一种用于微水头水能开发的水力发电机组

技术领域

本申请涉及水力发电技术领域，特别是涉及一种用于微水头水能开发的水力发电机组。

背景技术

水力发电是目前为止人类找到的最好的清洁可再生绿色能源之一，因此，世界各国都把开发水能发电放在了能源开发的优先位置。到目前为止，传统的水能发电开发方式和技术已经非常成熟，这种开发方式总体来说是水头越高，经济性越好，越有开发价值，反之，水头越低，其经济性越差，越没有开发价值。因此，就目前我国已开发或正在开发的水电站而言，一般水头都在2.5米以上，一般认为2.5米以下（以下称为微水头）由于其能量密度较低、单点发电（装机）规模较小，发电量也少，尚未引起人们的兴趣。

然而，微水头水能资源在我国是极其丰富的，为了实现对水资源的充分利用，利用微水头段的水力进行发电也很重要，然而，目前适用于该水头段的水轮机转轮基本上是空白的，无合适的水轮发电机组可选，若选用现有的适用于2.5米以上的灯泡贯流式水轮发电机组，则开发的经济性太差，而被认为无开发价值，原因如下：（1）现有的灯泡贯流式水轮发电机组开发方式需建造大坝和发电厂房，相应的土建费用一般都会占到整个工程造价的30%至50%；（2）灯泡贯流式同步水轮发电机组需要有一套完备的水轮机调速及辅助设备系统来辅助，然而，同步发电机由于其转速低、磁极多而导致体积庞大，而且还需要配备相应的励磁、以及大量的保护控制系统，使得该机组的结构复杂，其造价一般都会占到整个工程造价的40%至60%。

因此，对于微水头水能资源来说，若采用现有的灯泡贯流式同步水轮发电机组进行开发，则难以承受造价昂贵的土建费用及多种配套设备等成本，除此之外，现有技术中也还未有合适的水轮机转轮。

申请内容

本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种用于微水头水能开发的水力发电机组，该用于微水头水能开发的水力发电机组结构简单，可节省大量的土建费用及设备造价，便于市场上的普及与推广。

本申请的目的通过以下技术方案实现。

提供一种用于微水头水能开发的水力发电机组，包括有多个水力发电

机，水力发电机包括管道，管道内设置有同步永磁发电机以及与同步永磁发电机连接的水轮机；同步永磁发电机通过多个中空的固定管固定于管道内，中空的固定管的一端与同步永磁发电机的外壳连接，中空的固定管的另一端与管道内壁连接，其中一个中空的固定管与管道壁的连接处开设有用于穿设同步永磁发电机线缆的线缆穿出口，线缆穿出口设置有并网变频器及保护控制设备，同步永磁发电机线缆穿设线缆穿出口、并分别与并网变频器和保护控制设备电连接。通过变频后为50HZ的低压电源，通过电缆送出，或通过电力变压器接入电力系统。

优选的，管道的水流进口设置有与管道相接的喇叭状挡水板。

另一优选的，水轮机的转轮设置为螺旋二叶片式或螺旋三叶片式的微压流速型的转轮。

更优选的，转轮的轮毂为柱锥形。  

另一优选的，线缆穿出口处设置有可安装逆变器的密闭安装室，并网变频器及保护控制设备均放置于密闭安装室内。

另一优选的，管道的水流出口设置为渐扩渐缩式的水流出口。

另一优选的，管道的水流进口和/或水流出口设置有用于切断水流的闸门。

另一优选的，多个水力发电机呈纵向排布设置，且多个水力发电机之间分别通过浮箱相互连接。

另一优选的，水力发电机的管道外壁设置有用于与相邻的水力发电机连接的锚式固定装置。另一优选的，与相邻的机组通过浮箱连接。

本申请的有益效果如下：

本申请的结构包括有多个水力发电机，水力发电机包括管道，管道内设置有同步永磁发电机以及与同步永磁发电机连接的水轮机；同步永磁发电机通过多个中空的固定管固定于管道内，中空的固定管的一端与同步永磁发电机的外壳连接，中空的固定管的另一端与管道内壁连接；其中一个中空的固定管与管道壁的连接处开设有用于穿设同步永磁发电机线缆的线缆穿出口，线缆穿出口设置有并网变频器及保护控制设备，同步永磁发电机线缆穿设线缆穿出口、并分别与并网变频器和保护控制设备电连接，本申请采用同步永磁发电机，可使得发电机取消同步励磁机控制装置，由于使用了并网变频器，可使发电机组并网简单，机组转速在一定的转速范围内不受限制，可以取消调速设备，简化发电辅助系统，从而使发电机的结构简单，可节省大量的土建费用及设备造价，便于市场上的普及与推广。

