水电站尾水管基于风力发电-电动机组的增压方法及高效发电系统 【技术领域】
本发明涉及一种水电站尾水管基于风力发电-电动机组的增压方法及高效发电系统，属于水力发电领域。
背景技术
水电站利用水库来蓄水，水库库容越大，存储的水量越大，水库蓄存的水能就越多。有一定流速的水流具有动能，动能大小与流速平方成正比；处于一定高度的水流具有势能，相对高度越大具有的势能就越大。水流从高处流向低处，可以将势能转化为动能，使水流获得较高的速度。水库里储蓄的水在重力作用下获得高的速度，沿压力引水管向下输移，在水轮机接口处获得更高的速度。具有一定速度的水流驱动水轮机转动，使水轮机获得机械能；水轮机驱动发电机，将机械能转化为电能。传统上水电站水轮发电机组输出功率的计算公式都采用如下数学公式：
P＝9.80ηQH (1)
式(1)中P为水轮发电机组输出功率(kW)，Q为发电流量(m3/s)，H为发电净水头(m)，η为水轮机发电效率。
式(1)是在假设压力引水管入口处水流速度、压强与水轮机出水口处水流速度、压强相等的前提下得出的。也就是说，水轮发电机组输出功率的传统计算方法只包括势能，而没有包括动能、压能。传统计算方法，没有考虑水流动能和压能在水库、压力引水管、水轮机、尾水管的输移，因此在结构和工艺上也没有对水库、压力引水管、水轮机、尾水管进行针对性改进和优化，使得水能没有得到充分和高效的利用。
水轮发电机组从水库水体势能、动能和压能转化而成的电能主要与水库落差、压力引水管入口处水流速度、压力引水管入口处水流压力和水库蓄水水位等有关系。
水电能源是以发电为主兼顾其他综合利用的资源，为了能够对其利用进行合理的优化，必须通过数学方法求出其总量，建立函数模型。水电能源是由自然水资源所蕴藏的能量转化而来，主要是存在于水体中的压能、势能、冲击动能以及水体重力做功所产生的能量。
(1)进水口处水体微元具有的能量
假设水电站某机组压力道管为圆柱形，进水口处一个在x方向上微长度为dx的水体微元，则该水体微元的受力有重力、水压强及水库水体重力分量对其作用力。在这些作用力共同作用下，水体微元沿着压力引水管进口向出口运动并推动水轮机组转动，最终实现水能-机械能-电能的耦合转换，水轮发电机组产生电能输出。
通过尾水加压系统作用，尾水管低压水流经加压装置加压注回水轮机进水口，此种情况下，压强沿压力引水管方向分量对水体微元所做的功或者所具有的能量WI为：
WI=(PI+PA)·VW=14πD2(PI+PA)dx=14πρgD2(H-HI+PA)dx---(2)]]>
其中PI、VW、HI、D为压力引水管入口处水体微元的压强、体积、水位、直径，PA为尾水增压系统所增加的压强，H为水库蓄水水位，ρ为水的比重，g为重力加速度。
水体微元重量在压力引水管入口处所形成的压力沿压力引水管方向的分量所做的功或者所具有的能量为：
MI=pMVM=14gπD2ρtanα·d2x---(3)]]>
式(3)中，α为压力引水管倾斜角。
设重量为mW、体积为VW的水体微元在压力引水管进水口处的速度为vI，j，i，则其具有的动能为：
kI=12gmWvI2=12g·14πρD2dx·vI2=18πρD2dx·vI2---(4)]]>
重量为mW、体积为VW的水体微元在压力引水管进水口处所具有势能为：
EI=mW·HI=14πρgD2HI·dx---(5)]]>
(2)出水口处水体微元具有的能量
对水轮机做功后运动到下游的水体微元，假设水电站水轮发电机组在水轮机出水口处的压强为pO，则该压强对重量为mW、体积为VW的水体微元所做的功为：
WO=pO·VW=14πD2POdx---(6)]]>
重量为mW的水体微元在水轮机出水口处截面所形成的压力沿压力道管方向的分量所做的功或者所具有的能量为：
