CN101864755B - 一种小型水轮发电站 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型水轮发电站。一种小型水轮发电站，该发电站包括金属箱体、水轮机、发电机和电控箱体；水轮机、发电机和电控箱体设置在金属箱体内，金属箱体上设置有进水管，水轮机由安装壳体、喷针接力器、叶轮、旋转轴和轴承座构成，安装壳体的右端设置有开启盖体，旋转轴设置在轴承座上，旋转轴的一端通过联轴器连接发电机，旋转轴另一端的末端固定设置叶轮，喷针接力器固定设置在安装壳体的上部，喷针接力器连接进水管，喷针接力器的出水口设置在叶轮的上方正对叶轮。本发明的小型水轮发电站解决常规小型水电站建设存在成本高、工期长的技术缺陷，其具有环境适应性强，建设成本低，易维护特点，运输、安装十分方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型水轮发电站。
背景技术
常规小型水电站采用的钢筋混凝土构建厂房建筑物，对于偏远山区小水电建设，厂房建筑物的建设需要进行较大土建工程，这样一方面工程较大，需要较大的资金投入，施工期长；另外一方面由于工程的建设也会对所在地的植被进行破坏。
发明内容
为了解决常规小型水电站建设存在成本高、工期长的技术缺陷，本发明的目的是提供一种小型水轮发电站，其具有环境适应性强，建设成本低，易维护特点，运输、安装十分方便的特点。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种小型水轮发电站，该发电站包括金属箱体、水轮机、发电机和电控箱体；水轮机、发电机和电控箱体设置在金属箱体内，并在金属箱体上设置有进水管，金属箱体的底部设有出水口；所述的水轮机由安装壳体、喷针接力器、叶轮、旋转轴和轴承座构成，出水口上方设有安装架，安装壳体设置在安装架上，安装壳体的右端设置有开启盖体，安装壳体的左端设置所述的轴承座，旋转轴设置在轴承座上，旋转轴的一端通过联轴器连接所述的发电机，旋转轴另一端的末端固定设置所述的叶轮，喷针接力器固定设置在安装壳体的上部，喷针接力器通过电动球阀连接所述的进水管，喷针接力器的出水口设置在叶轮的上方正对叶轮。
作为优选，上述的电控箱体设有快速并网装置，快速并网装置包括电子负荷控制器、中央处理器和喷针接力器控制装置，电子负荷控制器包括调频装置、移相触发器、固态继电器和电阻丝，喷针接力器控制装置控制喷针开度；调频装置同时接入发电机组供电线路和电网线路采集发电机组中的当前频率值fN和目标频率fT，调频装置连接所述的中央处理器，将当前频率值fN输送给中央处理器，中央处理器连接控制喷针接力器控制装置和电子负荷控制器，中央处理器内置有控制程序，控制程序设定频率值在48～52赫兹以内为电子负荷控制器和喷针接力器控制装置的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下的步骤：
(1)若发电机组当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷控制器不投入电阻丝工作，同时喷针接力器控制装置缓慢增加喷针开度；当发电机组当前频率值fN高于52赫兹时，电子负荷控制器全部投入电阻丝工作，同时喷针接力器控制装置快速减少喷针开度；
(2)若发电机组当前频率值fN在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内调频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝消耗功率值PC，当前频率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝消耗功率值PC；当前频率值fN与目标频率fT之差的绝对值部分(fT-fN)乘以系数n，加上当前频率值fN与上一次频率fN-1之差即(fT-fN)×n+(fN-fN-1)作为电阻丝消耗功率值PC；电阻丝消耗功率值PC与安装的电阻丝总功率值PT的比值PC/PT小于25％，则通过喷针接力器控制装置增加喷针开度；比值PC/PT大于75％，则通过喷针接力器控制装置减少喷针开度。
作为优选，上述的调频装置的输出端还连接到移相触发器，在调频装置中将当前频率值fN和目标频率fT进行比较，输出模拟量控制电压给移相触发器，电阻丝与固态继电器串联后并联在供电线路上，固态继电器与移相触发器相连接，移相触发器控制固态继电器的导通比，实现电阻丝的功率调节。
作为进一步改进，上述的调频装置包括依次连接的信号整理电路、信号转换电路和单片机，信号整理电路将当前频率值fN和目标频率fT分别整理成方波，两路方波输出给信号转换电路，信号转换电路将两路方波分别转换成中断信号，中断信号输出给单片机，单片机内部开定时器，计算两次触发时间间隔，计算频率值，然后根据两次频率的时间差，计算相角，通过D/A端口输出模拟量控制电压。
作为优选，上述的模拟量控制电压为0～5V。
作为进一步改进，上述的调频装置具有RS485通讯接口，采用MODBUS通讯协议，与中央处理器进行数据交互。
作为进一步改进，上述的在供电线路上通过手动开关另外并联有电阻丝。
作为进一步改进，上述的控制程序按以下周期执行：每次增加或者减少喷针10开度以15秒为一输出周期，每次输出步长为5％。
作为进一步改进，上述的金属箱体采用集装箱箱体。
作为进一步改进，上述的安装壳体上设有吊装钩。
本发明的小型水轮发电站是用标准的大金属箱子把所有模块化的发电设备在工厂里全部组装完成，使之能够形成一个独立的水力发电站。设备安装之前仅仅需要简单的准备，主要有为安置这一大金属箱的混凝土基础，引水钢管，和必要的输电设备。它占地空间小，不设值班室，完全是无人值班。它可以孤立运行，也可以并网运行。
