CN103089544A - 固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组 - Google Patents

Abstract

固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，包括基座，支架，汽轮发电机组，并网加载控制器；基座上安装支架，支架上设有汽轮发电机组，汽轮发电机组连接并网加载控制器；所述基座上设有塔筒，塔筒连接汽轮发电机组，塔筒上设有蜗杆压缩机，所述蜗杆压缩机、塔筒构成一组单机部分，所述单机部分至少为一组。本发明固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，解决在现有技术条件下风力发电的风能间歇性不稳定及风向不确定造成的发电不稳定、塔筒顶部重量过大需大量支撑结构、结构不对称需加平衡件、压缩气体进气量可调整、风力发电自动并网和加载等技术问题。通过风力带动压缩机旋转，将风能转化为压缩空气的势能，再由压缩空气驱动汽轮发电机组发电。

Description

固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组

技术领域

本发明涉及一种固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，属于风力发电领域。

背景技术

现有风力发电存在顶部重量过大需大量支撑结构、结构不对称需加平衡件、风力发电自动并网和加载困难等技术问题。

专利号为：200810068793的公布的一种《摆动式风力压缩空气发电机》的专利文件，发电机为水平布置，存在结构不对称、自动并网和加载困难、需独立压缩空气储能器、压缩气体进气量不易调整的技术问题。 

发明内容

本发明提供的一种固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，解决在现有技术条件下风力发电的风能间歇性不稳定及风向不确定造成的发电不稳定、塔筒顶部重量过大需大量支撑结构、结构不对称需加平衡件、压缩气体进气量可调整、风力发电自动并网和加载等技术问题。通过风力带动压缩机旋转，将风能转化为压缩空气的势能，再由压缩空气驱动汽轮发电机组发电。

本发明的上述目的通过这样的技术方案来实现：固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，包括基座，支架，汽轮发电机组，并网加载控制器；基座上安装支架，支架上设有汽轮发电机组，汽轮发电机组连接并网加载控制器；所述基座上设有塔筒，塔筒连接汽轮发电机组，塔筒上设有蜗杆压缩机，所述蜗杆压缩机、塔筒构成一组单机部分，所述单机部分至少为一组。

多组蜗杆压缩机、塔筒构成单机部分通过连接管路连接构成机组整体，机组整体与一汽轮发电机组连接。

塔筒下部安装有出气口、安全阀和排水管，出气口与汽轮发电机组进气口联结，排水管进水口延伸至塔筒中心部位，在排水管上位于塔筒外壁侧安装闸阀。

蜗杆压缩机包括叶轮，叶轮的叶片为3~12片，沿叶轮轴均匀安装。

叶轮采用玻璃钢材料。

基座为钢筋混凝土浇筑而成。

本发明固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组的有益效果如下：

单机容量设定在1KW到2MW之间，顶部采用垂直式布置，结构对称，利用支撑塔筒作为储气压力容器，将发电机组放置地面，避免了水平布置需加配重的问题。同时解决了风能间歇性不稳定及风向不确定造成的发电不稳定、塔筒顶部重量过大需大量支撑结构、结构不对称需加平衡件、压缩气体进气量可调整等技术问题。风力发电自动并网和加载。

塔筒既作为储气容器，也作为支撑装置。

本发明汽轮发电机组可以单机发电运行，也可集中气源发电，组成大型风力发电厂。发电过程：通过塔筒顶部叶片，接受风力旋转，将风能转化为转动的机械能，由轴上的齿轮驱动与之啮合的蜗杆压缩机，将机械能转化为压缩空气的势能，压缩空气储存在塔筒内。在塔筒底部，输出压缩空气，驱动汽轮发电机组发电。具有结构简单、成本低廉，安装方便、使用安全可靠、电压及频率稳定、并网和负荷调整容易实现、可储存能源的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明叶轮蜗杆压缩机结构图；

图3为本发明塔筒底部结构图；

图4为本发明汽轮发电机组结构图；

图5为本发明调频器结构图；

图6为本发明钢筋混凝土基座结构图。

具体实施方式

固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，包括基座1，支架2，汽轮发电机组3，并网加载控制器4；基座1上安装支架2， 支架2上设有汽轮发电机组3，汽轮发电机组3连接并网加载控制器4；所述基座1上设有塔筒5，塔筒5连接汽轮发电机组3，塔筒3上设有蜗杆压缩机6，所述蜗杆压缩机6、塔筒5构成一组单机部分，所述单机部分至少为一组。多组蜗杆压缩机6、塔筒3构成单机部分通过连接管路连接构成机组整体，机组整体与一汽轮发电机组3连接。

