一种由光伏驱动的可灵活调节长距离渠道流量的方法与流程

1.本发明涉及水利水务和新能源领域，更具体地说它是一种由光伏驱动的可灵活调节长距离渠道流量的方法。更具体地说它是一种在长距离输水干渠沿线闸门上加装一种带活动导叶可调节流量的新型潜水全贯流闸门泵装置，并利用渠道上方加盖光伏发电组件及配套储能蓄电装置作为泵组电源，通过新型潜水全贯流闸门泵的启闭、运行以及前置活动导叶安放角的调节，实现输水流量的全范围智能调节以及自流供水流速提升的调节长距离渠道流量的方法。


背景技术：

2.长距离输水干渠，特别是人工输水干渠，一般均采用自流输水方式，如某中线工程总干渠，长达1200km的输水渠道全程采用自流供水，并在干渠上共设置节制闸64座。某中线干渠由于总水头最高只有100m，因此在自流方式下渠道内水流流速较慢，平均不到0.9m/s。正是由于类似于某中线工程的长距离输水干渠工程具有输水线路长、过流流速慢、设计流量大等特点，为此不可避免的普遍存在水蒸发损失量大、自流供水时间长、沿线多面源水污染等问题。
3.因此，开发一种加快自流供水速度、缩短供水时间的长距离渠道流量的方法很有必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种由光伏驱动的可灵活调节长距离渠道流量的方法，加快自流供水速度、缩短供水时间，实现水资源动态配置和最大利用；有效解决现有明渠自流供水速度慢、时间长、多面源水污染问题突出、水蒸发量大等系列问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种由光伏驱动的可灵活调节长距离渠道流量的方法，其特征在于：包括如下步骤，
6.步骤一：组件安装；
7.轻质钢结构平台横跨输水干渠、且安装在输水干渠上方；
8.轻质钢结构平台上端设置屋顶结构；
9.将太阳能光伏组件安装在屋顶结构上；
10.将新型潜水全贯流闸门泵组安装在输水干渠的现有闸门上；
11.太阳能光伏组件通过配套储能蓄电装置给新型潜水全贯流闸门泵组供电；
12.步骤二：调节新型潜水全贯流闸门泵组的启闭；
13.太阳能光伏组件所产生的直流电能通过配套储能蓄电装置中的逆变器转化为交流电能储存在配套储能蓄电装置中的蓄电池中；
14.当调节自流供水流速和闸门泵过流流量时，太阳能光伏组件及配套储能蓄电装置向新型潜水全贯流闸门泵组供电，新型潜水全贯流闸门泵组启动，通过调节新型潜水全贯流闸门泵组的前置活动导叶安放角，进而改变叶轮进口的速度场，从而达到改变自流供水
的流速以及闸门泵过流流量；
15.当渠道不需要过流时，太阳能光伏组件及配套储能蓄电装置停止向新型潜水全贯流闸门泵组供电，新型潜水全贯流闸门泵组停止运转。
16.在上述技术方案中，屋顶结构呈带状结构；
17.屋顶结构的高度高于输水干渠在遭遇极端条件下所能到达的最高水位；
18.在上述技术方案中，太阳能光伏组件包括多块太阳能光伏板；多块太阳能光伏板铺设在屋顶结构上，组成长条形、带状光伏阵列；
19.在上述技术方案中，在步骤二中，配套储能蓄电装置包括逆变器、储能蓄电池等；
20.太阳能光伏组件、逆变器、储能蓄电池、泵组动力控制柜、新型潜水全贯流闸门泵组通过电缆依次连接；
21.联控联调装置接收新型潜水全贯流闸门泵组活动导叶安放角的反馈信号以及渠道的过流流量信号，同时接收上位端调度中心等给出的流量调度信号，反馈给储能蓄电池与泵组动力控制柜，从而改变新型潜水全贯流闸门泵组的活动导叶安放角、过流量及所需供电量；
22.在上述技术方案中，新型潜水全贯流闸门泵组与闸门的连接处设置密封圈；
