CN101302943A

CN101302943A - 一种发电装置

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Publication number: CN101302943A
Application number: CN 200810088395
Authority: CN
Inventors: 尚德敏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2008-11-12

Abstract

本发明给出一种发电装置，它由蒸汽锅炉、蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器、循环水箱、水轮机和发电机组成，它的工作过程是：在蒸汽喷水控制器的控制下，蒸汽锅炉生产的高温高压蒸汽进入蒸汽喷水器膨胀做功，由循环水箱进入蒸汽喷水器的水被加压后，从蒸汽喷水器出口输出高压水；高压水通过背压器，进入水轮机的导水机构，在流经转轮时，水流与转轮进行能量传递，推动水轮机主轴旋转；水轮机带动发电机，发电机对外发电。本发明的发电装置，通过蒸汽与水两级做功媒质，实现热能向电能的转变，它兼有蒸汽动力发电装置和水力发电装置的优点。这种发电装置，能量转换机构简单可靠，制造容易，造价低，配套工程设施投资小。

Description

一种发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别是涉及火力发电厂的蒸汽动力发电装置。

背景技术

在人类的生产和生活中，到处可以看到各种各样的用电设备，执行着不同的任务，对推动生产力的发展、改善人民的生活质量和巩固国防，都有着不可替代的作用。所以，为了保障电力供应，大力建设各种发电厂，就必然是国家发展经济的最重要的战略决策。

目前，大型的发电厂主要有三种：火力发电厂，以锅炉为能源，以蒸汽轮机为主机的蒸汽动力发电装置；水力发电厂，以自然界河流的水力资源为能源，以水轮机为主机的水力发电装置；核电厂，它采用以核反应堆为能源，以蒸汽轮机为主机的蒸汽动力发电装置。

建设一个火力发电厂，对地形地质条件要求不高，但采用的蒸汽动力发电装置中，包含许多大型而昂贵的设备，其中，除了蒸汽锅炉、蒸汽轮机、发电机，还包含有凝汽器、给水泵、循环水泵、除氧加热器、高压加热器、低压加热器等。火力发电厂的能源是蒸汽锅炉，产生的水蒸汽是做功媒质。与水相比，水蒸气的密度极小，水蒸气需要通过几十级蒸汽轮机叶片，才能充分进行能量转换。为了尽可能提高能量转换效率，提高输出功率，不仅进入汽轮机汽缸的水蒸气处于高温高压状态，汽轮机中的主轴还要高速转动，这就要求汽轮机的叶栅、主轴、叶轮、汽缸、隔板、轴承等都要采用优质钢材。

核电厂与火力发电厂的主要区别是能源不同，它用核反应堆作为能源，并利用蒸汽发生器生产蒸汽，其它设备，包括蒸汽轮机，基本是相同的。

水力发电厂采用水轮机装置发电，建设一个水力发电厂，对地形地质条件要求很高，不是随便什么地方都可以建水力发电厂。厂外的水工建筑物，如大坝和引水系统，工程量都十分浩大。水力发电厂的厂内设备比火力发电厂少，其中，作为动力机的水轮机的构造也比较简单。与水蒸气相比，水的密度很大，而且是在常温下工作，因此，水轮机通常只设一级转轮，就可完成水轮机与水之间的能量转换。

可见，用蒸汽动力发电装置或用水力发电装置建电厂各有优缺点，主要是：用蒸汽轮机建电厂，对周围地形地质条件要求不高，但是厂内机电设备复杂而昂贵；用水轮机建电厂，厂内机电设备简单，但是对厂周围地形地质条件要求很高，而且厂外水工建筑工程量浩大，建设周期长。至今，还没有一种大型发电装置能兼有蒸汽动力发电装置和水力发电装置的优点，而同时摒弃它们的缺点。

上述有关发电装置的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、邢运民，陶永红，现代能源与发电技术，西安：西安电子科技大学出版社，2007

2、蔡兆麟，刘华堂，何国庚，能源与动力装置基础，北京：中国电力出版社，2004

发明内容

本发明的目的是要给出一种发电装置，它兼有蒸汽动力发电装置和水力发电装置的优点。它利用水加热产生蒸汽，蒸汽高速膨胀做功，直接作用于水，使水加压并流动，水流推动水轮机，水轮机带动发电机发电。它是通过蒸汽与水两级做功媒质，实现热能向电能的转变。这种发电装置，能量转换机构简单可靠，制造容易，造价低，配套工程设施投资小。

为达到上述目的，本发明给出一种发电装置，它由蒸汽锅炉、蒸汽喷水装置、水轮机、发电机共四部分组成，其中蒸汽喷水装置包括蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器和循环水箱。

本发明一种发电装置，它的工作过程是：由蒸汽锅炉生产高温高压蒸汽，在蒸汽喷水控制器对相关阀门的控制下，高温高压蒸汽进入蒸汽喷水器膨胀做功，由循环水箱进入蒸汽喷水器的水被加压，然后从蒸汽喷水器出口输出高压水；高压水通过背压器，进入水轮机的蜗壳，再通过导水机构，并在流经转轮时，水流与转轮进行能量传递，推动水轮机的转轮及水轮机主轴旋转；水轮机带动发电机，发电机对外发电。

基本过程为：蒸汽锅炉生产的高温高压蒸汽输送到蒸汽喷水装置，在蒸汽喷水控制器的控制下，循环水箱的水进入蒸汽喷水装置被蒸汽加压后输出，从蒸汽喷水装置输出的高压水，经过背压器，推动水轮机，水轮机带动发电机发电。

蒸汽喷水器是本发明的一个核心设备，在蒸汽喷水器中实现蒸汽与水之间的能量传递，蒸汽的热能转换成水的压能和动能。蒸汽喷水器的外形是一个特殊的三通管，由一个竖管和一个水平管垂直相接组成，在竖管上有进汽口和进水口，在水平管上有出水口。在竖管和水平管上，还有几个电磁阀。

