用于水電站建設(shè)和已有水電站技術(shù)改造，提高經(jīng)濟(jì)效益。水電站建設(shè)普遍存在著豐水期尾水位高，水頭降低，出力按水頭降低1.5次方下降，同時(shí)大量水被棄掉不能利用，豐水期效益受損。本發(fā)明的特征是利用豐水期水頭低，機(jī)組運(yùn)行汽蝕安全余度大的有利條件，利用多余的水量，提高流速補(bǔ)入水輪機(jī)的尾水管中，增加尾管中的真度，即增加了水輪機(jī)有效水頭，增加機(jī)組出力，同時(shí)改善了水流狀態(tài)，提高了機(jī)組效率，增加水電站豐水期經(jīng)濟(jì)效益的原理。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明原理，提出向尾水管補(bǔ)入高速水流的結(jié)構(gòu)方案，其特征是在尾水管的錐管段水平擴(kuò)散段，水平向上擴(kuò)散段三個(gè)部位沿尾水管壁補(bǔ)入高速水流，對(duì)進(jìn)水設(shè)閘門分區(qū)分組控制，控制產(chǎn)生真空度大小和調(diào)節(jié)進(jìn)水量分布以利得到良好水流狀態(tài)的補(bǔ)水方案。
全文摘要
本發(fā)明屬于水力發(fā)電技術(shù)，用于水電站建設(shè)和已有水電站技術(shù)改造，提高豐水期經(jīng)濟(jì)效益。主要是利用豐水期水頭低，機(jī)組運(yùn)行汽蝕安全余度較大的有利條件，利用多余的水量，提高流速補(bǔ)入水輪機(jī)尾水管中，增加尾水管中真空度，即增加了水輪機(jī)有效水頭，增加了機(jī)組出力，同時(shí)改善了水流狀態(tài)，提高了機(jī)組的效率。實(shí)現(xiàn)提高豐水期水電站經(jīng)濟(jì)效益的目的。
文檔編號(hào)F03B3/08GK1080363SQ9210497
公開日1994年1月5日 申請(qǐng)日期1992年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月20日
發(fā)明者賈福裕 申請(qǐng)人:賈福裕