MO=MI=14gπD2ρtanα·d2x---(7)]]>
设重量为mW、体积为VW的水体微元在水轮机出水口处的速度为vO，则其具有的动能为：
KO=12gmWvO2=12·14πρD2dx·vO2=18·πρD2vO2dx---(8)]]>
重量为mW、体积为VW的水体微元在水轮机出水口处所具有的势能为：
EO=mW·HO=14πρgD2HO·dx---(9)]]>
其中HO为水电站水轮机出水口处的高程。
(3)机组电能计算
水轮机进水口处水体微元对水轮机做功后运动到水轮机出水口，根据能量守恒定律，水轮机获得的能量或功为：
EG=WI+KI+EI+MI-WO-KO-EO-MO]]>
=πD2(PI+PA-Po)dx4+πρD2(VI2-vo2)dx8+πρgD2(HI-Ho)dx4---(10)]]>
令kp为水电站机组水轮机出水口处与压力道管进水口处水体压强与尾水增压系统所增加的压强总和之比值：
kP=pOpI+pA---(11)]]>
kv为梯级水电站机组水轮机出水口处与压力道管进水口处水体流速之比：
kv=vO2vI2---(12)]]>
HD为水电站机组压力道管进水口处与水轮机出水口处之间的落差：
HD＝HI-HO (13)
水轮机将获得地能量通过带动发电机旋转转移给发电机，假使转换效率为η，把发电机获得的能量或功用电功率表示，以kW为单位(1kW＝102kg.m/s)，则水电站发电机组在时段dt内所产生的出力可以表示为：
NG=1000102·η[(1-kp)(pI+pA)+ρ2vI2(1-kv)+ρgHD]QG---(14)]]>
其中QG为机组发电流量，QG=14πD2vI,]]>vI=dxdt.]]>
对式(14)整理，得：
NG=9.80·η[(1-kp)(pI+pA)+12ρvI2(1-kv)+ρgHD]QG---(15)]]>
从式(15)可以看出，水电站水轮发电机组可利用的水能包括水体压能、动能、势能，水轮发电机组的出力不仅同水电站落差、发电流量、转换效率有关，还与压力引水管进出口水体的压力、速度、尾水增压系统所增加的压强以及水电站的库容特征等参数有密切关系。
传统的水轮发电机组都是采用上述式(1)的传统计算方法来确定其装机容量的。
本发明的作者经过多年研究，得出如下结论：
1)水力发电机是通过水库、压力引水管、水轮机、发电机和尾水管将水能转化为机械能在转化为电能的，电能包括动能、势能和压能等三种分量。
2)动能分量与压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度的平方差成正比。压力引水管入水口处水流速度大而将水轮机出水口处水流速度控制得小，动能分量将会增大；压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度相等，动能分量为0。
3)压能分量与压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流压强之差值成正比。压力引水管入水口处水流所受压强大而将水轮机出水口处水流压强控制得小，压能分量将会增大；压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度相等，压能分量为0。
【发明内容】
基于上述的分析，本发明所要解决的技术问题是，提供一种水电站尾水管基于风力发电-电动机组的增压方法及高效发电系统，充分利用动能和压能两种分量，使动能和压能转化效率提高，实现更高效的水力发电。
本发明的技术方案如下：
