船闸电能的产生 |
|||||||
| 申请号 | CN200380104191.6 | 申请日 | 2003-11-27 | 公开(公告)号 | CN1717517A | 公开(公告)日 | 2006-01-04 |
| 申请人 | 通用电气加拿大公司; | 发明人 | 诺曼德·德西; 佩卡·弗塔; | ||||
| 摘要 | 船闸利用 水 轮机 和/或 泵 － 涡轮 机在水转移循环主要部分期间将流经船闸的流速调节为大约恒定数值，以减小压头损失的总 能量 ，并能回收未使用的水能以产生 电能 。船闸相对侧面上水位的不同构成了潜在的水能。通过调节流量，总压头损失在给定的一段时间中显著减小，从而有利于优化水能回收。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种产生电能的系统，其包括：至少一个用于连接第一水体(16)和第二水体(18)的船闸(12，14)，船闸(12，14)具有一对彼此隔开的闸门(20)，以当交替打开和关闭闸门(20)时，允许船出入船闸(12，14)；至少一个用于连接船闸(12，14)与至少第一水体(16)和第二水体(18)之一的流体连通通路(30)；以流体连通方式位于流体连通通路(30)中的涡轮机(40，42，44)，其用于当水流经至少一个流体连通通路(30)时产生电能；和涡轮机运行控制器(50)，其用于将流经涡轮机(40，42，44)的水流速调节在预定流速范围内，该预定流速范围由作为一个或多个水转移所需时间、最大涡轮机容量和网络能量需求的函数进行确定。 |
||||||
| 说明书全文 | 船闸电能的产生技术领域背景技术通常，在运河系统中，船闸通过船闸中水位交替下降和上升来连接不同水位的两个水体。船闸利用重力将一定容量的水从闸门的一侧转移到另一侧。一旦水位平衡，就可打开闸门以使船只通过。 1982年1月12日授权的美国专利第4310769号教导了具有一个或多个产生电能的地下水电抽水蓄能单元的船闸系统。当降低船闸水位时，水从船闸排向较低的蓄水池中。水流过水渠，并经过泵-涡轮机产生电能。蓄水池汇集水而不是让水流失到下游。然后泵-涡轮机从蓄水池向上抽水通过水渠到船闸以增加船闸中的水位。完成泵送操作的电能可由传统能源供应，也可由潮汐、风、太阳和其它新能源供应。因此通过使用泵-涡轮机而保存了水。虽然该操作保存水，但是其净消耗电能，因为通过降低船闸中水位产生的电能将小于抵抗重力和其它损耗以将水泵送到船闸所需要的电能。 1962年5月30日公开的德国专利申请DE 1130766公开了位于闸门旁边的发电站，其具有使闸门更快和更廉价运行的泵-涡轮机，其中发电站的一台发电机可用于加速闸门运行。 然而，这两项专利都没有教导将未使用的水能净回收而产生电能。在传统操作的船闸中，一旦打开操作阀，通过该系统的水的自由流量与从闸门两侧的不等压头(difierential head)的平方根成比例。因此，通常在开始时流速大，然后向着水转移循环终点减小直到流速变得相对较小，使得难以回收水能以产生电能。因此，需要能够净回收未使用的水能以产生电能，其中需考虑水流流速变化的问题。 发明内容本发明涉及在主要水转移循环时期使用水轮机和/或泵-涡轮机(pump-turbine)将船闸中流速调节为大约恒定数值，以减小压头损失的总能量，并能回收未使用的水能以产生电能。船闸相对侧面上水位的不同构成了潜在的水能。在传统的船闸运行中，所有的这些能量浪费在压头损失中。本发明的系统借助水轮机和/或泵-涡轮机调节在下游方向通过船闸的流量。通过调节流量，总压头损失在给定的一段时间中显著减小，从而有利用于优化水能回收。 依照本发明，提供了用于产生电能的系统，包括至少一个用于连接第一水体和第二水体的船闸。该系统包括具有一对彼此隔开的闸门的船闸，以当交替打开和关闭闸门时，允许船出入船闸。