蒸汽喷水器上的各个电磁阀，都受蒸汽喷水控制器控制。在蒸汽喷水控制器内部，有控制蒸汽喷水器的全部电磁阀开闭的控制电路。各个电磁阀开闭的顺序是固定的，而每个电磁阀开闭时间的长短，可通过改变蒸汽喷水控制器内部电路中元件的参数进行调整。

当蒸汽喷水器内的蒸汽与蒸汽喷水器入水口处的循环水箱的常温水接触，蒸汽溶于水，循环水箱的常温水进入蒸汽喷水器。通过空气管向蒸汽喷水器内常温水的上部供给少量空气，在常温水的上方形成一个薄空气层。从蒸汽喷水器的顶部向蒸汽喷水器内注入高温高压蒸汽，由于空气层的隔离作用，仅有极少量高温高压蒸汽溶入水中；高温高压蒸汽迅速进行膨胀过程，对蒸汽喷水器内的水体做功，使水体产生高压，并推动高压水体从蒸汽喷水器出口高速流出，经过背压器进入水轮机。

在水轮机中，水轮机转轮利用水流的压能和动能做功。水流经过水轮机时充满整个流道，压力水流绕流水轮机转轮叶片时，水的动能和压能变小，而水轮机获得旋转机械能。这种常见水轮机称作反击式水轮机。

水轮机与发电机搭配，水轮机获得的机械能，转换成发电机的电能向外输出。水轮机和发电机的组合称作水轮发电机。

循环水箱是一个部分敞口的箱体，内装动力循环用水。蒸汽喷水器被固定在循环水箱中，蒸汽喷水器的竖管与水面垂直，其进水口伸到循环水箱水面以下，蒸汽喷水器的水平管位于箱体上表面上方。

本发明的优点是：

1、与水力发电装置相比，用本发明的发电装置建电厂，对厂周围地形地质条件要求不高，以蒸汽锅炉作为能源，可以将电厂建在任何需要电力的地方。

2、与蒸汽动力发电装置相比，用本发明的发电装置建电厂，厂内机电设备少，不需要庞大的凝汽器，水轮机比蒸汽轮机简单。本发明一种发电装置体积小，重量轻。

3、本发明的发电装置的水轮机是在常温下工作，不需要昂贵的耐高温合金材料。水轮机转速为每小时1000转以下，不及蒸汽轮机转速的三分之一，其轴系及基础的震动较小。水轮机壳体内的水压远低于蒸汽轮机壳体内的蒸汽压，对壳体抗压强度要求低。与蒸汽轮机相比，本发明的造价较低。

4、与水力发电装置相比，用本发明的发电装置建电厂时，不需要工程量浩大的大坝等厂外水工建筑物，不依赖自然界的河流的水力资源，占地面积少，配套工程设施投资小。

附图说明

图1是本发明一种发电装置实施例的总体组成图；

图2是本发明一种发电装置实施例的蒸汽锅炉的结构图；

图3是本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水装置组成图；

图4是本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水器的结构图；

图5是本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水器工作原理图；

图6是本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水控制器电路图；

图7是本发明一种发电装置实施例的背压器的结构图；

图8是本发明一种发电装置实施例的水轮发电机组成图；

图9是本发明一种发电装置实施例的水轮机的结构图；

图10是本发明一种发电装置实施例的发电机的结构图；

图11是本发明一种发电装置实施例在发电厂中的布置方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明一种发电装置实施例的总体组成图。

一种发电装置实施例的总体组成由蒸汽锅炉、蒸汽喷水装置、水轮机、发电机共四部分组成，其中蒸汽喷水装置包括蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器和循环水箱。

蒸汽锅炉4是能源设备，它生产高温高压的过热蒸汽；第一个蒸汽喷水器100、第二个蒸汽喷水器101、蒸汽喷水控制器102、背压器250和循环水箱103构成蒸汽喷水装置；水轮机230和发电机210的组合，又称作水轮发电机。

基本的工作过程是：

给水箱3向蒸汽锅炉4供应动力循环水，在蒸汽锅炉4中，燃料燃烧对锅炉水管加热，产生高压高温蒸汽；

在蒸汽喷水控制器102的控制下，高压高温蒸汽轮流进入第一个蒸汽喷水器100或第二个蒸汽喷水器101，由于蒸汽在水中的溶解作用，循环水箱103的水进入第一个蒸汽喷水器100或第二个蒸汽喷水器101；

高压高温蒸汽膨胀做功，使水加压，第一个蒸汽喷水器100或第二个蒸汽喷水器101轮流通过出口输出高压水；

高压水经过背压器250，进入水轮机的蜗壳、导水机构，再流过转轮，水流的能量转换成转轮的旋转机械能，推动水轮机230工作。水轮机230带动发电机210，发电机210向外输出电力；

通过水轮机做过功的动力循环水，进入尾水管235，再流入尾水槽240。在尾水槽240内有一个盘管式散热器239，带走由于蒸汽凝结使水增加的热量，使动力循环水维持常温。然后，动力循环水通过连通管241进入循环水箱103。

图2给出了本发明一种发电装置实施例的蒸汽锅炉的结构图。

本发明一种发电装置实施例的蒸汽锅炉4，向蒸汽喷水器供应做功用的蒸汽。所述蒸汽锅炉4包括：省煤器、汽包、燃烧器、炉膛、受热管、过热器和蒸汽管，受热管包括对流管和水冷壁。

蒸汽锅炉4的给水泵11，通过省煤器16连接汽包14，向蒸汽锅炉提供给水。燃烧器10向锅炉炉膛93内喷进燃料并燃烧，燃烧火焰对受热管73加热，受热管73包括对流管和水冷壁。蒸汽锅炉4的受热管73中的水，被加热产生蒸汽，汇入到汽包14。汽包14输出的饱和蒸汽进入过热器91，从过热器91出口得到的过热蒸汽经过蒸汽管92输出。

