一种提高水头增加水电站装机容量的系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力能源领域，特别涉及“一种提高水头增加水电站装机容量的系统及其控制方法”。

背景技术

作为清洁能源，且电价低廉，世界各地建设了大量的水电站。

众说周知，水电站装机的大小，主要取决于河流的水头及流量。在其它条件不变的前提下，如果水头愈高，水电站装机容量就更大；流量愈大，水电站装机容量更大(水电站装机容量计算公式：装机容量＝重力加速度x流量x水头x水轮机和发电机效率)。

依据传统设计，大坝位置确定后，水头随之确定，水电站的装机容量因此难以增加。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供“一种提高水头增加水电站装机容量的系统及其控制方法”(以下简称ihc系统)。大、中、小型新建水电站(含抽水蓄能水电站)或在运水电站的业主采用本发明，在不大幅增加投资的前提下，高效利用自然资源，极大地增加水电站装机容量，获得更大的投资回报，同时为社会提供更多的绿色电力。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

工艺流程，见说明书附图一：“ihc系统工艺流程示意图”。

一套系统设置2条或2条以上的生产线，共用1条进水管道，进水管道上设置1个调压井；每条生产线设置2个增压仓，1条连通管道，1条出水管道；一套系统设置1个增能库。

进水管道(或进水隧洞)为混凝土或钢结构，连接水电站水库(水源)和增压仓。水流从水库取水口，进入ihc系统的进水管道，然后进入增压仓。进水管道的取水口设置有拦污格栅，以防止杂物进入。在取水口设置1个电动阀门(取水口电动阀)，以便系统启停和设备检修。进水管道设置1个流量传送器(进水流量传速器)。在取水口和增压仓之间，可设置调压塔(或调压井)，以减少水击压力对ihc系统的影响，同时改善ihc系统的运行条件。

一套hc系统设置两条或两条以上生产线(1号生产线，2号生产线......)，每条生产线由2个增压仓组成(1号增压仓，2号增压仓；3号增压仓，4号增压仓......)，增压仓为混凝土或钢结构。每条生产线的2个增压仓，设置有1条联通管道(或联通隧洞)连接。增压仓的一端与进水管道相连接，另一端与联通管道相连接。联通管道为混凝土或钢结构。增压仓之间的进水管道上设置一个电动阀门(增压仓隔离阀，所有生产线共用)。每个增压仓在进水管道上，设置1个电动阀门(1号增压仓进水阀，2号增压仓进水阀，3号增压仓进水阀，4号增压仓进水阀......)，每个增压仓在联通管道上，设置1个电动阀门(1号增压仓出水阀，2号增压仓出水阀，3号增压仓出水阀，4号增压仓出水阀......)。每个增压仓设置一个压力传送器(1号增压仓压力传送器，2号增压仓压力传送器，3号增压仓压力传送器，4号增压仓压力传送器......)。每个增压仓设置一个安全阀(1号增压仓安全阀，2号增压仓安全阀，3号增压仓安全阀，4号增压仓安全阀......)，每个增压仓设置一个排空阀(1号增压仓排空阀，2号增压仓排空阀，3号增压仓排空阀，4号增压仓排空阀......)。

出水管道(或出水隧洞)为混凝土或钢结构，与联通管道相连接；每条生产线设1条出水管道。出水管道连接增能库或水电站的压力钢管。每条出水管道设置1个流量传送器(1号线出水流量传送器，2号线出水流量传送器)。

进水管道尾端设置1个电动阀门(生态流量阀)排放尾水，以满足ihc系统的工艺流程条件，并保证河流的生态流量。

控制装置的就地控制plc，通过仪控电缆与各电动阀门，压力传送器，流量传送器和安全阀相连接。所有电动阀门，具有自动和手动模式。plc与水电站中控室设置通讯连接。

进一步的，水电站可以设置多个ihc系统，在提高水头的同时，增加发电流量，以达到大幅增加水电站装机容量的目的。

更进一步的，控制装置plc编程，按ihc系统无人值守、全自动运行方式执行。plc读取电动阀门，压力传送器，流量传送器和安全阀的信息；指令电动阀门打开或关闭；指令某个增压仓，某条生产线或整套ihc系统停止运行。

