小型索牵引全浮动式水力发电站 本发明属于小型索牵引全浮动式水力发电站。
水力发电作为一种取之不尽，可循环利用，对环境无污染的能量转换形式日益受到人们的重视。尤其是对水力资源丰富，又处于国家电网以外的偏远地区和经济落后的农村，发展小型水力发电是改变区域经济落后状况的一项尤为迫切的任务。
多少年来，小型低水头、大流量水力发电站主要采用堤坝式固定厂房的布局，其典型的布局形式是河床式水力发电站。它主要由拦河堤坝、泄水闸或泄水洞等、引水输水建筑、钢筋混凝土厂房、轴流式或贯流式水轮发电机组以及电气设备组成。它具有使用寿命长，水流综合利用效果好等优势。但也存在明显的不足，主要是投资额较大，尤其是土建工程量和投资较大；施工周期长；结构复杂；附属设备多以及运行管理费用高等。
为了大幅度节省投资，加快小型低水头堤坝式水电站的建设速度，本发明提供一种小型索牵引全浮动式水力发电站。它主要由拦河堤坝、拦水闸、浮箱、牵引索和流道直径大、流速低的灯泡贯流式水轮发电机组等组成。与同等级功率和水头的堤坝式及河床式水电站相比它具有如下优势和特点：
一是总投资可节省20％～35％左右。其中土建投资可节省50％左右，机电投资可节省15％左右。
二是水工布局及结构简单，拦河堤坝高度低、跨度小，附属设备少。堤坝式水电站厂房一般布置于河道中心流线一侧，有的靠近岸边，需要修建跨越河道总宽度的拦河大坝。考虑到泥沙淤积和泄洪控制，其坝高度较高，一般最大高度是额定发电水头的3～5倍左右。本发明采用轻金属结构的浮动式厂房，并布置于河道中心流线附近，以拦水闸替代拦河堤坝，拦水闸两旁相联堤坝的高度一般只有额定发电水头的2倍左右。因此，拦河堤坝高度低，跨度短，能节约大量土石方工程量和原材料消耗；本发明在丰水期上游水位升高时，由浮箱带动拦水闸和机组向上提升，自动从拦水闸底部泄放多余水量和泥沙，不专门设置泄水闸，也没有导流渠、冲泥沙等水工建筑，土建和淹没损失也较小；金属薄壁筒状流道内安装灯泡贯流式水轮发电机组，不设置工作闸门、事故闸门及尾水闸等，在需要停机或检修时，只将整个流道连同水轮发电机组牵引出水面至厂房内即可。同时，由于额定水头保持不变，可采用定桨和固定导叶式结构。因此可以节省大约80％左右的起闭机械和附属设备。附属设备的减少有利于节省运行和管理的工作量和费用。
三是本发明的浮动式厂房建在水面以上地浮箱上，并全部采用轻金属拱梁和透光性好的薄板式顶蓬。因此，厂房内采光、通风条件好，工作环境有根本改善。克服堤坝式电站尤其是河床式水电站，厂房建在水下，并承受很大的水压力，结构强度高，材料消耗大，同时还要安装多种机械和设备解决厂房内通风、采光、内部交通、抽排积水等不足。
四是总投资中70％的机电和金属结构可以实现工厂化生产，有利于产品的系列化和标准化，有利于保证产品质量，改变目前水电站建设中多品种采购、多项目安装、多层次管理的不足，使小型低水头水电站建设实现规模化、集团化经营和开发。
五是土建工程投资小，施工单一，总投资中70％的机电和金属结构只进行现场成品和半成品组装，因此，施工周期可以缩短2～4倍。同时可以实现规模化和现代化施工，进一步降低劳务和施工费用。
六是索牵引全浮动式厂房结构能自然抵御地震等自然灾害的直接破坏；河道底部相通不破坏原有河流生态平衡和周边自然环境；拦河堤坝高度低、跨度小、承受压力小，因此，对建坝地址的地形和地质条件要求低，可以节省部分设计、勘探费用；并有可能选择离负荷中心较近的河段建站，节省部分电网工程费用。
本发明为低水头无调节径流式水电站，单台设计功率一般不超过600KW，拦河堤坝高度一般不超过10m。尤其是对于雨量充沛，年平均径流量较大的河流，装机容量的增加将进一步缩短拦河堤坝的跨度，降低土建工程的投资。在坡降较缓的河流上可采用多梯级布局、多座电站联网并与多年调节的大中型水电站联合运行可最大限度的提高水流的综合利用率。
图1，小型索牵引全浮动式水力发电站总体布局图
图2，主体布局及结构的侧剖图
本发明是这样实现的：在拦河堤坝1和拦水闸2作用下，水电站实现拦河蓄水。当上游水位达到设计蓄水位时，水流在水头压力下从速水口9进入灯泡贯流式水轮发电机4，将水能转变为旋转机械能，然后再转变为电能。电能由空心竖井14内的引出线送至岸边的变电站5升压后送到用户中去。
