专利名称：利用丰水期多余水量增加水电站出力的制作方法
技术领域：
本发明属于水力发电技术，用于水电站建设和已有水电站技术改造，提高经济效益。经查阅有关技术资料，国内国外尚没有与本发明相同的技术资料和设备。
水力资源普遍特点是水量随季节不同，枯水期和丰水期流量相差悬殊。这就给水力资源开发利用带来很大难度。一般水电站的设计，考虑在枯水期利用可能实现高水头运行的有利条件，按最佳效率工况运行，发挥仅有流量的最佳效益。在丰水期投入全部设备，按最大出力运行，充分利用水量，获得更多的电能。枯水期因流量小，丰水期因水头低，电站出力均较低。只有枯水和丰水期之间，流量适中，可以保持较高的水头，是水电站高效满发的好时期。
确定水电站的装机容量，需要考虑的因素很多，但基本的原则是即要充分利用水力资源，又要尽可能减少投资。增大装机容量，可以更充分利用丰水期的水量，增加电能，但装机容量增加投资增加机电设备不能充分利用。
一般水电站的装机容量，除了少数具有多年完全调节水库的水电站，水量经调节可以全部利用外，多数水电站不能全部利用，丰水期要弃水。随着水库调节性能减弱，枯水期丰水期流量差别增大，弃水时间长，弃水量增大。
例如葛洲坝是没有调节能力的水电站，在设计水头18.6米，只要流量够，可以满发271.5万千瓦，但在丰水季节出现最小水头10.6米时，流量是足够的，因水头低只能发116.8万千瓦，当出现特殊最小水头8.3米时，电站仅能发出81万千瓦。丰水期丰富的水量不能利用而弃掉，电站出力又大幅度下降。不仅电站效益受损失，给电力系统运行也带来很大困难，措施不利，拉闸限电损失更大。可见研究探讨充分利用丰水期的水量，改善丰水期运行工况，增加丰水期水电站出力，是水力发电技术中一个十分重要的课题本发明主要提出解决这个问题理论和具体实施措施。
水轮机在丰水期低水头运行的两个特点1、在水轮机的设计中，设计水头确定在综合特性曲线的最优效率区附近。当偏离最优区越远，效率下降越快。附
图1是混流式水轮机导叶(项1)和转轮(项2)相对位置关系和水轮机转轮叶片进口速度三角形(项3)出口速度三角形(项4)。进口速度三角形(项3)中u1为圆周速度，v1为绝对速度，w1为相对速度。低水头运行时，机组转速不变，圆周速度u1大小方向不变，当导叶开度不变时，绝对速度v1方向不变，而数值减小，变成虚线位置，即绝对速度为v1'相对速度为w1'。w1'数值减小，方向也发生变化，对转轮叶片进口边产生了负冲角，使转轮叶片进口产生了脱流和撞击产生的紊乱水流流进口转轮叶片，破坏了翼型良好绕流使叶片水力损失加大，效率下降更快。项4为出口速度三角形，u2为出口圆周速度，机组转速不变，各种工况均相同，w2和v2为出口相对速度和绝对速度。当水头降低时，w2因叶片出口角不变而方向不变，数值相应减小。出口速度三角形变到虚线位置，w2'和v2'为变化后的相对速度和绝对速度。绝对速度v2偏离了设计工况的轴向出流，产生了正向(与转轮转向一致)环流。随水头继续下降，环流越来越大，环流使尾水管的效率下降，同时产生涡带，空腔汽蚀加重，压力脉动加大，不仅效率下降，还引起机组振动加大，影响机组正常运行。
2、在低水头运行，吸出高度减小，汽蚀安全余度增加。在水轮机设计中，为保证有良好的汽蚀特性，是按着最大水头，最大容量范围内各种工况运行，机组要求最小的吸出高度来确定的机组安装高程。在丰水期低水头运行，尾水位抬高，吸出高度进一步减小(负值增加)也就是尾水管进口处真空减小。尾水位继续增高，尾水管进口处可能变成正的压力。为对转轮叶片不产生翼型汽蚀很有好处，也就是汽蚀的安全余度增加。应当指出，如前所述，低水头运行，翼型良好的绕流被破坏和空腔汽蚀增加，汽蚀破坏还是存在的。
利用水电站在丰水期低水头运行汽蚀安全余度大的有利条件，利用多余的水量，提高流速补入水轮机尾水管中，增加尾水管中的真空度，即增加了水轮机有效水头，增加机组出力，同时改善了水流状态，提高了机组效率。
