CN1352352A - 水库清沙并能收集沙石及漂物的虹吸发电*** - Google Patents

Abstract

一种能够清理库底淤积物,水面漂浮物,并将清理出的沙石、漂物筛分后收集,还可利用沙浆冲击水轮发电的发电***。由虹吸管1、吸沙浆阀2、调节阀3、出沙浆阀4、水轮机8、发电机18、卵石筛运机9、粗沙筛运机10、细沙运送渡槽11构成。清沙、清漂是利用坝的势能,不消耗有价能源,充分利用冲沙、冲漂及库容外水资源增大发电量。根治水库淤积之沉疴顽症,使水库永葆青春,长久造福人类。

Description

水库清沙并能收集沙石及漂物的虹吸发电***

本发明专利涉及的是一种能够清理水库底部沉积物，水面的漂浮物，并能将清理出的沙石、漂浮物筛分后收集。且能利用沙浆冲击水轮发电的虹吸发电***。

目前水库的清淤、清漂是靠冲沙闸、排漂闸开放，让大流量水把淤物及漂物冲向下游。不但造成大量水资源损失，还会给下游造成碍航危害及下游的河道环境污染。夹沙紊流还会冲刷河岸，使河床改道及河堤蹦踏。再者靠挖沙船用泵管伸入库底捞沙。挖沙船耗能高、效率低深水作业困难，对整治淤害能力有限。“水库是水利水电工程综合利用水资源的重要组成部分，在水库蓄水运用的情况下，随着泥沙在库区的淤积，水库的有效容量日益减少，终至淤废，我国北方多沙河流水库，迄今已有不少水库淤废。如陕西省库容大于100万立方米水库共192座，截止1973年已淤废43座，黄河青铜峡水库1969年蓄水运用，截止1980年有效库容已淤积86％。美国1935年前修建的水库已有10％的水库淤废。”(摘自《三峡工程泥沙研究》)

本发明提供一种集清理库底淤积和水面漂物，兼发电于一身的虹吸发电***，其目的是充分利用水力资源，增大发电量，根治水库淤积而废弃的沉疴顽症，使水库永保青春，为人类造福。

本发明是这样实现的，在水库的大坝或库堤设置一路虹吸管路，其一端伸入库底最深部排沙闸下的深槽里，端部装有电动吸沙浆阀，在靠近吸沙浆阀一定距离装设向上方向一路管路与主虹吸管相通，其长短主要避开沙区，保证能吸入清水，最上部安装电动调节阀。在管路靠近水库水面附近，安装一台引水泵和引水阀，水泵吸水龙头置于水库水中。水泵出水口与引水阀通过管路连在一齐，引水阀另一端通过管路与虹吸管相连。在虹吸管最高处装设一排空气阀，并通过管路与虹吸管最高处相连通，另一端安装一段管子置于空气中，虹吸管成半园拱形跨过大坝，(条件允许的话最好是从靠近库水面附近穿通大坝为好，可减少压头损失)虹吸管直伸到水轮机上端，虹吸管端部装有电动出沙浆阀，阀下有厚钢板制成的水轮机90°-120°园弧形定子，并与水轮机架构成沙浆通道。出沙阀口的中心与水轮机叶片上的园形底下装有弹簧的垫板对应，水轮机的轴心与水轮机定子的90°-120°弧同园心。水轮机下部装有卵石筛运送机。卵石筛运送机下面装有粗沙筛运送机。粗沙筛下部装有运送细沙浆的渡槽。用于排漂时，如图2所示，不需要粗沙筛及细沙浆渡槽。其吸漂阀所在虹吸管端部应安装于水库水面下1-2米处，且吸口向上。用于水库中、上游清淤时，如图3所示，虹吸管横穿大堤，吸浆阀与调节阀一端应置于水库易淤处人工开挖的较深的存沙池底部。该发电机运用前首先关闭出沙浆阀，然后打开排气阀、调节阀和吸浆阀，使虹吸管内水位上升，直到接近水库水面时，关闭调节阀及吸浆阀，打开引水阀，开启引水泵，往虹吸管内灌引水，当排气阀向上喷水时，关闭排气阀及引水阀，停止引水泵，打开出沙浆阀及调节阀，此时便有大量水流冲向水轮机，水轮机转动带动发电机发电。待发电稳定后再开启吸沙浆阀，清沙开始运作。调节阀用来调节沙浆水沙比例达到最佳值。同时使水轮机转速稳定在规定值内。如果用于老水库，可开启螺旋滚筒机，将沉淀已久的淤沙搅匀，便于虹吸管吸入。开启卵石运送机把筛上的卵石运送到卵石仓里，粗细沙从卵石筛运送机的底部及两侧槽壁的密布孔中注入粗沙筛运送机。开启粗沙运送机把筛过的粗沙运送进粗沙仓，细沙浆便从粗沙筛两侧壁孔中流入细沙浆渡槽。沿着水平设置或略有下坡的渡槽，细沙浆流入选定好的山谷细沙存放场中沉淀，积满后清水流出，细沙可挖出造砖及做建材使用，或填谷造田。粗沙较为昴贵不愁出售。卵石可挑出精美的做成工艺品出售或做建筑材料。