23.在上述技术方案中，新型潜水全贯流闸门泵组包括前置活动导叶、前置导叶体、导流帽、微型调节结构和泵壳；
24.前置活动导叶、前置导叶体均设置在泵壳内；
25.前置活动导叶安装在导流帽与前置导叶体之间，微型调节结构设置在前置导叶体上且与前置活动导叶连接；
26.在上述技术方案中，在步骤二中，微型调节结构带动前置活动导叶旋转，当前置活动导叶调节方向与叶轮的旋转方向一致时，前置活动导叶的安放角为正角度；当前置活动导叶调节方向与叶轮的旋转方向相反时，前置活动导叶的安放角为负角度；当前置活动导叶调节至指定角度时，微型调节结构可以锁定前置活动导叶位置，使其安放角不发生变化。
27.本发明具有如下优点：
28.本发明提出一种在长距离自流输水干渠沿线闸门处加装带活动导叶并可调节流量的新型全贯流潜水闸门泵，并通过明渠上增设渠道盖板、光伏组件以及可储能蓄电装置作为新型闸门泵的驱动动力，通过该新型闸门泵可替代传统闸门，进而实现总干渠供水流量的准确调节，同时通过加快自流供水速度，使自流供水流速约可提升至 1.0m/s
‑
3.0m/s进而缩短供水时间，可有效缓解原有明渠自流供水速度慢、供水时间长、多面源水污染问题突出、水蒸发量大等系列问题，实现水资源动态配置和最大利用；同时通过在明渠沿线铺设光伏板、加装可储能蓄电装置，给沿线新型全贯流潜水闸门泵提供动力，可有效降低闸门泵运行所需的额外成本，具有显著的社会和经济效益。
附图说明
29.图1为本发明中的由渠道光伏驱动的可调节流量的潜水全贯流闸门泵装置结构图。
30.图2为本发明中的轻质钢结构平台设置在输水干渠上的结构示意图。
31.图3为本发明中的渠道光伏驱动可调节流量的新型潜水全贯流闸门泵组的工作原
理图。
32.图中1
‑
输水干渠，2
‑
轻质钢结构平台，3
‑
屋顶结构，4
‑
太阳能光伏组件，5
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逆变器，6
‑
储能蓄电池，7
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泵组动力控制柜，8
‑
联控联调装置，9
‑
闸门，10
‑
新型潜水全贯流闸门泵组，10.1
‑
前置活动导叶， 10.2
‑
前置导叶体，10.3
‑
导流帽，10.4
‑
叶轮轮毂，10.5
‑
叶轮，10.6
‑ꢀ
后置导叶，10.7
‑
拍门，10.8
‑
进水喇叭口，10.9
‑
微型调节结构。
具体实施方式
33.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
34.本发明提出的由渠道光伏组件驱动的灵活调节长距离渠道流量的方法，采用可调节流量的新型潜水全贯流闸门泵组10与现有闸门 9相结合，在明渠上设太阳能光伏发电组件及配套可储能蓄电装置，给新型潜水全贯流闸门泵组10提供电能，驱动新型潜水全贯流闸门泵组10启闭，进而实现节能环保；本发明在叶轮前端加装微型调节器调节活动导叶的安放角，通过该活动导叶安放角的改变来调节水泵运行工况点以及水泵特性曲线来扩展水泵运行高效区范围，进而达到无极调节渠道流速和流量的目的。本发明改变了传统的全贯流潜水闸门泵的结构型式，可有效缓解原有明渠自流供水速度慢、供水时间长等问题，通过加快自流供水速度、缩短供水时间，可有效减少水蒸发损失及多面源水污染等问题，从而实现水资源动态配置和最大利用。
35.参阅附图可知：一种由光伏驱动的可灵活调节长距离渠道流量的方法，包括如下步骤，
36.步骤一：组件安装；