现举出本发明一种发电装置的两个例子，具体说明蒸汽锅炉参数如何与水轮机功率相匹配。

例1：利用本发明一种发电装置，建设一个小型发电站，输出电功率为200kW。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为2MPa，温度为500℃，蒸汽的焓值为3466kJ/kg。蒸汽做功时，绝热膨胀到0.02MPa压力。每千克蒸汽可逆绝热焓降为1016kJ，绝热膨胀效率为90％，每千克蒸汽实际做功914kJ。

前已说明，本发明一种发电装置的基本能量转换环节是蒸汽膨胀做功推动水，水再推动水轮机。因此，实质上，水轮机是依靠蒸汽做功。

水轮发电机输出电功率为200kW，水轮机效率85％，发电机效率90％，则水轮机输入功率N应为

N＝200/(0.85*0.90)＝261(kW)

每秒钟做功的蒸汽量m为

m＝261/914＝0.286(kg)

水轮发电机每小时需要的蒸汽量M为

M＝0.286*3600＝1030(kg)

用本发明一种发电装置，建设一个200kW小型背压式发电站，蒸汽锅炉的额定容量设定为每小时生产1.1吨过热蒸汽，过热蒸汽压力为2MPa，温度为500℃。

例2：利用本发明一种发电装置，建设一个发电厂，发电功率为100MW。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，锅炉出口的新蒸汽的焓值为3239kJ/kg，新蒸汽在蒸汽喷水装置内绝热膨胀到背压器压力，背压器内的压力为0.02MPa。每千克蒸汽可逆绝热焓降为1224kJ，按绝热膨胀效率为90％计算，每千克蒸汽可实际做功1102kJ。

前已说明，本发明的基本能量转换环节是蒸汽膨胀推动水，水再推动水轮机。因此，实质上，水轮机是依靠蒸汽做功。

水轮发电机输出电功率为100MW，水轮机效率85％，发电机效率90％，则水轮机输入功率N应为

N＝100/(0.85*0.90)＝130.7(MW)

每秒钟做功的蒸汽量m为

m＝130.7*1000/1102＝118.6(kg)

水轮发电机每小时需要的蒸汽量M为

M＝118.6*3600＝426960(kg)

蒸汽锅炉的额定容量为每小时生产427吨过热蒸汽，过热蒸汽压力为20MPa，温度为500℃。

图3给出了本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水装置的组成图。

蒸汽喷水装置包括：第一个蒸汽喷水器100、第二个蒸汽喷水器101、蒸汽喷水控制器102、背压器250和循环水箱103。

第一个蒸汽喷水器100的本体，是由一个水平管的一头与一个竖管垂直相接构成的。水平管的另一头是出水口117，水平管上有出水阀116。竖管的下端是进水口113，竖管上有进水阀111，进水阀111的上缘与两管的接口相接。竖管上头的端板外接两个管，一个是空气管109，其上有空气阀，另一个蒸汽管110，其上蒸汽阀。

第二个蒸汽喷水器101与第一个蒸汽喷水器100的结构完全相同，是两个具有同样功能的能量转换器件。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101在出水口117之前相连通，即，两个蒸汽喷水器有一个共同的出水口117。蒸汽喷水器的出水口117连接背压器250的进水口，关于背压器250的结构和功能，在后边图7中有说明。

蒸汽喷水控制器102用来控制第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101。蒸汽喷水控制器102的输出信号，分别控制第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101的蒸汽阀、空气阀、进水阀和出水阀的开闭时序。

循环水箱103是一个装水的箱体，箱体内部装有动力循环用水，箱体上部有一开口与环境空气相通。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101被固定在循环水箱103中，两个蒸汽喷水器彼此平行，与水面垂直。进水口113深入循环水箱103水面以下，进水阀111及水平管位于箱体上表面上方。

在水轮机的尾水槽和循环水箱103之间，有水管连通，在压差作用下，动力循环用水连续地从尾水槽流向循环水箱103。

图4给出了本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水器的结构图。

本图中的4-1图的说明如下：

本发明一种发电装置实施例的第一个蒸汽喷水器100的本体由一个竖管和一个水平管构成，水平管的一头与竖管垂直相接，水平管的另一头是出水口117，水平管上有出水116阀。竖管上，靠近下端有进水阀111，竖管的下端口是进水口113，进水口113深入到循环水箱的水面以下。竖管上端板外接出两个管，一个是空气管109，另一个蒸汽管110。空气管109上设有空气阀43；蒸汽管110与蒸汽锅炉连通，该管上设有蒸汽阀41。

竖管上的进水阀111，其上缘贴近水平管与竖管的垂直接口，进水阀111将竖管上下分成两部分：竖管的端板115到进水阀111，称作竖管上段；从进水阀111到进水口113，称作竖管下段。

第二个蒸汽喷水器101与第一个蒸汽喷水器100的结构完全相同，蒸汽喷水器是成对设置的，对应一个水轮发电机，有两个或两组相同的蒸汽喷水器轮流供水发电。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101被固定在循环水箱中，两个蒸汽喷水器彼此平行，并与水面垂直。两个蒸汽喷水器在出水口117之前相连通，它俩共用一个出水口117。

从竖管的端板115到进水阀111，即竖管上段，是蒸汽喷水器的进水管道兼贮水空间。在此管道中，设有击水器47。空气阀、蒸汽阀、进水阀、出水阀都是电磁阀，都有全开和全闭两个状态，都受蒸汽喷水控制器102控制。当出水阀处于全开状态时，阀孔内通流面积与阀孔前后管道通流面积相等。

蒸汽喷水器竖管上段的内径及长度，是蒸汽喷水器的关键结构尺寸，它与蒸汽喷水器的贮水容积有关，需要根据蒸汽喷水器的输出功率和蒸汽参数来计算。竖管下段长度约为1.0m～1.5m，竖管内的进水阀111距离循环水箱的水面的高度约为0.5m。水平管的内径不能过细，以免影响出水时间；水平管的长度不要过长，由现场情况决定。