本发明主要根据虹吸现象，物理学中能量守恒定律及能量转换规律、势能转换成动能与路途无关，其虹吸管的流量取决于水库水面与出浆口的标高差，即为压头，单位米。以H表示，则

H＝R_TQ²                                   <1>

R_T—阻力系数(s²/m⁵)

Q—管内流量(m³/s) $R_T=\frac{8}{{\mathrm{\&pi;}}^{2}g}[{\mathrm{\&lambda;}}_x\frac{l_x}{d_x^s}+{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{l_p}{d_p^s}+{\mathrm{\&Sigma;\&epsiv;}}_x\frac{1}{d_x^s}+({\mathrm{\&Sigma;\&epsiv;}}_p+1)\frac{1}{d_p^s}](s^2/m^5)---\&lang;2\&rang;$

λ_xλ_p—沿程阻力损失系数     g——重力加速度

L_xL_p—沿程管路长度

∑ε_x∑ε_p—管路上局部阻力损失系数之和

(<1>、<2>式来源于煤炭工业出版社出版，淮南矿业学院白铭声、陈祖苏教授合编的《流体机械》一书)

虹吸管路要求沿程所有处的内径必须保持一致，且大于吸沙浆口直径，为此计算时只考虑按一种直径计算，局部阻力损失系数也就忽略不计了，即按下式计算。 $R_T=\frac{8}{{\mathrm{\&pi;}}^{2}g}{\mathrm{\&lambda;}}_x\frac{l_x}{d_x^s}$

管内流体出力以P为标示，则

P＝9.81QH

(公式来源于中国水利水电出版社出版，河海大学刘大恺教授主编的《水轮机》)

为此发电机的功率与压头H和流量Q有关，而Q又取决于阻力系数R_T和压头H，阻力系数直接与管的内径和长度有关

由于采用上述方案，可有以下几个方面有益效果；1、能够清除水库底部的淤积物，使水库较长时期服务于人类；2、清除水面上的漂浮物，并能将这些白色垃圾收集回收再利用，减少下游河道的环境污染；3、由于沙石被收集减少下游河道淤积便于通航，减少下游清淤费用；4、能把冲沙、冲漂及库容外水资源充分利用进行发电增加水库的发电能力；5、沙石及漂物被收集重新加以利用，变有害于社会有害于人类为有利于社会有利于人类；6、有价能源消耗极少，只是灌引水开闸阀，运送沙石及漂物机耗能，而吸沙吸漂物是充分利用大坝的势能而已，决不消耗其他有价能源；7、由于超前将沉沙收入管内，流径水库主发电机水轮机的流水含沙量大大减少，减少主发电机水轮机的磨损量，延长主水轮机的使用寿命也会带来可观的经济效益。总的来说该项发明的经济，社会效益是很难用数量表示清楚的。

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明；

图1为本发明安装在水库拦水大坝的清沙发电的剖面图。

图2为本发明专利安装在水库拦水大坝上清漂发电机剖面图

图3为本发明用于水库中上游清理易淤处淤积物发电的剖面图。

图4是本发明用于大坝的侧视图

图中1、虹吸管；2、电动吸沙浆阀；3、电动调节阀；4、电动出沙浆阀、出漂物阀；5、排空气阀；6、引水阀；7、引水泵；8、水轮机；9、卵石筛运送机；10、粗沙筛运送机；11、细沙浆渡槽；12、水库拦水大坝；13、带割刀的螺旋滚筒机；14、虹吸管固定螺栓；15、虹吸管固定腰带；16、冲沙闸积沙深槽；17、水库水面；18、发电机；19、水库下游水面；20、水库库堤；21、水库底；22、积沙池；23、排漂虹吸管底托架；24、水轮机90°-120°园弧定子；25、水轮机机架；26、装于水轮机叶片上由弹簧支撑的防砸垫板；27、弹簧；