37.轻质钢结构平台2横跨输水干渠1、且安装在输水干渠1上方；轻质钢结构平台2为大跨度高强度轻质平台，根据跨度等条件不同的渠道，轻质钢结构平台2的跨度和强度随着渠道的跨度变化而变化；轻质钢结构平台2呈拱形或平面支撑形，可以在渠道中设置用于支撑轻质钢结构平台2的导流形立柱，轻质钢结构平台2利用自身预应力采用拱形结构单跨(无渠道中间立柱支撑)或多跨方式(设渠道立柱支撑，即为导流形立柱)；轻质钢结构平台2沿渠道水流方向组合成长条形带状结构，为设置在干渠上方的加盖结构；轻质钢结构平台2 由高强度合金钢拼装、焊接或者铰接而成，形成有一定承载力的屋顶，该屋顶沿渠道架设，具有安全、稳定、可靠的承载力，足以承受光伏组件、直流电缆、人员检修通道及检修设备的全部荷载；
38.轻质钢结构平台2上端设置屋顶结构3；
39.将太阳能光伏组件4安装在屋顶结构3上；轻质钢结构平台2上端形成长条带状并具有足够的自承力和强度的屋顶拱形或平面结构的屋顶结构3，在屋顶结构3上方铺设光伏组件，通过电缆连接形成长条带状光伏发电系统；
40.将新型潜水全贯流闸门泵组10安装在输水干渠现有的闸门9上；
41.将太阳能光伏组件4与新型潜水全贯流闸门泵组10连接；
42.本发明中的闸门9通过开孔与带安放角可调节前置导叶的新型潜水全贯流闸门泵组10一起组成前置导叶安放角可调节的新型潜水全贯流闸门泵装置，新型潜水全贯流闸门泵组10与闸门9之间设置有密封圈，并配备相应提升机构(提升机构设置上述闸门9的上方，
用以提升闸门5及新型潜水全贯流闸门泵组10，提升的行程满足闸门5全部落下挡水/过流或全部提起(脱离水面/检修)；通过调节前置活动导叶10.1的安放角来调节通过新型潜水全贯流闸门泵装置的过流流速及流量，从而代替传统的通过改变闸门提升幅度来实现流量调节的工作方式。
43.步骤二：调节新型潜水全贯流闸门泵组的启闭；
44.太阳能光伏组件4所产生的直流电能通过配套储能蓄电装置中的逆变器5转化为交流电能储存在配套储能蓄电装置中的蓄电池6中；
45.当调节自流供水流速和闸门泵过流流量时，太阳能光伏组件4通过配套储能蓄电装置向新型潜水全贯流闸门泵组10供电，新型潜水全贯流闸门泵组10启动，通过微型调速器10.9调节新型潜水全贯流闸门泵组10的前置活动导叶10.1安放角，进而改变叶轮进口的速度场，从而达到改变自流供水的流速以及闸门泵过流流量；
46.当渠道不需要过流时，太阳能光伏组件4及配套可储能蓄电装置停止向新型潜水全贯流闸门泵组10供电，新型潜水全贯流闸门泵组 10停止运转(如图1、图2、图3所示)。
47.本发明在闸门9完全落下的情况下，通过新型潜水全贯流闸门泵组10的启闭、运行实现过流流量的通断，同时通过信号反馈装置所反馈的活动导叶安放角的反馈信号、渠道的过流流量信号以及上位端调度中心等给出的流量调度信号来具体调节前置活动导叶安放角，进而改变叶轮进口的速度场，为水泵进口水流提供一定的预旋速度，进一步调节水泵运行工况点以及水泵特性曲线，从而达到改变闸门泵过流流量，同时因为闸门泵叶轮的运转，提高了自流供水的流速，为此可以不用通过调节闸门的开度，来实现调节水泵过流流速和流量的目标。
48.所述信号反馈装置为现有技术。
49.所述的输水干渠1为开敞式输水明渠，渠道一般为人工混凝土衬砌流道，上方无遮盖。衬砌渠道两侧一般设有运行巡视及运输检修设备用的马道(混凝土或沥青路面)，马道两侧一般还设有缓冲保护林带，用以封闭式管理和保障水质安全。
50.进一步地，屋顶结构3呈带状屋顶结构；
51.屋顶结构3位于输水干渠1上方；屋顶结构3的高度高于输水干渠1在遭遇极端条件下所能到达的最高水位；其中的极端条件是指包括暴雨、洪水等的极端气候条件。