下面举例说明：蒸汽喷水器的关键结构尺寸如何由其输出功率和蒸汽参数来决定。

例1：按照图2说明中的例1，利用本发明蒸汽-水轮机发电装置，建设一个200kW的小型发电站。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为2MPa，温度为500℃。绝热膨胀到0.02MPa压力，每千克蒸汽实际做功914kJ。该小型发电站每秒钟做功的蒸汽量m为0.286kg。

每一个蒸汽喷水器的喷水过程和上水过程是交替的，设定喷水过程为3秒，一个喷水过程需要的蒸汽量a为

a＝0.286*3＝0.858(kg)

由查表得知，压力为2MPa，温度为500℃的过热蒸汽的比容v1是0.176m³/kg，一个3秒钟的喷水过程需要的蒸汽量a的体积b为

b＝0.176*0.858＝0.151(m³)

当压力为2MPa，温度为500℃的过热蒸汽，可逆绝热膨胀到0.02MPa压力，此时的比容v2为7.2m³/kg，膨胀比为

v2/v1＝7.2/0.176＝40.9

3秒钟的喷水过程的蒸汽量，绝热膨胀到0.02MPa压力的体积c为

c＝b*40.9＝0.151*40.9＝6.18(m³)

这也是蒸汽喷水器3秒钟喷水过程的喷水体积。

从竖管的端板115到进水阀111，即竖管上段，是贮水有效容积。蒸汽喷水器3秒钟喷水过程的喷水体积6.18m³，在蒸汽喷水器的竖管上段贮水有效容积内，需要容纳3秒钟的喷水体积，为此，确定采用蒸汽喷水器的竖管的内径为1.13m，竖管上段长度为6.18m，用两个蒸汽喷水器轮流喷水。

两个蒸汽喷水器的结构完全相同，各个阀门开闭时序，由蒸汽喷水控制器102分别控制，两个蒸汽喷水器有一个共同的出水口117，轮流交替喷水3秒钟。蒸汽喷水器利用蒸汽水击上水，进水阀111的阀孔较大，其完成上水时间不到3秒钟。

例2：按照图2说明中的例2，利用本发明蒸汽-水轮机发电装置，建设一个发电厂，发电功率为100MW。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，蒸汽膨胀做功时，绝热膨胀到0.02MPa，每千克蒸汽实际做功为1102kJ。该热电厂每秒钟需要做功的蒸汽量m为118.6kg。

蒸汽喷水器的喷水过程和上水过程是交替的，喷水过程的时间为3秒，一个喷水过程需要的蒸汽量A为

A＝118.6*3＝355.8(kg)

查表得知，压力为20MPa，温度为500℃的过热蒸汽的比容V1是0.0148m³/kg，一个3秒钟的喷水过程需要的蒸汽量A的体积B为

B＝0.0148*355.8＝5.27(m³)

压力为20MPa，温度为500℃的过热蒸汽，可逆绝热膨胀到0.02MPa压力，此时的比容v2为5.8m³/kg，膨胀比为

v2/v1＝5.8/0.0148＝392

3秒钟喷水过程所用蒸汽量绝热膨胀到0.02MPa压力的体积C为

C＝B*392＝5.27*392＝2066(m³)

这也是蒸汽喷水器3秒钟喷水过程的喷水体积。

蒸汽喷水器3秒钟的喷水体积是2066m³，在蒸汽喷水器的竖管上段贮水有效容积内，需要容纳3秒钟的喷水体积2066m³，为此，确定蒸汽喷水器的竖管的内径为1.13m，竖管上段长度为6.89m，采用300个蒸汽喷水器构成一个蒸汽喷水器组，需要两个蒸汽喷水器组轮流喷水，总计600个蒸汽喷水器。两个蒸汽喷水器组交替进行的喷水过程和上水过程中，喷水过程时间为3秒，上水过程时间不到3秒。

本图中的4-2图的说明如下：

击水器47由固定杆112及其上垂直固定的多个击水盘114构成。击水盘114是带孔圆盘，圆盘上均匀分布直径为30～50mm的通孔，通孔总面积占圆盘表面积的三分之一。圆盘外径等于蒸汽喷水器竖管内径的三分之一，圆盘沿固定杆112上下均匀设置，圆盘间距等于蒸汽喷水器竖管内径。固定杆112在蒸汽喷水器竖管上段中心线上固定，其长度从进水阀111，一直到端板115。固定杆112从击水器47的全部圆盘中心穿过，并相固定。

图5给出了本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水器的工作原理图。

第一个蒸汽喷水器100的工作原理可分解为四个过程来说明，对应地用5-1、5-2、5-3、5-4等四个图来表示。

5-1图表示的是启动第一过程，关闭出水阀116，打开进水阀111，再打开蒸汽阀41，向蒸汽喷水器内注入高温高压蒸汽，吹扫蒸汽喷水器竖管内的积水和漏入的空气，通过进水阀111，从蒸汽喷水器的进水口113排出。然后，关闭蒸汽阀41和进水阀111。在进水口113处，进水口113内的高温蒸汽迅速溶入进水口113下边的常温水，进水口113下边的水向进水口113内涌入，很快就占据了从进水口113到进水阀111的管内空间。

5-2图表示的是启动第二过程，打开出水阀116，打开蒸汽阀41，向蒸汽喷水器内注入高温高压蒸汽，吹扫蒸汽喷水器水平管内的积水和漏入的空气，从出水口117排出。然后关闭出水阀116，关闭蒸汽阀41。