附图说明

利用附图对本申请做进一步说明，但附图中的内容不构成对本申请的任何限制。

图1是本申请的实施例1的一个水力发电机的结构示意图。

图2是本申请的实施例1的一个水力发电机的浮式安装的状态示意图。

图3是本申请的实施例1的状态示意图。

图4是本申请的实施例2的一个水力发电机的结构示意图。

图5是本申请的实施例2的一个水力发电机的另一个角度的结构示意图。

图6是本申请的实施例2的一个水力发电机的固定式安装的状态示意图。

在图1至图6中包括有：

1——管道；

2——同步永磁发电机的外壳；

3——水轮机；

4——固定管；

5——喇叭状挡水板；

6——锚式固定装置；

7——浮箱；

8——安装室；

9——闸门。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步说明。

实施例1。

本实施例的一种用于微水头水能开发的水力发电机组如图1所示，包括有多个水力发电机，如图2和图3所示，水力发电机包括管道1，管道1内设置有同步永磁发电机以及与同步永磁发电机连接的水轮机3；同步永磁发电机通过多个中空的固定管4固定于管道1内，中空的固定管4的一端与同步永磁发电机的外壳2连接，中空的固定管4的另一端与管道1内壁连接；其中一个中空的固定管4与管道壁的连接处开设有用于穿设同步永磁发电机线缆的线缆穿出口，线缆穿出口设置有并网变频器及保护控制设备，同步永磁发电机线缆穿设线缆穿出口、并分别与并网变频器和保护控制设备电连接。

本申请采用同步永磁发电机，可使得发电机取消同步励磁机控制装置，由于使用了并网变频器，可使发电机组并网简单，机组转速在一定的转速范围内不受限制，可以取消调速设备，简化发电辅助系统，从而使发电机的结构简单，可节省大量的土建费用及设备造价。

鉴于本发明机组可适用一定的转速范围下工作，其出力具有可调节性，具有并网友好型条件，同时考虑到本机组躲在电网末端并入，建议加装低电压穿越装置，以满足电网接入要求。

本申请的水力发电机采用集成式的结构，便于生产加工、便于机组的组装。

发电机中空的固定管4同时作为线缆的出口及水轮机3的固定导叶，因此不需设水轮机3的活动导叶。

中空的固定管4沿同步永磁发电机的外壳2的外周向均匀分布设置，作为固定导叶使用时，可使座环（过流部分）成为一体，同时使水流进入转轮前形成环量。

优选的，中空的固定管4沿同步永磁发电机的外壳2的外周向呈等距离环形分布设置，优选的，中空的固定管4在同步永磁发电机的外壳2的外周面上呈螺旋排列。可更好地使水流进入转轮前形成环量。

现有技术的活动导叶用于调节流量，以及机组停机时用于切断水流，本申请由于采用变频并网技术，因此，可以不设活动导叶，可以使转轮结构简化，成本低，便于制造与加工。      

具体的，管道1的水流进口设置有与管道1相接的喇叭状挡水板5。可局部涌高水位，使管道1的水流进口与管道1的水流出口形成一定的水头。

水轮机3的转轮设置为螺旋二叶片式或螺旋三叶片式的微压流速型的转轮。转轮的轮毂为柱锥形。此种结构的转轮是一种专门应用于微水头电站、利用水流动能把水能转化为机械能的转轮。

具体的，线缆穿出口处设置有密闭安装室8，并网变频器及保护控制设备均放置于密闭安装室8内。

具体的，多个水力发电机呈纵向排布设置，且多个水力发电机之间分别通过浮箱7相互连接。

具体的，水力发电机的管道1外壁设置有用于与相邻的水力发电机连接的锚式固定装置6。如图3所示，本申请的水力发电机与相邻的机组通过浮箱7连接。可通过浮箱7固定于锚式固定装置6实现与相邻的机组相连接。两侧的浮箱7通过外物固定，使得所有机组的固定。

实施例2。

本实施例的一种用于微水头水能开发的水力发电机如图4至图6所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

管道1的水流出口设置为渐扩渐缩式的水流出口。有利于回收转轮出口的动能能量，提高机组效率。

管道1的水流进口和/或水流出口设置有用于切断水流的闸门9。对于常规低水头贯流机组来说，设置闸门9也是一种保护机组避免飞逸运行的手段之一。本申请不需要通过闸门9来保护机组避免飞逸运行，本申请的闸门9仅仅是方便机组检修，也可以取消。具体的，管道1的前部或后部设置有用于切断水流的闸门9。对于常规低水头贯流机组来说，设置闸门9也是一种保护机组避免飞逸运行的手段之一。本申请不需要通过闸门9来保护机组避免飞逸运行，本申请的闸门9仅仅是方便机组检修，也可以取消。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。