更进一步的，启动ihc系统向各增压仓冲水。首先达到“高仓压”的2个增压仓(或2个以上的增压仓)，关闭其增压仓进水阀，打开其增压仓出水阀，带压水流经联通管道进入出水管道，在达到设计高程后，流入增能库或水电站的压力钢管；当增压仓内的压力降低至“低仓压”后，关闭其增压仓出水阀，打开其增压仓进水阀，继续向增压仓冲水。后续达到“高仓压”的2个增压仓(或2个以上的增压仓)，关闭其增压仓进水阀，打开其增压仓出水阀，带压水流经联通管道进入出水管道，在达到设计高程后，流入增能库或水电站的压力钢管；当该增压仓内的压力降低至“低仓压”后，关闭其增压仓出水阀，打开其增压仓进水阀，继续向该增压仓冲水。

更进一步的，当“高仓压”的增压仓排水的时候，“低仓压”的增压仓冲水；当“低仓压”增压仓达到高仓压后排水时，释压后的“高仓压”增压仓冲水。依次循环，ihc系统持续工作。

更进一步的，按照工艺流程要求，当靠近进水管道尾端的各增压仓排水且其它的增压仓冲水时，控制装置plc关闭隔离阀，打开生态流量阀，排放尾水，作为河流的生态流量排入河流。

本发明归纳起来，具有以下有益效果：

一、本发明简单、可行：

1.本发明仅涉及进水管道，增压仓，出水管道和控制装置，工艺流程简单、明了。

2.采用本发明，为布置水电站主厂房，提供了更大的选择范围。

3.本发明所涉及的设备，国内厂家完全能够自主生产。与中国现行技术标准不冲突。

4.施工单位无需大型工程设备建设ihc系统，施工难度小。与现行技术标准不冲突。

5.本发明控制方法简单，技术成熟可靠。与现行技术标准不冲突。

二、传统设计和本发明的综合比较表

说明：ihc系统效率，采用通行的水垂泵效率。

三、经济效益：

1.本发明与传统设计相比较，新建水电站能大幅增加装机容量和发电量。

2.在当地地理条件许可的情况下，已经投运的水电站，可以使用ihc系统提高水头，水电站业主公司无需额外大幅投资，即可大幅增加装机容量和发电量。

3.除电动阀门的启停外，本发明无需动力电源。本发明为无人值守、全自动运行。运行、维护简单且成本低廉。

4.在地理条件许可的情况下(特别是山区)，水电站可以另行修建较大的增能库蓄水，在用电高峰时发电，以获得调峰电价。

5.综上所述，本发明性价比高，投资回报巨大，经济效益显著。

三、环保和社会效益：

1.水电站本身是绿色能源。

1)采用本发明，可以有效地保证原河流的生态流量，极大地降低建设水电站对生态环境的影响。

2)本发明占地面积很小，可以建设在水电站的规划区域之内。本发明主体结构简单，运行和维护不使用、不产生污染物，对环境无危害。

3)采用本发明，新建水电站或对现有的水电站加以改造，能够充分利用自然资源，为社会提供更多的清洁能源。本发明有助于关停污染严重的中小型燃煤电厂，有助于减少开发新的火电项目，无需在自然环境脆弱的地方开发新的水电站项目。

综上所述，本发明有利于环境保护，环保效益显著。

2.本发明系统和设备简单，安全保护周全，不会对运行人员带来任何危害。

3.由于极大地增加了水电站的发电量，且水电站开发单位投资回报巨大，为降低电价创造了可能的空间。本发明社会效益明显。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步说明。