5-3图表示的是蒸汽喷水器做功两冲程的进水冲程：蒸汽管110上蒸汽阀41在关闭状态，打开空气阀43，同时打开进水阀111。通过空气阀，空气管109向蒸汽喷水器内注入少量空气后，关闭空气阀43。进水阀111下面是常温水，进水阀111内部是高温蒸汽，蒸汽溶于水，蒸汽喷水器内蒸汽压力下降，水迅速涌入进水阀111。由于蒸汽与水的循环互动，很快引发蒸汽水击，进水阀111下面的水迅速冲进蒸汽喷水器。在蒸汽喷水器竖管内设置的击水器，与进水相撞击，加强了蒸汽水击过程，从进水阀111进来的水，几乎瞬间就占据了竖管内的全部空间，然后关闭进水阀111。先前通过空气阀进入蒸汽喷水器内的少量空气，在竖管的端板的下表面和进水的上表面之间，形成一个薄空气层。

5-4图表示的是蒸汽喷水器做功两冲程的做功冲程：打开出水阀116，同时打开蒸汽阀41。通过蒸汽阀41，向蒸汽喷水器内注入定量高温高压蒸汽后，关闭蒸汽阀41。由于空气层的阻碍作用，仅有极少量高温高压蒸汽溶入竖管内的常温水。高温高压蒸汽的进汽和膨胀过程做功，推动空气层和竖管内的常温水加压、加速流动，通过出水阀116，再通过出水口117。当流动水体全部从出水口117流出时，关闭出水阀116。

启动后的第一个蒸汽喷水器100反复进行做功两冲程循环，即5-3图表示的进水冲程和5-4图表示的做功冲程。

第二个蒸汽喷水器101的工作原理与第一个蒸汽喷水器100的工作原理完全相同，但是，两者在工作的时间相位上相差180度。即当第一个蒸汽喷水器100从进水口进水时，第二个蒸汽喷水器101从出水口向外喷水，而当第二个蒸汽喷水器101从进水口进水时，第一个蒸汽喷水器100从出水口向外喷水。正是由于两个蒸汽喷水器的连续交替喷水，确保两者共同的出水口107不间断地向外喷水。两个蒸汽喷水器这种精确地配合喷水动作，是由蒸汽喷水控制器来控制完成的。

本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水器的进水阀、出水阀、蒸汽阀、空气阀等阀门都是依靠电磁力动作的电磁阀，通电时开启，断电时关闭。启动的第一过程和第二过程是利用手动电开关控制阀门进行的，而进入循环做功时，两个蒸汽喷水器各两冲程循环的启停时序及其配合，是由蒸汽喷水控制器自动控制相关阀门来完成的。

图6给出了本发明一种发电装置实施例的蒸汽喷水控制器的电路图。

这是利用一个四级时序定时器，按顺序驱动四个磁力电开关，控制两个(分别称作第一个和第二个)蒸汽喷水器的八个电磁阀的电路。采用四个555集成电路，产生四个顺序脉冲，第四个555集成电路的输出端接到第一个555集成电路的触发端，实现非稳态工作。

第一个555集成电路120，为了能可靠复位，防止干扰的影响，其复位端(管脚4)和电源端(管脚8)都直接与V+电源相接。集成电路120的接地端(管脚1)接地，控制端125(管脚5)通过一个电容接地，防止干扰信号影响脉冲的脉宽。其触发端122(管脚2)的触发信号，来自第四个555集成电路150的输出信号，经由电阻121和电容124所组成的微分电路产生的触发脉冲，脉宽约1微秒，下跳沿起作用。当触发端122(管脚2)被触发，且脉冲电压低于V+/3时，内部触发比较器翻转，输出端(管脚3)输出高电平。放电端127(管脚7)内部开路，电源V+开始通过定时电阻128向定时电容129充电。定时电容129上充电到2V+/3时，阈值端126(管脚6)内部的阈值比较器翻转，定时电容129迅速放电到地电位，输出端回到低电平。定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容。定时电阻128为1兆欧姆，定时电容129为1微法拉，定时时间约为1秒。其输出端123的输出信号通过电阻162接到电流放大管160的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关161，控制第一个蒸汽喷水器100的空气阀，进空气1秒钟；同时控制第二个蒸汽喷水器101的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟。

第二个555集成电路130，其触发端132(管脚2)的触发信号，来自第一个555集成电路120的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取2秒。

第一个555集成电路120的输出端123和第二个555集成电路130的输出端133分别通过整流管后，合并连接到电阻167的一端，而电阻167的另一端接到电流放大管165的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关162，用于同时控制第一个蒸汽喷水器100的进水阀和第二个蒸汽喷水器101的出水阀，其定时时间等于第一和第二两个集成电路定时时间之和，即为3秒。也就是第一个蒸汽喷水器100通过进水阀，进水3秒钟；同时，第二个蒸汽喷水器101通过出水阀，向外喷水3秒钟。

第三个555集成电路140，其触发端142(管脚2)的触发信号，来自第二个555集成电路130的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取1秒。其输出端143的输出信号通过电阻177接到电流放大管175的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关172控制第一个蒸汽喷水器100的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟；同时，控制第二个蒸汽喷水器101的空气阀，进空气1秒钟。

第四个555集成电路150，其触发端152(管脚2)的触发信号，来自第三个555集成电路140的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取2秒。

第三个555集成电路140的输出端143和第四个555集成电路150的输出端153分别通过整流管后，合并连接到电阻182的一端，而电阻182的另一端接到电流放大管180的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关181，用于同时控制第一个蒸汽喷水器100的出水阀和第二个蒸汽喷水器101的进水阀，其定时时间等于第三和第四两个集成电路定时时间之和，即为3秒。也就是第一个蒸汽喷水器100通过出水阀喷水3秒钟；同时，第二个蒸汽喷水器101通过进水阀进水3秒钟。

图7给出了本发明一种发电装置实施例的的背压器的结构图。

本发明一种发电装置实施例的背压器250的主体结构由射流器251和抽气器261两部分组成。

射流器251的外观是一段短管，它由一个外管和外管内设置的一个喷管和一个扩压管组成。射流器251的一端是入口法兰253，另一端是出口法兰252。从入口法兰253向里看，是一个渐缩的喷管254。沿着从进口到出口方向，渐缩的喷管254的出口正对着的是缩放的扩压管257的进口，在喷管254出口、扩压管257进口和射流器251的外管之间是一有限空间，扩压管257的出口与出口法兰252相接。