水电站水头取决于上下游水位高度，与机组安装高程无关，水轮机有效水头，主要取决于转轮叶片正面背面压力差值。机组安装高程确定后，转轮叶片正面的压力取决于上游水位高度，在丰水期上游水位可以保持在正常高水位附近运行，即叶片正面压力与枯水期相近。叶片背面一般是在高速水流作用下形成真空(负压)，尾水管上部也是真空，其大小与尾水位高度直接相关。丰水期尾水位抬高使叶片背面和尾水管进口处，真空度减小，即水轮机有效水头降低。将丰水期多余的水量，提高流速补入尾水管，使期能量转化为尾水管内真空，增加了叶片正面和背面的压力差值，增加了水轮机有效水头，即增加了机组出力。可见增加出力多少，取决于此时汽蚀安全余度和多余流量的大小。
由于水轮机有效水头增加，其运行工况向高水头运行转化，附图1进口和出口速度三角形是从虚线位置向实线位置转化，即向设计工况最优效率区靠近，水轮机转轮进口水流得到改善，损失减小，效率提高。尾水管中的环流减小，改善了紊乱的水流状态，空腔汽蚀和压力脉动均得到改善，增加了机组运行的稳定性。
可见利用丰水期多余的水量，不仅可以增加有效水头增加机组出力，而且改善了水轮机运行工况，提高了效率，增加了电能，减小了压力脉动，增加机组运行稳定性。是一举三得的好技术。
附图2表示水轮机转轮(项1)尾水管(项2)尾水位(项3)的位置关系，项4项5项6为引入压力水水管的位置。项4是锥管段沿圆周边布置的引水管，项5是在水平扩散段两侧沿高度布置的引水管，项6是水平向上扩散段沿上部水平方向布置的引水管。分区分组设闸门控制水量，以控制产生真空度大小和调节使水流状态较好。原则是沿周壁补入压力水，易改善流态，减小脉动。引水管与尾水管壁结构方式如附图3，项1为引水管，项2为尾水管。
采用本技术在水电站设计和水轮机设计中应考虑的几个问题1、在水电站设计中可能的情况下，尽量降低机组安装高程，增加汽蚀安全余度，为利用多余的压力水，增加水头，创造有利的条件。
2、采取本技术水轮机尾水管已超出原有的功能，应增加其高度、长度，以增加加入高速水流后的恢复速度能力。
3、补入压力水量的大小，按机组的容量大小，水头大小和需要增加的动力真空值来确定，计算中应考虑出口速度损失较大，留有余地。有条件的可按，已定机型的模型试验准确确定。补入位置按效果强弱项4、项5，项6依次应用。
4、本技术可用来解决三峡水电站围堰期和初期机组低水头运行稳定性问题，同时可以增加效益。三峡水电站初期水量是非常富余的，按高水头设计，汔蚀安全余度也很大，条件是充分的。
5、尾水管和压力引水管均需增加汽蚀磨损防护措施。
6、本技术用已有电站改造，按具体条件确定方案，仍可取得较大效益。
权利要求
本发明属于水力发电技术，用于水电站建设和已有水电站技术改造，提高经济效益。水电站建设普遍存在着丰水期尾水位高，水头降低，出力按水头降低1.5次方下降，同时大量水被弃掉不能利用，丰水期效益受损。本发明的特征是利用丰水期水头低，机组运行汽蚀安全余度大的有利条件，利用多余的水量，提高流速补入水轮机的尾水管中，增加尾管中的真度，即增加了水轮机有效水头，增加机组出力，同时改善了水流状态，提高了机组效率，增加水电站丰水期经济效益的原理。为实现上述发明原理，提出向尾水管补入高速水流的结构方案，其特征是在尾水管的锥管段水平扩散段，水平向上扩散段三个部位沿尾水管壁补入高速水流，对进水设闸门分区分组控制，控制产生真空度大小和调节进水量分布以利得到良好水流状态的补水方案。
全文摘要
本发明属于水力发电技术，用于水电站建设和已有水电站技术改造，提高丰水期经济效益。主要是利用丰水期水头低，机组运行汽蚀安全余度较大的有利条件，利用多余的水量，提高流速补入水轮机尾水管中，增加尾水管中真空度，即增加了水轮机有效水头，增加了机组出力，同时改善了水流状态，提高了机组的效率。实现提高丰水期水电站经济效益的目的。
文档编号F03B3/08GK1080363SQ9210497
公开日1994年1月5日 申请日期1992年6月20日 优先权日1992年6月20日
发明者贾福裕 申请人:贾福裕