图一是本发明“ihc系统工艺流程示意图”。

图中代号说明：

1-水库，2-进水管道，3-连通管道，4-1号出水管道，5-2号出水管道，6-生态流量管道，7-1号增压仓，8-2号增压仓，9-3号增压仓，10-4号增压仓，11-增能库；

a-电动阀门，b-电动止回阀，c-流量传送器，d-压力传送器，e-安全阀，f-排空阀，g-水流方向

具体实施方式

基本设置：以一套ihc系统设置两条生产线为例。

说明：ihc系统投入全自动运行前，需要运行人员在开始向增压仓冲水后，按《运行手册》的规定，检查plc与水电站中控室的通讯状态，检查各电动阀门，流量传送器，压力传送器，以及安全阀的工作状态，并现场就地操作增压仓排空阀和生态流量阀，排放ihc系统里面的空气。

1.收到水电站中控室指令后，ihc系统开始运行；

2.取水口电动阀，各增压仓进水阀和增压仓隔离阀打开，各增压仓出水阀关闭，生态流量阀关闭；向各增压仓冲水；

3.当1号增压仓(3号增压仓)内压力达到其设计的“高仓压”时，plc指令：1号增压仓(3号增压仓)进水阀关闭，1号增压仓(3号增压仓)出水阀打开；1号增压仓(3号增压仓)的带压水流，经联通管道进入出水管道，在达到设计高程后，流入增能库或水电站的压力钢管；

4.当1号增压仓(3号增压仓)内的压力降低至其设计的“低仓压”时[此时，2号增压仓(4号增压仓)内的压力已经达到其设计的“高仓压”]，plc指令：1号增压仓(3号增压仓)出水阀关闭，增压仓隔离阀关闭，1号增压仓(3号增压仓)进水阀打开，向1号增压仓(3号增压仓)冲水；2号增压仓(4号增压仓)进水阀关闭，2号增压仓(4号增压仓)出水阀打开；2号增压仓(4号增压仓)的带压水流，经联通管道进入出水管道，在达到设计高程后，流入增能库或水电站的压力钢管；生态流量阀打开，排放尾水；

5.当2号增压仓(4号增压仓)内的压力降低至其设计的“低仓压”时[此时，1号增压仓内(3号增压仓)的压力已经达到其设计的“高仓压”]，plc指令：2号增压仓(4号增压仓)出水阀关闭，增压仓隔离阀打开，生态流量阀关闭，2号增压仓(4号增压仓)进水阀打开，向2号增压仓(4号增压仓)冲水；1号增压仓(3号增压仓)进水阀关闭，1号增压仓(3号增压仓)出水阀打开；1号增压仓(3号增压仓)的带压水流，经联通管道进入出水管道，在达到设计高程后，流入增能库或水电站的压力钢管；

6.每条生产线有1个增压仓同时冲水，另一个增压仓排放带压水流，经出水管道流入增能库。

7.依次循环，ihc系统持续工作。

8.如某个增压仓内的压力，超过设计安全压力时，该增压仓的安全阀自动打开，以保证增压仓的安全；泄压后安全阀自动回座。

9.如果某个电动阀门未按plc指令打开或关闭，plc发出故障警报，并将警报信号或警报信息，传送给水电站中控室。

10.如果进水流量或出水流量低于最小设计值或最小安全值，plc发出故障警报，并将警报信号或警报信息，传送给水电站中控室。

11.plc将进水流量数据和出水流量数据，传送给水电站中控室。

12.1个plc可以同时操作多套ihc系统运行。

具体步骤(plc编程，以一套ihc系统设两条生产线为例)：

sa1：操作员启动“自动运行”模式(取水口电动阀门关闭，各增压仓进水阀打开，增压仓隔离阀打开，各增压仓出水阀关闭，生态流量阀关闭)，进入sa2；

sa2：ihc系统处于“待命”状态；

sa3：plc判断是否收到水电站中控室的供水指令：如果是，进入步骤sa4；

sa4：plc指令取水口电动阀“打开”，进入sa5；

sa5：plc判断是否收到取水口电动阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa6，sa7，sa8和sa9；如果否，进入sa322；