本发明的小型水轮发电站的装机容量在数百千瓦左右，一方面它是以标准金属箱代替庞大的厂房，可大大减少土建工程和对植被的破坏，建设成本低、施工期短；另一方面由于采用自动化系统，可减少人员的活动，从而减少人类活动对树木和小动物的影响；再一方面，它所需的流量很小，近似小溪水流，更接近自然生态，所以它是典型的绿色环保项目，非常适合偏远山区小水电建设，解决那些有水资源，但无电网供电的偏远山区的用电问题。
进一步，本发明采用了快速并网装置，既可使微型水轮机的结构简化、成本下降，同时提高自动化水平、供电可靠性和电能质量，避免了能源的大量损耗，可以满足用户多用途的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明内部结构的俯视图。
图3为本发明快速并网装置的系统框图。
图4为频率调节器的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1、图2所示的一种小型水轮发电站，该发电站包括金属箱体1、水轮机2、发电机3和电控箱体4；水轮机2、发电机3和电控箱体4设置在金属箱体1内，并在金属箱体1上设置有进水管5，金属箱体1的底部设有出水口7。所述的水轮机2由安装壳体6、喷针接力器9、叶轮11、旋转轴13和轴承座12构成，出水口7上方设有安装架15，安装壳体6设置在安装架15上，安装壳体6的右端设置有开启盖体8，安装壳体6的左端设置所述的轴承座12，旋转轴13设置在轴承座12上，旋转轴13的一端通过联轴器14连接所述的发电机3，旋转轴13另一端的末端固定设置所述的叶轮11，喷针接力器9固定设置在安装壳体6的上部，喷针接力器9通过电动球阀16连接所述的进水管5，喷针接力器9的出水口设置在叶轮11的上方正对叶轮11。
电控箱体4上设置有快速并网装置，快速并网装置包括电子负荷控制器41、中央处理器47和喷针接力器控制装置42，电子负荷控制器41包括调频装置44、移相触发器44、固态继电器45和电阻丝46，喷针接力器控制装置42控制喷针10开度，喷针接力器控制装置42可以采用专利号为20062010916.9的实用新型所述的水轮机液压操作器；调频装置同时接入发电机组供电线路49和电网线路采集发电机组中的当前频率值fN和目标频率fT，目标频率fT为50HZ，调频装置连接所述的中央处理器47，将当前频率值fN输送给中央处理器47，中央处理器47连接控制喷针接力器控制装置42和电子负荷控制器41，中央处理器47内置有控制程序，控制程序设定频率值在48～52赫兹以内为电子负荷控制器41和喷针接力器控制装置42的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下的步骤：
(1)若发电机组当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷控制器41不投入电阻丝46工作，同时喷针接力器控制装置42缓慢增加喷针10开度；当发电机组当前频率值fN高于52赫兹时，电子负荷控制器41全部投入电阻丝46工作，同时喷针接力器控制装置42快速减少喷针10开度；
(2)若发电机组当前频率值fN在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内调频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝46消耗功率值PC，当前频率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝46消耗功率值PC；当前频率值fN与目标频率fT之差的绝对值部分(fT-fN)乘以系数n，加上当前频率值fN与上一次频率fN-1之差即(fT-fN)×n+fN-fN-1作为电阻丝46消耗功率值PC；电阻丝46消耗功率值PC与安装的电阻丝46总功率值PT的比值PC/PT小于25％，则通过喷针接力器控制装置42增加喷针10开度；比值PC/PT大于75％，则通过喷针接力器控制装置42减少喷针10开度。为避免导叶动作过于频繁，延长机械部件运行寿命，每次增加或者减少导叶开度以15秒为一输出周期，每次输出步长为5％。
如图2所示，电子负荷控制器41的频率调节器44的输出端连接移相触发器44，如图4所示，频率调节器44包括依次连接的信号整理电路20、信号转换电路21和单片机22，单片机22采用选用8051系列。信号整理电路20将采集的当前频率值fN和目标频率fT，分别整理成方波，两路方波输出给信号转换电路21，信号转换电路21将两路方波分别转换成中断波，中断波输出给单片机22，单片机22内部开定时器，计算两次触发时间间隔，计算频率值，然后根据两次频率的时间差，计算相角，斩波调压，然后通过D/A端口24输出模拟量控制电压0～5V给移相触发器44。如图2所示，电阻丝46与固态继电器45串联后并联在供电线路49上，固态继电器45与移相触发器44相连接，移相触发器44控制固态继电器45的导通比，实现电阻丝46的功率调节。当然，供电线路49上还可以通过手动开关48另外并联有电阻丝46。同时，频率调节器44具有RS485通讯接口，采用MODBUS通讯协议，与中央处理器47进行数据交互，实现数据显示和数据通讯。
Claims (10)