抽气器261是一个压力容器，它位于射流器251的上方，两者之间有一个垂直的连通管262。在抽气器261内有一个冷却盘管262，在抽气器261的上封头接一个抽气管，抽气管上有一个抽气泵263。

背压器250的工作原理是：蒸汽喷水器的出口输出的高压水，从背压器250的入口进入，经过喷管254形成高速射流，穿过背压器250内的有限空间后，进入扩压管257。在扩压管257的出口，也就是背压器250的出口，水流压力恢复到接近背压器250的入口，即喷管254的入口的压力。水流在穿越背压器250内的有限空间时，水流中的水蒸汽和空气扩散出来，通过连通管264向抽气器261内流动，水蒸汽在冷却盘管262的表面凝结下来，滴落并流回射流器251，空气则被抽气泵263抽出，排往大气。蒸汽喷水器输出的高压水进入背压器250时，其中所含的水蒸汽和空气的量都很少，冷却盘管262的热负荷很小，抽气泵263的功率消耗也很小。

通过冷却盘管262和抽气泵263的连续工作，背压器250的有限空间内可以维持较低的绝对压力，当然不会低于水流水温对应的饱和蒸汽压。本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的背压器250内绝对压力为0.02MPa。在蒸汽喷水器的出口，设置背压器250的目的，就是为了高温高压的蒸汽在蒸汽喷水器内膨胀做功时，有一个较低的背压，以获得较大的焓降、较大的功率和较大的效率。

图8给出了本发明一种发电装置实施例的水轮发电机的组成图。

本发明的水轮发电机由水轮机和发电机两部分组成，水轮机的主轴与发电机的主轴连接，并传递动力。

水轮发电机的水轮机可以是立轴或卧轴的混流式水轮机，混流式水轮机的主要部件有水轮机主轴231、转轮232、导叶233、蜗壳234、尾水管235等。其工作过程是：水流经过蜗壳234引入，再经过导叶233调整流量，流过转轮232的叶片，实现能量的转换，水的流动能量转变成转轮旋转的机械能，带动水轮机主轴231旋转。

水轮发电机的水轮机也可以是轴流式水轮机，轴流定桨式水轮机的转轮形似螺旋桨，水流在导叶与转轮之间由径向转为轴向，在转轮区域水流沿轴向流动，转轮与水流间完成能量转换。

水轮发电机的发电机是交流无刷同步发电机，主要有发电机转子211、发电机定子212和发电机主轴215。

发电机转子211主要包括转子铁心、转子磁极绕组。发电机定子212主要包括机座、定子铁心、定子电枢绕组。

发电机的主轴215被水轮机的主轴231带动旋转，发电机的转子磁极的磁场扫过定子绕组，亦即扫过电枢绕组。由于转子磁场与定子绕组导线的相对运动，导线切割磁力线，定子的电枢绕组产生感应电压，可以向外输出电流。

图9给出了本发明一种发电装置实施例的水轮机的结构图。

本发明一种发电装置实施例的水轮机结构的选型，优先考虑水头的大小，通过以下两例，具体说明如何选型及水轮机的结构。

例1：按照图2说明中的例1，利用本发明一种发电装置，建设一个200kW的小型发电站。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为2MPa，温度为500℃，蒸汽膨胀做功时，绝热膨胀到0.02MPa压力。利用蒸汽驱动蒸汽喷水器，蒸汽喷水器3秒钟喷水体积为6.18m³。

按照水轮机功率计算式

N＝9.81*H*Q

式中，N为水轮机输入功率，H为水头，Q为流量。

Q＝6.18/3＝2.06(m³/s)

N＝261(kW)

水头为

H＝12.9(m)

本例中，水头为12.9m，流量为2.06m³/s，输入功率为261kW。根据这些参数，经过查找文献，进行比较，决定选择两台型号为HL240-WJA-50的混流式水轮机。HL240-WJA-50水轮机的水头与本例相同，两台HL240-WJA-50水轮机流量、出力与本例相当。HL240-WJA-50水轮机的转轮型号为240，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为50cm，转速为750r/min。

本图为混流式卧轴水轮机结构简图，混流式水轮机的水流由径向流入、从轴向流出。它由引水机构、导水机构、转轮和尾水管等组成。从来水管237引来水流，进入引水机构，引水机构包括蜗壳234和座环236，蜗壳234中的水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使水流均匀地经由座环236进入水轮机导水机构。导水机构包括导叶233，导水机构的作用是引导水流按一定方向进入转轮232，具体的操作就是转动导叶233到某一角度，改变导叶间的开度，调节进入水轮机并通过转轮232的水流的流量。转轮232又称工作轮，它是水轮机的核心，其作用是将水流的能量转换为水轮机的旋转机械能。转轮232的叶片的断面形状为翼形，在转轮232转动过程中，其叶片完成与水流间径向、轴向的能量转换，混流式水轮机的主轴231旋转时，它就带动联轴的发电机发电。流过转轮232的水流，进入水轮机的尾水管235。做完功的水，经过尾水管235和尾水槽，最后返回循环水箱。

混流式水轮机结构简单，强度高，效率高。混流式水轮机是利用水流的压力能和动能做功的反击式水轮机。

例2：按照图2说明中的例2，利用本发明一种发电装置，建设一个发电厂，发电功率为100MW。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，蒸汽膨胀做功时，绝热膨胀到0.02MPa。利用蒸汽驱动蒸汽喷水器，蒸汽喷水器3秒钟喷水体积为2066m³。

按照水轮机功率计算式

N＝9.81*H*Q

式中，N为水轮机输入功率，H为水头，Q为流量。

Q＝2066/3＝689(m³/s)