sa6：1号增压仓进入“冲水”状态；

sa7：2号增压仓进入“冲水”状态；

sa8：3号增压仓进入“冲水”状态；

sa9：4号增压仓进入“冲水”状态；

sa10：plc判别1号增压仓和3号增压仓的冲水状态

1)plc收到1号增压仓“高仓压”和3号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa11；

或

2)plc收到1号增压仓的“高仓压”信号，未收到3号增压仓的“高仓压”信号：如果是，进入sa11和sa263；

或

3)plc收到3号增压仓的“高仓压”信号，未收到1号增压仓的“高仓压”信号：如果是，进入sa11和sa261；

sa11：plc判别水电站中控室的供水指令是否消失：如果消失，进入sa12；如果未消失，进入sa14与/或sa15；

sa12：plc指令取水口电动阀“关闭”，进入sa22；

sa13：plc判别是否收到取水口电动阀“关闭”的反馈信号：如果是，跳转回sa2；如果否，进入sa322；

sa14：plc判别2号增压仓的出水阀是否“关闭”：如果是，进入sa16；

sa15：plc判别4号增压仓的出水阀是否“关闭”：如果是，进入sa17；

sa16：plc指令1号增压仓进水阀“关闭”，进入sa18；

sa17：plc指令3号增压仓进水阀“关闭”，进入sa19；

sa18：plc判别是否收到1号增压仓进水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa20；如果否，进入sa261；

sa19：plc判别是否收到3号增压仓进水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa21；如果否，进入sa263；

sa20：plc指令1号增压仓出水阀“打开”，进入sa21；

sa21：plc指令3号增压仓出水阀“打开”，进入sa22；

sa22：plc判别是否收到1号增压仓出水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa23；如果否，进入sa261；

sa23：plc判别是否收到3号增压仓出水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa23；如果否，进入sa263；

sa24：plc收到sa22与/或sa23，判别1号增压仓和3号增压仓的排水状态

1)plc收到1号增压仓“低仓压”信号和3号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa34；

或

2)plc收到1号增压仓“低仓压”信号，未收到3号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa34和sa263；

或

3)plc收到3号增压仓“低仓压”信号，未收到1号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa34和sa261；

sa25：1号增压仓和3号增压仓排水结束，进入sa26与/或sa27

sa26：plc指令1号增压仓出水阀“关闭”，进入sa28

sa27：plc指令3号增压仓出水阀“关闭”，进入sa29

sa28：plc判断是否收到1号增压仓出水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa30；如果否，进入sa301；

sa29：plc判断是否收到3号增压仓出水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa30；如果否，进入sa302；

sa30：plc收到sa28与/或sa29，plc判别2号增压仓和4号增压仓的冲水状态

1)plc收到2号增压仓“高仓压”信号和4号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa31

或

2)plc收到2号增压仓“高仓压”信号，未收到4号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa31和sa264；

或

3)plc收到4号增压仓“高仓压”信号，未收到2号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa31和sa262；

sa31：1号增压仓和3号增压仓准备冲水，进入sa32；

sa32：plc指令增压仓隔离阀“关闭”，进入sa33；

sa33：plc判别是否收到增压仓隔离阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa34与/或sa35；如果否，进入sa322；

sa34：plc指令1号增压仓进水阀“打开”，进入sa36；

sa35：plc指令3号增压仓进水阀“打开”，进入sa37；

sa36：plc判别是否收到1号增压仓进水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa38；如果否，进入sa261；

sa37：plc判别是否收到3号增压仓进水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa39；如果否，进入sa263；

sa38：跳转回sa6；

sa39：跳转回sa8；

sa40：plc判别2号增压仓和4号增压仓的冲水状态

1)plc收到2号增压仓“高仓压”信号和4号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa41；

或

2)plc收到2号增压仓“高仓压”信号，未收到4号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa41和sa264；