图1中虹吸管1伸入水库底部的一端与吸沙浆阀2、调节阀3相连，调节阀3应远离沙区一定距离，以保证能吸进清水。靠近水面17附近有引水泵7，其出水口通过管路与引水阀6相连，6的另一端通过管路与虹吸管1相连，在虹吸管最高处有排空气阀5通过管路与虹吸管1相连，另端安一定长度管子置于空气中。虹吸管1的另一端与出沙浆阀4相连，并置于水轮机架25的上部，其中心对着水轮机8的叶片上的弹簧垫板26中心，26与叶片之间有弹簧27相连；机架25上部与两侧面与水轮机90°-120°定子构成沙浆通道，水轮机半边叶片夹于通道中，沙浆冲击叶片使水轮机8旋转。带动发电机发电，通道出口的下面装有卵石筛运送机9，运送机可由煤矿用大型刮板机括大改制，溜槽底和帮密布所定小于最小卵石直径的孔。以便于卵石筛出运走。可挑选精美的做工艺品出售，其它做建筑材料。沙浆从密布孔中流进再下面的粗沙筛运送机10。10和9大致相同，只是密布孔径小于筛选粗沙最小粒度直径，筛上的粗沙被机器运进仓，而细沙浆流入最下面的细沙浆渡槽11，细沙浆顺着略有下坡的渡槽流进山谷沙场，沉淀后，清水流入下游河道。细沙可用于造砖及建筑材料或填谷造田。排气阀5引水阀6及引水泵7的设置，只是为启动该***所用，一旦该***运转正常，它们便完成使命，只要虹吸管内满水，再也不会再用它们。调节阀3是用来调节水沙比例，以选择最佳运作，同时它也可以用来调节流量达到附节发电频率的目的。它的另一个作用是关机时清理虹吸管内积沙，关机时先完全打开调节阀3，关闭吸沙浆阀2，待出沙浆口完全是清水时再同时关闭出沙浆阀4和调节阀3。虹吸发电机用于水库中上游清沙时，必须选定易于淤沙的地方深挖积沙池，以便把水库顺水积沙和高水位蓄水形成回流水所沉淀积沙收留积存，便于虹吸管采沙。使用本发明的关键问题是必须出沙口与库水而有一定的落差，且出口低于水面。螺旋滚筒机13由纲板与阀2相连。用于废库清淤。

下面假设该发明在举世闻名的长江三硖水库完全竣工后使用情况粗略分析计算如下；

已知三硖大坝最大高度185m，正常蓄水水位175m，枯水季节蓄水水位155m，假定出沙浆口与库水面落差为120m。

则虹吸管长度

$Q=\sqrt{\frac{H}{R_T}}$ $R_T=\frac{8}{{\mathrm{\&pi;}}^{2}g}{\mathrm{\&lambda;}}_x\frac{343}{d_x^s}$

这里λ的值计算难以找到合适的公式只有采用舍维列夫旧钢管及旧铸铁管的公式。

这里的λ被认为在粗糙且锈蚀严重的旧管中流体的阻力系数，而我们虹吸管一旦使用其内管壁肯定会被沙石磨的很光滑，可以说按此公式计算是比较保守的，下面选定Ф2mФ2.5mФ3m三种管径分别计算如下：

         R_T2＝0.0151

    R_T2.5＝0.00474

   

    R_T3＝0.001761

将上述R_T值代入

  Q₂＝89.15m³/s     Q_2.5＝159.11m³/sQ₃＝261m³/s

虹吸管内流水出力为：

P₂＝9.81×89.15×120＝10.5万千瓦

P_2.5＝9.81×159.11×120＝18.7万千瓦

P₃＝9.81×261×120＝30.7万千瓦

不难看出如果把7个冲沙闸，还有泄洪闸及冲漂闸，船闸都安装使用该发明技术，可使冲沙、冲漂及库容外水资源得到全面的利用，同时水库将增加非常可观的发电容量。更不难看出这么大吸动力在水库底部抽吸，沙石是很难再进入下游河床了，再加上中上游分段设置几处，三峡水库的淤沙问题何用再愁。

该项发明负面影响及存在的问题。

事物的发展都有两面性，即能对社会和人类产生积极影响给人类造福的一面，同时也有不利的影响，现分析如下：

1、由于采用本发明基本上能把水库所存粗沙，卵石捕捉且运到有用的地方，细沙归场。这样水库下游河床的沙石将渐渐缺少，以后有可能水流直截冲击河底，有可能造成河堤的维修量加大，建议使用本发明技术时应考虑对两岸及大堤打钻注水泥浆防止河岸及大堤踏方。