52.进一步地，太阳能光伏组件4包括多块太阳能光伏板；多块太阳能光伏板铺设在屋顶结构3上，并组成长条形、带状光伏阵列(如图2所示)。
53.进一步地，在步骤二中，太阳能光伏组件4通过配套储能蓄电装置向新型潜水全贯流闸门泵组10供电，
54.配套储能蓄电装置包括逆变器5、储能蓄电池6等；
55.太阳能光伏组件4、逆变器5、储能蓄电池6、泵组动力控制柜7、新型潜水全贯流闸门泵组10通过电缆依次连接，
56.联控联调装置8接收新型潜水全贯流闸门泵组10活动导叶安放角的反馈信号以及渠道的过流流量信号，同时接收上位端调度中心等给出的流量调度信号，反馈给储能蓄电池6与泵组动力控制柜7，从而改变新型潜水全贯流闸门泵组10的、活动导叶安放角、过流量及所需供电量(如图3所示)。逆变器、储能蓄电池等配套储能蓄电装置通过交、直流电缆连接，并布置在干渠衬砌岸坡外的合适地方，干渠光伏发电系统所产生的电力通过交流控制
柜直接向新型潜水全贯流闸门泵供电。动力控制柜、联控联调装置均在闸门顶附近。根据所反馈的实测流量信号通过联控联调装置来改变新型潜水全贯流闸门泵组内导叶安放角，进而改变过流流量；具体原理图见附图3。
57.所述逆变器5优选为组串式逆变器，用于将光伏组件所产生的直流电经过转化成交流电，同时起到稳压作用。
58.所述储能蓄电池6将经由逆变器转化之后的交流电储存在储能蓄电池中，以便向新型潜水全贯流闸门泵组提供优质稳定的驱动电能。
59.所述泵组动力控制柜7用于向新型潜水全贯流闸门泵组供电并控制新型潜水全贯流闸门泵组的功率，通过控制电缆连接。
60.所述联控联调装置8用于新型潜水全贯流闸门泵组的运行台数、过水流速、过水流量的综合调节。
61.进一步地，新型潜水全贯流闸门泵组10与闸门9的连接处设置密封圈。
62.进一步地，新型潜水全贯流闸门泵组10包括前置活动导叶10.1、前置导叶体10.2、导流帽10.3、叶轮轮毂10.4、叶轮10.5、后置导叶10.6、拍门10.7、进水喇叭口10.8、微型调节结构10.9和泵壳；
63.前置活动导叶10.1、前置导叶体10.2、导流帽10.3、叶轮轮毂 10.4、叶轮10.5、后置导叶10.6和进水喇叭口10.8均设置在泵壳内；泵壳前端设置进水喇叭口10.8、后端设置出水喇叭口；
64.前置活动导叶10.1设置在进水喇叭口10.8处，且安装在导流帽 10.3与前置导叶体10.2之间，
65.导流帽10.3安装在叶轮轮毂10.4前端；
66.叶轮轮毂10.4中部安装叶轮10.5、后端安装后置导叶10.6；后置导叶10.6设置在出水喇叭口处；
67.拍门10.7安装在泵壳后端；
68.微型调节结构10.9设置在前置导叶体10.2上、且与前置活动导叶10.1连接(如图1所示)；在闸门关闭的时候，通过微型调节器调节前置活动导叶的安放角，来改变叶轮进口的速度场，为水泵进口水流提供一定的预旋速度，进一步调节水泵运行工况点以及水泵特性曲线，从而达到改变闸门泵过流流量，同时因为闸门泵叶轮的运转，提高了自流供水的流速，为此可以不用通过调节闸门的开度，来实现调节水泵过流流速和流量的目标。
69.本发明通过微型调节结构10.9驱动前置活动导叶10.1围绕其自身轴线旋转，从而改变前置活动导叶10.1的安放角，以改变叶轮进口的速度场，为新型潜水全贯流闸门泵组10的进口水流提供一定的预旋速度，从而达到改变水泵性能、调节水泵运行工况点以及水泵特性曲线，调节水泵过流流速和流量的目的，同时还可扩大新型潜水全贯流闸门泵装置的稳定运行范围和高效区范围。