如图1所示，本发明由蜗杆压缩机6、塔筒5、汽轮发电机组3、调频器9、并网加载控制器4、支架2、钢筋混凝土基座、输电线路8组成。

  如图2所示， 蜗杆压缩机6由避雷针6-1、轴6-2、上部轴承6-3、避雷针引线6-4、传动齿轮6-5、下部轴承6-6、压缩机6-7、推力轴承6-8、润滑油箱6-9、空气过滤器6-10、叶片6-11、支撑架6-12组成。

叶轮7和蜗杆压缩机6均采用现有技术。蜗杆压缩机6安装在塔筒5的顶板上。风力推动水平布置的叶片6-11转动，带动轴6-2旋转，将风能转化成机械能，通过轴6-2下部传动齿轮6-5与蜗杆压缩机轴上齿轮啮合，推动蜗杆压缩机6内的蜗杆转动，将空气压缩进塔筒5，使机械能转化为塔筒5内储存的压缩空气势能。蜗杆压缩机6设备对称布置，使塔筒5顶部受力均匀，无需附加配重。

其中：叶片6-11采用玻璃钢材料，以减轻塔筒5顶部重量，叶片6-11根据汽轮发电机组功率的大小，安装3~12片，均匀布置，固定在轴6-2的延伸臂上；蜗杆压缩机6采用无油润滑蜗杆压缩机，根据汽轮发电机组功率的大小，安装2至30台，均匀布置，蜗杆压缩机轴上齿轮与轴6-2上的传动齿轮6-5啮合，经蜗杆压缩机压缩后的空气直接排入塔筒5内；上部轴承6-3、下部轴承6-6和推力轴承6-8固定在支撑架6-12上，上部轴承6-3和下部轴承6-6固定轴6-2，承受轴6-2上的径向力，推力轴承6-8承受轴6-2上转动部分的重量，上部轴承6-3采用自然冷却，润滑油箱6-9内润滑油对下部轴承6-6和推力轴承6-8进行润滑，减小摩擦力，并起冷却作用；空气过滤器6-10安装在支撑架6-12上，可以过滤空气中的粉尘，支撑架外围用封板密封，形成密闭空间，蜗杆压缩机6的气源由空气过滤器6-10吸入；避雷针6-1和避雷针引线6-4可以通过避雷线将雷电直接引入地下，避免整个系统遭受雷电直击，避雷针的尺寸根据叶轮7水平尺寸确定。本部分叶轮形状和尺寸以及蜗杆压缩机的型号、个数随机组容量定。

    如图3所示，塔筒5作为汽轮发电机组支撑件和压力容器，满足承重和承压的要求：承受塔筒5内的压缩空气的压力及叶轮蜗杆压缩机部分的重量、塔筒5自身的重量、风力形成的侧向力。塔筒5部分由塔筒壁5-1、出气口5-2、安全阀5-3、排水管5-4组成。塔筒5下部安装有出气口5-2、安全阀5-3和排水管5-4；出气口5-2与汽轮发电机组3进气口联结；安全阀5-3确保在塔筒5内压力超过设定值时动作，释放超压压缩空气，待降至设定值时复归，保护塔筒5不因超压受到损坏；排水管5-4利用塔筒内压缩空气，排出空气在压缩时形成的水，排水管4进水口延伸至塔筒5中心部位，在排水管5-4上位于塔筒5外壁侧安装闸阀，可以随时排水。

    如图4所示，汽轮发电机组3由发电机3-1、出线盒3-2、联轴器3-3、汽轮机出气口3-4、汽轮机3-5、齿轮3-6、球阀3-7、波纹管3-8、控制用气取气管3-9、手动蝶阀3-10、接力器3-11组成。汽轮发电机组3采用国内成熟技术。汽轮发电机组手动蝶阀3-10与塔筒出气口5-2联结，压缩空气经手动蝶阀3-10到波纹管3-8到球阀3-7至汽轮机3-5，推动汽轮机3-5，汽轮机3-5通过联轴器3-3带动发电机3-1旋转做功，发出电力由并网加载控制器4进行控制，由出线盒3-2送上输电线路8。汽轮发电机组频率由调频器9进行控制。球阀3-7控制进气量，调整频率和有功功率；波纹管3-8控制由于压力和温度变化产生的伸缩；手动蝶阀3-10控制机组故障状态和便于检修；齿轮3-6与调频器上齿轮9-6啮合，驱动离心飞摆。

如图5所示，调频器9由手动开启电磁阀9-1、开启阀9-2、齿轮9-6、离心飞摆9-7、控制阀9-8、加载器9-11、停机电磁阀9-12组成。调频器9采用塔筒5内压缩空气为操作动力。开启阀9-2进气口与汽轮发电机组控制用气取气管3-9通过气管连接，将塔筒5内压力气源引至开启阀9-2，同时，开启阀9-2出气口与控制阀9-8进气口连接，控制阀9-8出气口与汽轮发电机组的接力器3-11开启腔连接。压缩空气通过开启阀9-2至控制阀9-8，由离心飞摆9-7控制汽轮发电机的接力器3-11的进气量，从而控制汽轮机的气流量，控制汽轮机频率和改变汽轮发电机组所带负荷。