该系统包括至少一个用于连接船闸与至少第一水体和第二水体之一的流体连通通路。涡轮机以流体连通方式位于流体连通通路中，用于当水流经至少一个流体连通通路时产生电能。该系统还包括至少一个涡轮机运行控制器，用于将流过涡轮机的水流流速调节在预定流速范围内，该预定流速范围由作为一个或多个水转移所需时间、最大涡轮机容量和网络能量需求的函数进行确定。 应当理解，术语流体连通通路在本公开和权利要求中是指通路，比如供水在水体之间和/或通过船闸流动的管路。通路可在地上也可在地下。此外，应当理解，流体连通通路可以是开放的、部分封闭的或者完全封闭的流体连通通路。 优选地，涡轮机运行控制装置在船闸水位上升或下降循环主要部分期间将流经流体连通通路的水流流速调节至预定恒定范围内。此外，优选地，涡轮机是能够在涡轮机能量产生模式和泵模式下运行的泵涡轮机。随着压头减小，在流速降低到预定流速范围以下之时或者之前，涡轮机运行控制装置切换泵涡轮机到泵模式，以将流速保持在预定流速范围内。与不受控制的状态相比，该优选特征具有缩短转移循环的优点。与最初的运行产能模式相比，后面的运行泵模式发生在相对较短的周期上，并且实现了净产生电能。 根据本发明的另一方面，提供了使用用于连接具有各自水位的第一水体和第二水体的船闸而产生电能的方法。该方法包括通过电能产生涡轮机以预定流速范围将船闸水位改变为第一水体和第二水体之一的水位，其中预定流速范围是一个或多个转移所需时间、最大涡轮机容量和网络能量需求的函数。 优选地，预定流速范围在水位改变主要部分期间受控以产生恒定电能。 该方法优选地包括如下步骤：在第一预定流速范围内通过第一电能产生涡轮机将船闸水位提升到第一水体的水位，其中第一预定流速范围是一个或多个转移所需时间、最大涡轮机容量和网络能量需求的函数；和在第二预定流速范围内通过第二电能产生涡轮机将船闸水位降低到第二水体的水位，其中第二预定流速范围是一个或多个转移所需时间、最大涡轮机容量和网络能量需求的函数。 第一和第二预定流速范围优选地在各自上升和下降周期主要部分期间受到独立控制以产生第一和第二恒定电能。 优选地，第一和第二预定流速范围是相同的，并且第一和第二恒定电能是相同的。 优选地，第一和第二涡轮机是泵-涡轮机，该方法还包括在流速降低到预定流速范围以下之时或之前，以泵模式运行第一和第二泵-涡轮机，以将流速保持在预定流速范围内的步骤。 附图说明 为了更好的理解本发明的实质和目的，可以参考附图，其中：图1是示出利用涡轮机回收能量的位于两个水体之间的船闸门的俯视图；图2是示出图1中船闸门的侧视图。 具体实施方式参照图1和2，示出了运河水闸系统10，该系统利用分别位于上水体16和下水体18之间的两个船闸12和14。应当理解，在水体16和18之间的示例船闸数量是两个，但也可以只是一个或三个或更多的船闸。 每个船闸12和14均具有一对彼此隔开的闸门20，以当交替地打开和关闭闸门时，使船出入船闸12和14。船闸12和14共用一位于其间的公共闸门。 流体连通通路30在水体16和18之间延伸，其用于连通上水体16到船闸12和14，以及连通到下水体18。流体连通通路30是地下管路，其通过运河水闸系统底部上的受控入口32与水体16和18以及船闸12和14连通。 参照图2，示出各个流体连通通路30包括在上水体16和第二船闸14之间延伸的第一通路30A。涡轮机40以流体连通方式位于各通路30A内。应当从图1中理解，通路30A包括两个在运河水闸系统相对分开侧面上延伸的旁通路。如图所示，优选地，两台涡轮机40位于闸门20之下；一条通路30A中一台涡轮机40，或各涡轮机40位于各通路30A的端部。第二流体连通通路30B与通路30A相连，并通过端口32连通船闸14和船闸16。此外，一对涡轮机42位于船闸12和14之间的公共闸门20之下；一条通路30B中一台涡轮机42，或各涡轮机42位于各通路30B的端部。 