或

3)plc收到4号增压仓“高仓压”信号，未收到4号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa41和sa262；

sa41：plc判别水电站中控室的供水指令是否消失：如果消失，进入sa42；如果未消失，进入sa44；

sa42：plc指令取水口电动阀“关闭”，进入sa43；

sa43：plc判别是否收到取水口电动阀“关闭”的反馈信号：如果是，跳转回sa2；如果否，进入sa322；

sa44：plc判别是否受到1号增压仓的“高仓压”信号与/或3号增压仓的“高仓压”信号：如果是，等待；如果否，进入sa45与/或sa46；

sa45：plc判别1号增压仓出水阀是否“关闭”：如果是，进入sa47；

sa46：plc判别3号增压仓出水阀是否“关闭”：如果是，进入sa48；

sa47：plc指令2号增压仓进水阀“关闭”，进入sa49；

sa48：plc指令4号增压仓进水阀“关闭”，进入sa50；

sa49：plc判别是否收到2号增压仓进水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa51；如果否，进入sa262；

sa50：plc判别是否收到4号增压仓进水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa52；如果否，进入sa264；

sa51：plc指令2号增压仓出水阀“打开”，进入sa53；

sa52：plc指令4号增压仓出水阀“打开”，进入sa54；

sa53：plc判别是否收到2号增压仓出水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa55；如果否，进入sa262；

sa54：plc判别是否收到4号增压仓出水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa55；如果否，进入sa264；

sa55：plc收到sa53与/或sa54，判别是否收到隔离阀“关闭”信号：如果是，进入sa56；如果否则，进入sa322；

sa56：plc指令生态流量阀“打开”，进入sa57；

sa57：plc判别是否收到生态流量阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa58；如果否，进入sa322；

sa58：plc判别2号增压仓和4号增压仓的排水状态

1)plc收到2号增压仓“低仓压”信号和44号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa69；

或

2)plc收到2号增压仓“低仓压”信号，未收到4号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa69和sa264；

或

3)plc收到4号增压仓“低仓压”信号，未收到2号增压仓“低仓压”信号：如果是，进入sa69和sa262；

sa59：2号增压仓和4号增压仓排水排水结束，进入sa60与/或sa61；

sa60：plc指令2号增压仓出水阀“关闭”，进入sa62；

sa61：plc指令4号增压仓出水阀“关闭”，进入sa63；

sa62：判别plc是否收到2号增压仓出水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa64；如果否，进入sa301；

sa63：判别plc是否收到4号增压仓出水阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa64；如果否，进入sa302；

sa64：plc收到sa62与/或sa63，判别1号增压仓和3号增压仓的冲水状态

1)plc收到1号增压仓“高仓压”信号和3号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa65；

或

2)plc收到1号增压仓“高仓压”信号，未收到3号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa65和sa263；

或

3)plc收到3号增压仓“高仓压”信号，未收到1号增压仓“高仓压”信号：如果是，进入sa65和sa261；

sa65：2号增压仓和4号增压仓准备冲水，进入sa66；

sa66：plc指令生态流量阀“关闭”，进入sa67；

sa67：plc判别是否收到生态流量阀“关闭”的反馈信号：如果是，进入sa68；如果否，进入sa322；

sa68：plc指令增压仓隔离阀“打开”，进入sa69；

sa69：plc判别是否收到增压仓隔离阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa70与/或sa71；如果否，进入sa322；

sa70：plc指令2号增压仓进水阀“打开”，进入sa72；

sa71：plc指令4号增压仓进水阀同时“打开”，进入sa73；

sa72：判别plc是否收到2号增压仓进水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa74；如果否，进入sa262；