N＝130.7(MW)＝130700(kW)

水头为

H＝19.3(m)

本例中，水头为19.3m，流量为689m³/s，水轮机输入功率为130.7MW。根据这些参数，经过查找文献，进行比较，决定选择型号为ZZ500-LH-1000的轴流转桨式水轮机。ZZ500-LH-1000水轮机的水头、流量、出力均与本例相当。ZZ500-LH-1000轴流转桨式水轮机的转轮型号为500，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径1000cm，转速62.5r/min，5个叶片，32个导叶。

轴流式水轮机也是利用水流的压力能和动能做功的反击式水轮机。其工作特点是：轴流式水轮机的转轮与沿轴向流动的水流，进行能量的转换。轴流式水轮机与混流式水轮机的结构比较，除了转轮不同外，其它部件基本相同。它也是由引水机构、导水机构、转轮和尾水管等组成。从来水管引来水流，进入引水机构，引水机构包括蜗壳和座环，蜗壳中的水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使水流均匀地经由座环进入水轮机导水机构。导水机构包括导叶，导水机构的作用是引导水流按一定方向进入转轮，具体的操作就是转动导叶到某一角度，改变导叶间的开度，调节进入水轮机并通过转轮的水流的流量。转轮又称工作轮，它是水轮机的核心，其作用是将水流的能量转换为水轮机的旋转机械能。转轮的叶片的断面形状为翼形，在转轮转动过程中，其叶片完成与轴向水流间的能量转换，水轮机的主轴旋转时，它就带动联轴的发电机发电。流过转轮的水流，进入水轮机的尾水管。做完功的水，经过尾水管和尾水槽，最后返回循环水箱。

图10给出了本发明一种发电装置实施例的发电机的结构图。

本发明的发电机是交流无刷旋转磁极式同步发电机，旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极是旋转的。磁极绕组在转子铁心槽内，电枢绕组均匀分布在整个定子铁心槽内，电枢绕组输出的交流电流可直接送往负载。

交流无刷旋转磁极式同步发电机的具体结构，主要有：发电机转子211、发电机定子212和发电机主轴215。发电机转子211包括发电机转子铁心、转子磁极绕组、转轴、励磁机转子213、旋转整流器216。发电机定子212包括机座、定子铁心、定子电枢绕组、端盖、轴承盖、励磁机定子214。

交流励磁机产生的交流电，经过旋转整流器整流后，供同步发电机的转子磁极励磁用。交流励磁机的定子为磁极，而转子为电枢。

发电机运行时会产生多种损耗而引起发热，在发电机转子上，装有风扇217对发电机进行通风冷却，以保证发电机的温升控制在允许的范围内。

图11给出了本发明一种发电装置实施例在发电厂中的布置方案。

蒸汽锅炉4生产的蒸汽输送到蒸汽喷水装置5，蒸汽喷水装置5由两个或若干蒸汽喷水器构成。循环水箱的水进入蒸汽喷水装置5后被蒸汽加压并输出，蒸汽喷水装置5输出的高压水，经过背压器250，进入水轮发电机6，推动水轮发电机6发电。流过水轮机做过功的水，通过尾水管、尾水槽，流回循环水箱。散热塔8连接尾水槽内的盘管式散热器，用来冷却动力循环用水。

Claims

1、一种发电装置，它包括蒸汽锅炉、发电机，蒸汽锅炉生产高温高压蒸汽，发电机对外发电，其特征在于：

(1)它还包括蒸汽喷水装置和水轮机；

(2)所述蒸汽喷水装置由蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器和循环水箱组成；

(3)蒸汽锅炉生产的高温高压蒸汽输送到蒸汽喷水装置，在蒸汽喷水控制器的控制下，循环水箱的水进入蒸汽喷水装置被蒸汽加压后输出，从蒸汽喷水装置输出的高压水，经过背压器，推动水轮机，水轮机带动发电机发电，在水轮机尾水槽内设散热器，用来冷却动力循环用水。

2、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述蒸汽锅炉包括：省煤器、汽包、燃烧器、炉膛、受热管、过热器、蒸汽管，受热管包括对流管和水冷壁；

蒸汽锅炉向蒸汽喷水器供应蒸汽，蒸汽锅炉的给水泵，通过省煤器连接汽包，向蒸汽锅炉提供给水，燃烧器向锅炉炉膛内喷进燃料并燃烧，燃烧火焰对受热管加热，受热管包括对流管和水冷壁，蒸汽锅炉的受热管中的水，被加热产生蒸汽，汇入到汽包，汽包输出的饱和蒸汽进入过热器，从过热器出口得到的过热蒸汽经过蒸汽管输出。

3、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述蒸汽喷水装置由两个蒸汽喷水器、一个蒸汽喷水控制器、一个循环水箱所组成；

蒸汽喷水器的本体，是由一个水平管的一头与一个竖管垂直相接构成的，水平管的另一头是出水口，水平管上有出水阀，竖管的下端是进水口，竖管上有进水阀，竖管上头的端板外接空气管和蒸汽管，空气管上有空气阀，蒸汽管上有蒸汽阀；

两个蒸汽喷水器的结构完全相同，两个蒸汽喷水器在出水口之前相连通，有共同的出水口，蒸汽喷水控制器输出信号，控制两个蒸汽喷水器的蒸汽阀、空气阀、进水阀和出水阀的开闭时序；

循环水箱是一个装水的箱体，箱体内部装有动力循环用水，箱体上部有一开口与环境空气相通，两个蒸汽喷水器同被固定在循环水箱中，两个蒸汽喷水器彼此平行，与水面垂直，进水口深入循环水箱水面以下，进水阀及水平管位于箱体上表面上方，在水轮机的尾水槽和循环水箱之间，有水管连通，在压差作用下，动力循环用水连续地从尾水槽流向循环水箱。