应当理解，在该实施例中船闸12和14实际上可以分别作为下或上水体，取决于从下水体18还是从上水体16的视角来看船闸14和12。也就是说，船闸12相对于船闸14可以表示下水体。或者，船闸14相对于船闸12可以表示上水体。 另一流体连通通路30C通过连接通路30B与一对涡轮机44而经由端口32连通船闸12与下水体18；一条流体连通通路30C中一个涡轮机44，或各涡轮机44位于在流体连通通路30C之一的端部。 应当理解，如图所示，所有流体连通通路或地下管路都在运河系统底部之下延伸。然而通路可以延伸到运河水闸系统侧面或者其底部上方。 在图2所示的闸12和14的运行中，船闸14的最右侧的闸门20可以打开，船可以在船闸14和上水体16之间移动。在船从上水体16移动到下水体18的示例中，在船闸14和16之间的闸门20会打开，船移入船闸14。随后该闸门关闭。接下来，船闸14的水位降低到船闸12的水位。当船闸14中的水位下降时，水通过流体连通通路30B和30C经由涡轮机42和涡轮机44流入下水体18而流向下游。在此期间，流速由控制器50控制。因此，控制涡轮机40、42和44运行的控制器50控制流速，从而与船闸14中水位降低相关的液压压头损失通过涡轮机42和44转化成电能。 一旦船闸14与船闸12达到同一水位，则这两个船闸之间的闸门20打开，船能够移入船闸12。随后，闸门关闭，水从端口32流向下游，通过流体连通通路30C进入下水体18的排水口32，从而船闸12中的水位降低。再次，流速由与涡轮机44一起运行或连接的流速控制器50控制。当船闸12中的水位与下水体18相同时，就可打开水体18和船闸12之间的闸门20，以允许船通过该门。 在反向的操作中，通过从上水体16经由连通通路30A和30B并从闸12下面的端口32进入而向下游排水，船闸12的水位可从其与下水体18水位接近的低水位上升到其图2中所示的高水位。因此，水在连通通路30A和30B中向下游流经涡轮机40和42。再次，流速控制器50控制流经这些连通通路30A和30B的水流速，从而产生电能。同样地，通过从上水体16经过连通通路30A并从船闸14底部的端口32流入而向下游排水，船闸14的水位可从其与船闸12上水位相应的低水位上升到其与水体16水位相应的高水位。这使水在流体连通通路中流经涡轮机40。 假设流速保持在预定流速范围内，则在各个阶段水流经涡轮机40、42和44都产生能量。该流速控制器是与涡轮机40、42和44结合的控制装置，其控制涡轮机的运行以调整水通过流体连通通路30的流速。该流速在预定流速范围内，并是作为以下因素的函数进行确定的：一个或多个水转移所需时间(water time transfer requirements)，即将水从一个上水体转移到船闸或从船闸转移到下水体所需的时间；最大涡轮机容量，即涡轮机允许水通过的能力；或者本地电网网络能量需求，即需要网络提供的能量。如果从网络需要极低的能量，则流速控制器将使涡轮机以具有较低的流速。如果网络能量需要不是大问题，则作为涡轮机的流速的水流速度可具有最大水平，以缩短水转移所需时间。然而，这三个因素相互关联以将流速限定在预定流速范围内。应当理解，为了有适当回收电能，该流速应处于在预定范围内。 优选地，涡轮机能够在涡轮机能量产生模式和泵模式下运行。当在由水压头降低确定的恒定流速下处于能量产生模式中时，涡轮机产生电能。然而，一旦流速开始明显减小，而低于预定水平，则涡轮机由控制器50而切换到泵模式运行，以驱使水以一定速率从上水体流入下水体，以减小两水体之间的水转移所需时间。 虽然结合上述实施例对本发明进行描述，但是应当理解，本发明不限于这些所公开的实施例，相反，在所附权利要求的精神和范围内，本发明将涵盖各种修改和等效的装置。 |
||||||