1.一种小型水轮发电站，其特征在于：该发电站包括金属箱体(1)、水轮机(2)、发电机(3)和电控箱体(4)；水轮机(2)、发电机(3)和电控箱体(4)设置在金属箱体(1)内，并在金属箱体(1)上设置有进水管，金属箱体(1)的底部设有出水口(7)；所述的水轮机(2)由安装壳体(6)、喷针接力器(9)、叶轮(11)、旋转轴(13)和轴承座(12)构成，所述的出水口(7)上方设有安装架(15)，安装壳体(6)设置在安装架(15)上，安装壳体(6)的右端设置有开启盖体(8)，安装壳体(6)的左端设置所述的轴承座(12)，旋转轴(13)设置在轴承座(12)上，旋转轴(13)的一端通过联轴器(14)连接所述的发电机(3)，旋转轴(13)另一端的末端固定设置所述的叶轮(11)，喷针接力器(9)固定设置在安装壳体(6)的上部，喷针接力器(9)通过电动球阀(16)连接所述的进水管，喷针接力器(9)的出水口设置在叶轮(11)的上方正对叶轮(11)。
2.根据权利要求1所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：电控箱体(4)设有快速并网装置，快速并网装置包括电子负荷控制器(41)、中央处理器(47)和喷针接力器控制装置(42)，电子负荷控制器(41)包括调频装置(43)、移相触发器(44)、固态继电器(45)和电阻丝(46)，喷针接力器控制装置(42)控制喷针接力器(9)的喷针(10)开度；调频装置(43)接入发电机组的供电线路(49)采集发电机组中的当前频率值fN，同时调频装置(43)接入电网线路采集目标频率fT；调频装置(43)连接所述的中央处理器(47)，将当前频率值fN输送给中央处理器(47)，中央处理器(47)连接控制喷针接力器控制装置(42)和电子负荷控制器(41)，中央处理器(47)内置有控制程序，控制程序设定频率值在48～52赫兹以内为电子负荷控制器(41)和喷针接力器控制装置(42)的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下的步骤：1)若发电机组当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷控制器(41)不投入电阻丝(46)工作，同时喷针接力器控制装置(42)缓慢增加喷针(10)开度；当发电机组当前频率值fN高于52赫兹时，电子负荷控制器(41)全部投入电阻丝(46)工作，同时喷针接力器控制装置(42)快速减少喷针(10)开度；
2)若发电机组当前频率值fN在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内调频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝(46)消耗功率值PC，当前频率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝(46)消耗功率值PC；当前频率值fN与目标频率fT之差的绝对值部分(fT-fN)乘以系数n，加上当前频率值fN与上一次频率fN-1之差即(fT-fN)×n+(fN-fN-1)作为电阻丝(46)消耗功率值PC；电阻丝(46)消耗功率值PC与安装的电阻丝(46)总功率值PT的比值PC/PT小于25％，则通过喷针接力器控制装置(42)增加喷针(10)开度；比值PC/PT大于75％，则通过喷针接力器控制装置(42)减少喷针(10)开度。
3.根据权利要求2所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：调频装置(43)的输出端还连接到移相触发器(44)，在调频装置(43)中将当前频率值fN和目标频率fT进行比较，输出模拟量控制电压给移相触发器(44)，电阻丝(46)与固态继电器(45)串联后并联在供电线路上，固态继电器(45)与移相触发器(44)相连接，移相触发器(44)控制固态继电器(45)的导通比，实现电阻丝(46)的功率调节。
4.根据权利要求3所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：调频装置(43)包括依次连接的信号整理电路(20)、信号转换电路(21)和单片机(22)，信号整理电路(20)将采集的供电线路(49)中的当前频率值fN和目标频率fT分别整理成方波，两路方波输出给信号转换电路(21)，信号转换电路(21)将两路方波分别转换成中断，中断输出给单片机(22)，单片机(22)内部开定时器，计算两次触发时间间隔，计算频率值，然后根据两次频率的时间差，计算相角，通过D/A端口(23)输出模拟量控制电压。
5.根据权利要求3所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：模拟量控制电压为0～5V。
6.根据权利要求3或4或5所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：调频装置(43)具有RS485通讯接口，采用MODBUS通讯协议，与中央处理器(47)进行数据交互。
7.根据权利要求3或4或5所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：在供电线路(49)上通过手动开关(48)另外并联有电阻丝(46)。
8.根据权利要求2所述的一种小型水轮发电站，其特征在于控制程序按以下周期执行：每次增加或者减少喷针(10)开度以15秒为一输出周期，每次输出步长为5％。
9.根据权利要求1所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：金属箱体(1)采用集装箱箱体。
10.根据权利要求1所述的一种小型水轮发电站，其特征在于：安装壳体(6)上设有吊装钩。
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