2、排漂虹吸发电设备启动后，给靠近吸口附近造成强大的旋涡。为此吸口附近一定距离需架设围栅，以防小船及泳人被吸进管内造成财产及人员伤亡。

3、一些濒临灭绝的珍贵生物，有可能误入吸管，当越过吸管最高处后基本上作自由落体运动而被摔死。为此建议应研究发明恐吓干扰信号，驱赶珍贵生物远离虹吸管口。

4、沙浆及漂物流流经虹吸管时，对大坝产生一压力，此力和开启冲沙闸比较起来可能要小，但其越过大坝顶端，此力相对大坝根部产生一力矩，应在固定虹吸管处增加钢筋混凝土墩，以防对大坝的破坏作用。

5、水库尾部淤积问题本技术还无法解决，该段还必须使用挖沙船作业，该技术必须有一定的水位落差才行。

6、本发明技术水轮机实际上是做为对越过虹吸管最高处的卵石作自由落体运动产生的冲力的一种缓解。它设置在哪里就是挨砸的，为此其发电效率肯定不尽人意，同时根据能量转换原理，水轮机必须做成质量很大才能满足正常使用要求，为此比较费钢铁。

7、根据清淤要求，能吸起的卵石直径越大越好，但根据能量转换公式计算，直径达1米的卵石在压头为120时，冲击在水轮机叶片上的冲力达3000多吨，为此确定吸引卵石的直径必须限制在0.5-0.6米(Ф0.5为300多吨，Ф0.6为600吨)吸沙浆口应加栅限制，或分Ф0.5mФ0.6m多处吸口。

8、该技术的操作比较简单最好能使用计算机控制，但缺少水下监视吸沙浆口的传感器，为此建议能加强这些方面的研究，尽快使用计算机控制水沙比例，及发电机频率。

9、此水轮的转速不会太快为此需研究大功率多磁极对数发电机。

Claims (6)

1、一种水库清沙并能收集沙石、漂物的虹吸发电***，由坝、堤、虹吸管、吸沙浆阀、调节阀、出沙浆阀、排气阀、引水阀、引水泵、水轮机、发电机、卵石筛运送机、粗沙筛运送机、细沙浆运送渡槽、螺旋滚筒机组成，其特征是：虹吸管横跨或横穿坝、堤。布置在坝堤横断面的两边，一端伸入库底最深处或水库水面下1-2米处。端部接有吸沙浆阀或吸漂物阀，在距吸沙浆阀一定距离的虹吸管上向上方向接一管。其端部接调节阀置于能避开沙区，吸到清水的地方。虹吸管接近水面附近由一管引水阀相接，引水阀另一端再由管与引水泵出水口相连，引水泵吸水口置水库水里，虹吸管的最高处由一管与排气阀相接，排气阀另一端接一段管置于空气中，虹吸管的另一端与出沙浆阀相接出沙浆阀另一端对准水轮机叶片上弹簧垫板。

2、根据权力要求1所述的水库清沙并能收集沙石及漂物的虹吸发电***，其特征在于：水轮机由转子、定子组成，转子上有叶片支撑的垫板，定子是由钢板制成90°——120°园弧与机架两边相连，构成沙浆通道，水轮机叶片从通道中转过。水轮机轴心即为定子弧的园心，其轴与发电机轴相连。

3、根据权力要求1所述的水库清沙并能收集沙石及漂物的发电***，其特证在于：卵石筛运送机装于水轮机架与园弧形成的沙浆通道下部。结构和煤矿用大型板运输机相似，只是槽底及帮密布所定分类最小卵石直径的孔。

4、根据权力要求1所述的水库沙并能收集沙石及漂物的发电***，其特征在于：粗沙筛运送机装于卵石筛运送机下面，两机基本相同。不同的是密布的孔径更小，是所定最小粗沙粒直径，而槽帮的上部孔径大些。

5、根据权力要求1所述的水库清沙并能收集沙石及漂物的发电***其特征在于：细沙浆运送渡槽安装于粗沙筛运送机下面直至山谷沙场，该渡槽水平设置或略有下坡。

6、根据权力要求1所述水库清沙并能收集沙石及漂物的发电***其特征在于：吸沙浆阀下部有一托架，托架上还固定有螺旋滚筒机，螺旋滚筒上设有数把坚硬的割刀。

Images