70.根据工况，微型调节结构10.9可选用手动调节结构，也可选用电动调节结构。
71.进一步地，在步骤二中，微型调节结构10.9带动前置活动导叶 10.1旋转，当前置活动导叶10.1调节方向与叶轮10.5的旋转方向一致时，前置活动导叶10.1的安放角为正角度；
72.当前置活动导叶10.1调节方向与叶轮10.5的旋转方向相反时，前置活动导叶10.1
的安放角为负角度。当前置活动导叶10.1调节至指定角度时，微型调节结构10.9锁定前置活动导叶10.1位置，防止因水流流动导致前置活动导叶角度改变。
73.本发明中的新型潜水全贯流闸门泵组10为前置活动导叶的安放角可调节的新型潜水全贯流闸门泵组，其前置活动导叶10.1的叶片均布，具体片数、叶片形状应与叶轮片数最佳匹配，可基于水力机械水力设计理论并结合cfd技术和模型试验最终确定，具体结构及分布如图1所示。前置活动导叶10.1的进口边倾斜，出口边水平。前置活动导叶10.1靠近前置导叶体10.2侧平行于前置导叶体10.2，并留有较小间隙；前置活动导叶10.1靠近导流帽10.3侧平行于导流帽10.3，并留有较小间隙；避免调节前置活动导叶安放角时发生碰撞。所述前置活动导叶10.1靠近前置导叶体10.2的边长度较长，以便更好地阻断由于叶轮旋转造成的回流区。
74.实施例
75.现以本发明试用于某中线输水干渠为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它输水明渠同样具有指导作用(其他输水明渠同理类推)。
76.本实施例的主要原理及流程如下：
77.(1)在某中线输水干渠的渠道沿线平板闸门上加装一种带前置活动导叶的新型潜水全贯流闸门泵组10(即为一种新型的可以调节流量的全贯流闸门泵)形成前置导叶安放角可调节的新型潜水全贯流闸门泵装置，新型潜水全贯流闸门泵组10内的前置活动导叶10.1依托微型调节结构10.9可以实现前置活动导叶10.1安放角的无极可调 (如图1所示)，从而实现渠道断面水流速和水流量的全范围调节；
78.(2)对渠道上方的长条形大面积带状开敞空间设置专用的大跨度、高强度轻质平台结构，形成有一定承载力的屋顶，该屋顶沿渠道架设，具有安全、稳定、可靠的承载力，可承受光伏组件、直流电缆、人员检修通道及检修设备的全部荷载；同时，渠道上方的屋顶高度高于渠道在遭遇暴雨、洪水等极端条件下所能到达的最高水位(如图2 所示)；
79.(3)在渠道上方的专用屋顶式平台结构上铺设光伏组件，通过电缆连接形成长条带状光伏发电系统；逆变器、交流控制柜、储能蓄电装置等配套储能蓄电装置通过交、直流电缆连接，并布置在干渠衬砌岸坡外的合适地方；干渠光伏发电系统所产生的电力通过交流控制柜直接向前置导叶安放角可调节的新型潜水全贯流闸门泵装置供电 (如图3所示)，该装置内前置安放角可调节的活动导叶可调节新型全贯流闸门泵的过流流量。
80.结论：本实施例中的由渠道光伏组件驱动的可调节流量的新型潜水全贯流闸门泵，改变了传统的全贯流潜水闸门泵的结构型式，不仅可以完全替代通过改变闸门提升幅度来改变过流流量的传统工作方式，而且能够自带外加动力准确调节渠道水流流速和输水流量，同时还可有效解决原有明渠自流供水速度慢、时间长等问题，通过加快自流供水速度、缩短供水时间，可有效减少水蒸发损失及多面源水污染等问题，实现水资源动态配置和最大利用，此外通过在明渠沿线铺设光伏板、加装可储能蓄电装置，给沿线闸门泵供电，避免因给闸门泵供电所带来的额外成本，具有显著的社会效益和经济效益。
81.其它未说明的部分均属于现有技术。