以下结合附图作详细叙述：
小型索牵引全浮动式水力发电站主要由拦河堤坝1，拦水闸2，浮箱3，贯流式水轮发电机组4和牵引索等组成。
拦河堤坝1横跨机组以外的河流宽度，最大高度一般是在发电站厂房6的两侧，其值一般不超过设计水头的2倍。在发电站厂房的两侧或一侧堤坝的坡面进行水泥硬化处理，可以形成溢流坝段7，满足设计水电站河段超泄洪量的要求。
拦水闸2竖立在与拦河堤坝1相联的闸基8上，并与闸基8实现侧向和底面止水。拦水闸2上前部与左右浮箱后部相联，下前部中间门槽与直锥形尾水扩散管出口10滑动相联。其结构主要由水平主梁、竖向主梁和联结系组成。拦水闸2的面板分为左中右三部分，左右为固定式面板，中间两根竖梁同时兼作门槽装入半程升降式闸叶和尾水管出口10法兰。拦水闸2通过金属桁架11与浮箱3和金属筒状流道12联成一个整体，并依靠牵引力来平衡整个闸门所承受的水压力。当上游来水较多，水位升高时，依照“水涨船高”原理，由浮箱3带动整个厂房和拦水闸2向上提升，多余来水及由上游携带的泥沙将从拦水闸2的底部自动向下游泄放。最大设计泄水量一般为额定发电流量的3倍左右。
浮箱3为长方形全密封金属结构。每台机组由左右两个并列的浮箱其同提供浮力，两个浮箱的中间是水轮发电机组的牵引通道。浮箱3的宽度和长度比一般在1∶8左右，其高度在2m左右。在浮箱3的前部设置有牵引索连接装置，在其上部建有厂房6，在其下部通过导轨支架13与流道12相联，在其后部与拦水闸2相联。整座电站以浮箱3的浮心为矩心进行力矩平衡设计，其力矩平衡的方式是以浮心为水平基面，通过设计牵引点离水平基面的高低距离和牵引索与水平基面的牵引仰角a来达到力矩的平衡。
本发明采用流道直径大、流速低的灯泡贯流式水轮发电机组4，并依靠后部的固定导叶和前部的三个互成120°的支架固定于短而直的金属筒状流道12内。其中上前部的一个支承架为全密封空心竖井14布置有发电机引出线及润滑油管道等。在正常发电位置时，空心竖井14一直由灯泡体内伸出水面以上。在流道的进水口9前部设置有防污栅15。在流道的前部和后部的外圆壁上各设置一个牵引点，当需要紧急停机和检修时，可由卷扬机16沿设置在牵引点两侧的导轨支架13将整个流道12和水轮发电机组4牵引出水面至厂房6内。由于额定水头变化范围很小，可采用定桨和固定导叶结构。
牵引索主要由主牵引索17，副牵引索18，平衡牵引索19和牵引桩20等组成。通常装机台数较多时，处于中心位置的两个浮箱依靠平衡牵引索与主牵引索固定联结，向两边依次与浮箱和主牵引索进行滑动联结。布置于最外侧的两根平衡牵引索通常与设置在最外侧浮箱的紧度调节轮21相联。主牵引索17和副牵引索18与牵引桩20固定相联。通常主牵引索17与牵引系中心轴线间构成的牵引侧向角θ为60°左右，牵引仰角a一般在10°左右。
拦水闸基础8由于只承受很小的压力和推力，因此，可以减小长度和重量，可采用陆地整体浇铸，然后实施浮运沉放或空中吊装的方式施工。
在浮箱3的上表面建有厂房6，厂房以导轨支架13为主支撑搭建轻金属拱式梁，并采用薄板材料或透光性好的工程塑料等进行遮盖。变电站房5设置在拦河堤坝1附近的岸上。由于距离较远，发电机引出线较长，操作联系较为不便。
本发明金属结构部分多，且大部分在水下工作，必须采取防腐处理措施。同时，牵引式布局使主要结构件处于拉伸应力状态，整体结构稳定性好，部分构件可以用铸铁、轻质铝合金和高分子工程塑料来替代。
实施例：一座总装机容量为2500KW的小型索牵引全浮动式水力发电站，装备10台灯泡贯流式水轮发电机组，其单台机组的主要特征参数如下：
额定功率 250KW
额定水头 4.0m
额定流量 9.3m3/s
转轮标称直径D1 1.50m
水轮机型 贯流定桨、灯泡引水室、固定导叶
流道全长 7.0D1
进水口直径 1.75D1
出水口直径 1.60D1
机组间距 4.5D1
浮箱尺寸(长×宽×高) 12m×1.5m×2.0m
2个浮箱合计提供最大极限浮力69000kg
浮动总重量约55000kg
其中水轮发电机组重约24000kg
厂房使用面积约60m2
拦水闸高度7.5m，宽6.0m
拦河堤坝最大高度约6.5m～7.0m
牵引索采用镀锌钢丝绳，正常垂直牵引力约470KN，牵引侧向角θ约60°，牵引仰角a约10°。
使用年限50年。