sa73：判别plc是否收到4号增压仓进水阀“打开”的反馈信号：如果是，进入sa75；如果否，进入sa264；

sa74：跳转回sa7；

sa75：跳转回sa9；

sa201：进水流量低于最小设计流量，进入sa321；

sa202：进水流量低于最小安全流量，进入sa322；

sa203：2个增压仓同时运行，1号线出水流量低于最小设计流量，进入sa321；

sa204：仅1个增压仓运行，1号线出水流量低于最小设计流量，进入sa321；

sa205：2个增压仓同时运行，2号线出水流量低于最小设计流量，进入sa321；

sa206：仅1个增压仓运行，2号线出水流量低于最小设计流量，进入sa321；

sa207：2个增压仓同时运行，1号线出水流量低于最小安全流量，进入sa301；

sa208：仅1个增压仓运行，1号线出水流量低于最小安全流量，进入sa301；

sa209：2个增压仓同时运行，2号线出水流量低于最小安全流量，进入sa302；

sa210：仅1个增压仓运行，2号线出水流量低于最小安全流量，进入sa302；

sa251：1号安全阀动作后是否回座，进入sa261；

sa252：2号安全阀动作后是否回座，进入sa262；

sa253：3号安全阀动作后是否回座，进入sa263；

sa254：4号安全阀动作后是否回座，进入sa264；

sa261：1号增压仓停止运行；进入sa321；

sa262：2号增压仓停止运行；进入sa321；

sa263：3号增压仓停止运行；进入sa321；

sa264：4号增压仓停止运行；进入sa321；

sa271：1号增压仓进水阀和2号增压仓进水阀都不能“关闭”：如果是，进入sa301；

sa272：3号增压仓进水阀和4号增压仓进水阀都不能“关闭”：如果是，进入sa302；

sa273：1号增压仓进水阀和2号增压仓进水阀都不能“打开”：如果是，进入sa301；

sa274：3号增压仓进水阀和4号增压仓进水阀都不能“打开”：如果是，进入sa302；

sa281：1号增压仓和2号增压仓都停止运行，进入sa301；

sa282：3号增压仓和4号增压仓都停止运行，进入sa302；

sa301：1号生产线停止运行；进入sa321；

sa302：2号生产线停止运行；进入sa321；

sa311：ihc系统收到动力电源缺失信号，进入sa322；

sa312：1号生产线和2号生产线都停止运行，进入sa322；

sa312：1号生产线出水流量和2号生产线出水流量都低于最小设计流量，进入sa322；

sa321：plc发出“a级故障报警“信号，显示故障信息；进入sa331；

sa322：ihc系统停止运行；plc发出“b级故障报警“信号，显示故障信息；进入sa332；

sa331：plc向水电站中控室传送“a级故障报警”信号；

sa332：plc向水电站中控室传送“b级故障报警”信号和故障信息；

sa341：plc向水电站中控室传送进水流量数据；

sa351：plc向水电站中控室传送出1号线水流量数据；

sa361：plc向水电站中控室传送出2号线水流量数据；

报警设置和处置原则

本发明“一种提高水头增加水电站装机容量的系统及其控制方法”的报警设置分为a级报警和b级报警。

a级报警(sa331)为非严重故障。plc操作屏显示故障位置及故障信息。a级报警不会引起ihc整个系统停止运行。plc不需要将每个a级报警的具体故障信息详情传送给水电站中控室；但每当ihc系统内设备发生a级报警故障时，plc需一次传输“a级故障报警”信号给水电站中控室。

b级报警(sa332)指将引起ihc整个系统停止运行的严重故障。plc操作屏显示故障位置及故障信息；plc须把每个“b级故障报警”信号及其故障信息，同时发送给水电站中控室。

无论发生a级报警，还是b级报警，水电站中控室都需要按照《运行手册》的规定，派遣巡检人员到现场查看，确认和处理故障。

以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。