水电站尾水管基于风力发电-电动机组的增压方法及高效发电系统，将尾水管做成喇叭形状，即尾水管的出水口口径大于进水口口径，同时在尾水管处增加一套基于风力发电-电动机组的加压装置。其作用在于，通过扩大尾水管出水口口径，获得压力道管进水口vI和水轮机出水口vO更大的差值。在水轮机出水口vO较小的情况下，在尾水管能够输运与压力引水管一样的发电流量时，使动能更多地转化为电能；通过对尾水管低压水流加压回注给压力引水管，增大进水与出水的水压差，在尾水管能够输运与压力引水管一样的发电流量时，使压能更多地转化为电能。
水电站尾水增压系统，包括连接管、基于风力发电-电动机组的加压装置、增压管，其特征在于：将尾水管低压水经过基于风力发电-电动机组的加压装置加压后注回压力引水管，增大出水口水压与进水口水压的差值。
水力发电机高效发电系统，包括水库、压力引水管、水轮机、发电机、尾水管，其特征在于：尾水管为喇叭形尾水管，即尾水管的出水口口径大于进水口口径。
上述的水力发电机高效发电系统，所述的喇叭形尾水管，其截面形状可为圆形，或椭圆形，或三角形，或方形，或多边形。
本发明的优点在于：通过对水力发电系统的尾水管系统和尾水处理系统进行创新设计，分别增大压力引水管和喇叭形尾水管水流速度、水压之差值，从而增大水能中动能、压能分量转化为电能，提高发电效率，水能的利用效率也就更高。
【附图说明】
附图为本发明水电站尾水管基于风力发电-电动机组的增压方法及高效发电系统的示意图。
【具体实施方式】
如图所示，1为水库，2为压力引水管，3为水轮机，4为发电机，5为尾水管，6为连接管，7为基于风力发电-电动机组的加压装置，8为增压管。压力引水管2的进水口与水库1连接，压力引水管2的出水口与水轮机3的进水口连接。水轮机3的出水口与大管径尾水管5的进水口直接连接，尾水管5出水口与增压装置7进水口通过连接管6相连，基于风力发电-电动机组的增压装置7出水口与增压管8的进水口连接，增压管8的出水口与压力引水管2的出水口及水轮机3的进水口连接。
以口径8m的压力引水管2为例，对水轮机3而言压力引水管水2的流速度为8m/s，在不考虑经过水轮机3后水流速度的变化及其他因素的影响的情况下，如果喇叭形尾水管5进水口口径为8m，出水口口径为压力引水管2的口径的两倍，那么喇叭形尾水管5在输运与压力引水管2一样的发电流量条件时，流经喇叭形尾水管5的水流速度可变为4m/s。如果考虑水能中部分动能分量已经通过水轮机3转化为机械能，那么喇叭形尾水管5的水流速度将小于4m/s，甚至会在1-2m/s以下。
以加尾水增压系统的水电站为例，假设未加尾水增压系统时，水轮机出水口压强PO和压力引水管进水口压强PI的比值为0.8，则水体微元压能分量做功可表示为0.2PIVW，若对该变电站增加尾水增压系统后，经加压装置回注给压力引水管的水压假设等于原进水口压强PI，即经加压装置加压所增加的水流压强PA为0.2PI，在此情况下，水体微元压能分量做功可表示为0.4PIVW，相较原先的压能分量做功提高了一倍，由此可知，增加尾水增压系统可以增加水电站的出力，提高水电站发电效率。
对于新机组，在设计时只要权衡技术和经济的效果，对尾水管结构进行改造和增加一套基于风力发电-电动机组的尾水增压系统，就可以达到提高水电站发电效益的目的。将喇叭形尾水管出水口口径设计为压力引水管口径的k倍，就能够使喇叭形尾水管水流速度减小1/k。喇叭形尾水管水流速度的减小，就能够增大压力引水管和喇叭形尾水管水流速度的差值，从而使得更大的水流动能分量转化为电能；增加尾水增压系统，就可以实现压能分量所做功的增长，增加水轮发电机组出力，提高水电站水能利用率和发电效率。
而对于老机组，只要对现有的尾水管进行结构和工艺上的技术改造，在尾水管增加一套基于风力发电-电动机组的加压装置，就能够实现本发明的技术效果。