   并网加载控制器4是整个汽轮发电机组的电气控制单元，可以采用PLC或LOGO控制器实现，并网加载控制器4具有以下功能：

   控制器可以进行手、自动运行切换；手、自动开停机；自动并网；自动加载负荷；事故状况下停机。开机状态下手动蝶阀为开启状态。发电控制过程：

   A、自动状态下：

   ①、当塔筒5内气压到达预设定值时，开启阀在气压作用下自动开启，气源输出到达调频器，此时由于转速不到额定转速，调频器控制阀全开，气源经控制阀直接进入球阀接力器，接力器开启，打开球阀，气源经主管道进入汽轮机，驱动汽轮机转动。

   ②、当汽轮机转速到达额定转速时，额定转速位置接点输入控制器，启动延时计时器，经过T1时间后发出并网令；此时，调频器控制阀活塞在离心飞摆作用下关闭控制气源，保持住球阀的开度，机组并网。设置T1是为了机组稳定频率，时间T1由发电机空转时转速稳定时间确定。

   ③、机组并网后，定子电流通过自藕合产生励磁电源，经过整流后对发电机转子进行励磁。自藕合变比由发电机定子电流与励磁所需电流计算得出。

   ④、并网后，经过延时T2，机组并网稳定后，输出加载令，控制阀加载接触器动作，驱动调频器控制阀打开，机组加载负荷。待发电机定子电流到达额定值时，停止加载。随气压的变化，机组在调频器控制下进入带负荷稳定运行。设置T2是为了机组稳定频率，时间T2由发电机带负荷时转速稳定时间确定。

   ⑤、当气源压力降至停机压力值时，开启阀在弹簧作用下关闭，切断控制气源；同时关闭位置接点输入后作用跳闸回路输出，机组解列停机。

B、手动状态下：

   ①、将控制状态通过方式手柄切换至手动状态，接通启动按钮，手动开机电磁阀动作，气源到达开启阀，打开开启阀。开启阀打开后，手动开机输出由开启阀开启位置接点动作将其复归。随后执行自动状态控制流程。

   2、纯手动开机为手动将开启阀阀杆手动提起，随后执行自动状态控制流程。 

3、机组要求手动停机时，接通停机按钮，机组解列；同时停机输出控制停机电磁阀，排除控制气源，控制气源压力降低，开启阀关闭，机组停机。

C、事故状态下：

   当发电机定子电流超过额定值时，或过速位置接点闭合（机组过速），并网加载控制器跳闸回路输出，机组解列；同时，并网加载控制器停机输出，自动停机，并发报警信号

如图6所示，钢筋混凝土构成的基座1是占地面积小，在延伸臂1-3部位回填土，进行绿化。

输电线路8可以直接安装在塔筒5上。

支架2为汽轮发电机3安装平台，同时加设外护罩，防止野外动物损坏汽轮发电机组。

实施方案1：本实施例的一种单机1KW—2MW固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，可以独立单机部分带负荷运行，也可以并网发电。在并网发电时，调频器9和并网加载控制器4可随汽轮发电机组另行设计，以适应大型集群风力发电场控制。

   实施例2：本实施例的一种单机1KW—2MW固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，将多个单机部分采用联接管联接为机组整体，所获得压缩空气供一台汽轮发电机组3发电，以减少成本和增加机组发电利用率。在并网发电时，调频器9和并网加载控制器4可随汽轮发电机组另行设计，以适应大型集群风力发电场控制。

Claims (5)

1.固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，包括基座（1），支架（2），汽轮发电机组（3），并网加载控制器（4）；

基座（1）上安装支架（2）， 支架（2）上设有汽轮发电机组（3），汽轮发电机组（3）连接并网加载控制器（4）；

其特征在于：所述基座（1）上设有塔筒（5），塔筒（5）连接汽轮发电机组（3），塔筒（3）上设有蜗杆压缩机（6），所述蜗杆压缩机（6）、塔筒（5）构成一组单机部分，所述单机部分至少为一组。

2.根据权利要求1所述固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，其特征在于： 所述多组蜗杆压缩机（6）、塔筒（5）构成单机部分通过连接管路连接构成机组整体，机组整体与一汽轮发电机组（3）连接。

3.根据权利要求1或2所述固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，其特征在于：所述蜗杆压缩机（6）包括叶轮（7），叶轮（7）的叶片为3~12片，沿叶轮轴均匀安装。

4.根据权利要求3所述固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，其特征在于：所述叶轮（7）采用玻璃钢材料。

5.根据权利要求1所述固定垂直蜗杆式压缩空气汽轮发电机组，其特征在于：所述基座（1）为钢筋混凝土浇筑而成。

Images