4、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述蒸汽喷水器的本体由一个竖管和一个水平管构成，水平管的一头与竖管垂直相接，水平管的另一头是出水口，水平管上有出水阀，竖管上，靠近下端有进水阀，竖管的下端口是进水口，竖管上端板外接出两个管，一个是空气管，另一个蒸汽管，空气管上设有空气阀，蒸汽管与蒸汽锅炉连通，该管上设有蒸汽阀，空气阀、蒸汽阀、进水阀、出水阀都是电磁阀，由蒸汽喷水控制器控制；

竖管上的进水阀，其上缘贴近水平管与竖管的垂直接口，进水阀将竖管上下分成两部分：竖管的端板到进水阀，称作竖管上段，从进水阀到进水口，称作竖管下段；

竖管上段是蒸汽喷水器的进水管道兼贮水空间，其中设有击水器，击水器由固定杆及其上垂直固定的多个击水盘构成，击水盘是带孔圆盘，圆盘上均匀分布直径为30～50mm的通孔，通孔总面积占圆盘表面积的三分之一，圆盘外径等于蒸汽喷水器竖管内径的三分之一，圆盘沿固定杆上下均匀设置，圆盘间距等于蒸汽喷水器竖管内径，固定杆在蒸汽喷水器竖管上段中心线上固定，其长度从进水阀，一直到端板，固定杆从击水器的全部圆盘中心穿过，并相固定；

竖管下段长度约为1.0m～1.5m，竖管内的进水阀距离循环水箱的水面的高度约为0.5m。

5、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述蒸汽喷水控制器是利用一个四级时序定时器，按顺序驱动四个磁力电开关，控制两个蒸汽喷水器的八个电磁阀的电路，采用四个555集成电路，产生四个顺序脉冲，第四个集成电路的输出端接到第一个集成电路的触发端，实现非稳态工作；

第一个集成电路，其复位端和电源端都直接与V+电源相接。接地端接地，控制端通过一个电容接地，触发端的触发信号，来自第四个集成电路的输出信号，定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容，定时电阻为1兆欧姆，定时电容为1微法拉，定时约为1秒，其输出端通过电阻接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，控制第一个蒸汽喷水器的空气阀，进空气1秒钟，同时控制第二个蒸汽喷水器的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟；

第二个集成电路触发端的触发信号，来自第一个集成电路的输出信号，定时时间取2秒；

第一个集成电路的输出端和第二个集成电路的输出端，分别通过整流管后，合并连接到电阻的一端，而电阻的另一端接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，用于同时控制第一个蒸汽喷水器的进水阀和第二个蒸汽喷水器的出水阀，其定时时间等于第一和第二两个集成电路定时之和，即为3秒，第一个蒸汽喷水器通过进水阀，进水3秒钟，同时，第二个蒸汽喷水器通过出水阀，向外喷水3秒钟；

第三个集成电路触发端的触发信号，来自第二个集成电路的输出信号，定时为1秒，其输出端的输出信号通过电阻接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关控制第一个蒸汽喷水器的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟，同时，控制第二个蒸汽喷水器的空气阀，进空气1秒钟；

第四个集成电路触发端的触发信号，来自第三个集成电路的输出信号，定时时间为2秒；

第三个集成电路的输出端和第四个集成电路的输出端分别通过整流管后，合并连接到电阻的一端，而电阻的另一端接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，用于同时控制第一个蒸汽喷水器的出水阀和第二个蒸汽喷水器的进水阀，其定时时间等于第三和第四两个集成电路定时时间之和，即为3秒，第一个蒸汽喷水器通过出水阀出水3秒钟，同时，第二个蒸汽喷水器通过进水阀进水3秒钟。

6、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述背压器的主体结构由射流器和抽气器两部分组成：

射流器的外观是一段短管，它由一个外管和外管内设置的一个喷管和一个扩压管组成，射流器的一端是入口法兰，另一端是出口法兰，从入口法兰向里看，是一个渐缩的喷管，沿着从进口到出口方向，渐缩的喷管的出口正对着的是缩放的扩压管的进口，在喷管出口、扩压管进口和射流器的外管之间是一有限空间，扩压管的出口与出口法兰相接；

抽气器是一个压力容器，它位于射流器的上方，两者之间有一个垂直的连通管，在抽气器内有一个冷却盘管，在抽气器的上封头接一个抽气管，抽气管上有一个抽气泵。

7、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述水轮机为利用水流的压力能和动能做功的反击式水轮机，它是由引水机构、导水机构、转轮和尾水管等组成，从来水管引来水流，进入引水机构，引水机构包括蜗壳和座环，蜗壳中的水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使水流均匀地经由座环进入水轮机导水机构，导水机构包括导叶，作用是引导水流按一定方向进入转轮，转轮作用是将水流的能量转换为水轮机的旋转机械能，转轮的叶片的断面形状为翼形，在转轮转动过程中，其叶片完成与水流间的能量转换，水轮机的主轴带动发电机发电，流过转轮的水流，进入水轮机的尾水管，最后返回循环水箱。

8、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述发电机是交流无刷旋转磁极式同步发电机，旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极是旋转的，磁极绕组在转子铁心槽内，电枢绕组均匀分布在整个定子铁心槽内，电枢绕组输出交流电流送往负载；

交流无刷旋转磁极式同步发电机的具体结构，主要有：发电机转子、发电机定子和发电机主轴，发电机转子包括发电机转子铁心、转子磁极绕组、转轴、励磁机转子、旋转整流器、风扇，发电机定子包括机座、定子铁心、定子电枢绕组、端盖、轴承盖、励磁机定子；

交流励磁机产生的交流电，经过旋转整流器整流后，供同步发电机的转子磁极励磁用，交流励磁机的定子为磁极，而转子为电枢。

9、按照权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：

所述散热器是盘管式散热器，流过水轮机，做过功的水，通过尾水管、尾水槽，流回循环水箱，尾水槽内设盘管式散热器，连接散热塔，用来冷却动力循环用水。