CN104314731A - 一种流体管道内置动能发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的流体管道内置动能发电系统，用于将流体管道内的动能转化为电能，发电系统包括与流体管道并联的支路管道、安装于支路管道上的动能发电机、与动能发电机电力输出端相连的电气柜和与电气柜相连的逆变电源，动能发电机包括节管状机壳、机芯和与机芯相连的叶轮，机壳可拆卸地安装在支路管道上，机壳内具有多个支撑在机壳内壁和机芯之间的支撑柱，支撑柱内部具有用于将机芯的导线导向外部的中空结构，机芯包括与叶轮连接的增速装置和与调速装置连接的发电装置，本发明的流体管道内置动能发电系统可以更好地提高发电系统的安全性、拆装便捷，更换维修方便，而且可以在多种流体介质中发电，种类涵盖水、蒸汽和燃气等，是一种高效的辅助电源。

Description

一种流体管道内置动能发电系统及方法

技术领域

本发明涉及了一种发电装置，具体涉及一种利用流体管道(比如天然气管网、液体管网)内的动能进行发电的系统及方法。

背景技术

目前在流体管道进行输送的过程中，由于监控、控制装置处于偏远地区，远离电网，这样会造成监控、检测等设备缺电或无电供应，存在隐患，例如天然气输送过程中有很多个调压站因位置偏远而处于缺电或者无电供应状态，造成供电困难，这些调压站/箱由于地理位置较为偏僻，经常出现由于市电供电电缆供应不及，以至场站照明和冬天伴热等必需的电力需求得不到满足，同时由于没有外供电，造成监控系统无法安装使用，数据无法实现远程监控，需要每天派巡视人员现场检查，管网设备不确定的安全隐患不能及时发现等问题也随之显现。

针对目前这些调压站用电问题，有些专家提出向供电局申请铺设专线，但是建设费用昂贵难以实现，另外有些技术人员提出了风、光互补供电系统，在燃气调压站/箱上应用的新思路，但是存在区域性的限制和供电不稳定等不足，现有技术中也有在管道内安装流体马达来发电，从而满足调压站自身用电需求，但是流体马达必须安装在天然气管网中的中高压段，处于低压段的压力能无法利用，即流体流速慢的管道内使用流体马达无法满足发电需求，而且流体马达不能直接安装在流体管道内，结构复杂、维修困难。此外还有技术人员提出一种集能式管道流体(流水、风)发电装置，通过喇叭状集能管道来充分收集流体(流水、风)的能量，然后通过发电机将流体能量转化为电能，但是这种发电装置需要对管道重新进行改造，成本高，安装复杂，而且这种发电装置的应用局限性较大，如果用于燃气等具有危险性的流体管道内时发电装置与危险流体接触，存在很大的危险性。

发明内容

本申请的发明目的在于解决目前上述技术问题，而提供一种安全可靠、拆装方便、维修简便、可应用于低流速或高流速流体管道内置动能发电系统及方法。

为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

本发明的流体管道内置动能发电系统，用于将流体管道内的动能转化为电能，所述发电系统包括与所述流体管道并联的支路管道、安装于所述支路管道上的动能发电机、与所述动能发电机电力输出端相连的电气柜和与所述电气柜相连的逆变电源，所述动能发电机包括节管状机壳、机芯和与所述机芯相连的叶轮，所述机壳可拆卸地安装在所述支路管道上，所述机壳内具有多个支撑在所述机壳内壁和所述机芯之间的支撑柱，所述支撑柱内部具有用于将机芯的导线导向外部的中空结构，所述机芯包括与所述叶轮连接的增速装置和与所述调速装置连接的发电装置，所述增速装置包括与所述叶轮相连的内啮合大齿轮、与所述大齿轮啮合的增速齿轮组和与所述增速齿轮组相连的小齿轮，所述小齿轮与所述发电装置连接，所述增速齿轮组包括与所述大齿轮啮合的加速小齿轮和通过转轴与所述加速小齿轮连接的二级加速齿轮，所述二级加速齿轮与所述小齿轮啮合。

本发明所述增速装置还可以替换为调速装置，所述调速装置包括与所述叶轮相连的内啮合大齿轮、与所述大齿轮啮合的增速齿轮组和与所述增速齿轮组相连的小齿轮，所述小齿轮通过传动轴与所述发电装置连接，所述小齿轮通过滑动花键安装在所述传动轴上，所述传动轴上还设有用于推动所述小齿轮移位的拨叉，所述拨叉铰接在所述支撑柱的中空结构内，所述增速齿轮组包括与所述大齿轮啮合的加速小齿轮和通过转轴与所述加速小齿轮连接的二级加速齿轮，所述二级加速齿轮与所述小齿轮啮合，所述小齿轮经拨叉推动移位后与所述大齿轮啮合，所述小齿轮的直径大于等于所述加速小齿轮的直径同时小于所述二级加速齿轮的直径。

本发明所述拨叉包括拨片、曲柄和拨叉控制柄，所述拨叉的两个拨片位于所述小齿轮两侧，所述拨片与小齿轮之间具有间隙，所述拨片通过曲柄与拨叉控制柄连接。

本发明所述拨叉控制柄连接有自控装置，自控装置包括用于推拉拨叉控制柄的推拉杆、与推拉杆连接的液压缸或伺服电机和与所述液压缸或伺服电机连接的PLC控制系统，所述机壳两端的支路管道上设有截止阀，所述支路管道上还设有流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀，所述流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀分别与所述PLC控制系统相连，所述自力式调节阀还与所述逆变电源相连。

本发明所述节管状外壳与所述支路管道采用法兰连接。

本发明还提供一种流体管道内置动能发电方法，使用上述流体管道内置动能发电系统，包括以下步骤：

1)关闭流体管道上的截止阀，然后将支路管道连接到流体管道上；

2)将动能发电机接入到所述支路管道内，然后开启截止阀；

3)通过流量计测得所述支路管道内的流量，PLC控制系统根据流量控制拨叉调节所述调速装置，使发电装置的转速满足发电需求；

4)在步骤3)中对发电装置转速的具体控制方法如下：如果动能发电机位于低流速流体管道内，则通过拨叉推动小齿轮与所述二级加速齿轮啮合，如果动能发电机位于高流速流体管道内，则通过拨叉推动小齿轮与所述大齿轮啮合。

本发明的流体管道内置动能发电系统与现有技术相比区别在于：(1)本发明的流体管道内置动能发电系统为一种可以利用小流量进行发电的发电系统，选用本发明的动能发电机克服了现有技术中利用流体马达或膨胀机发电受区域或流体压力限制的技术问题，本发明的增速装置为二级增速，首先大齿轮与加速小齿轮啮合实现了第一级增速，而增速小齿轮与二级加速齿轮同速，当二级加速齿轮与小齿轮啮合时实现了第二级增速，小齿轮的转速大大提高，即便管道内的动能很小的情况下也能满足发电的需求，实现了无源启动，即发电时没有启动临界点，叶轮只要转动就会通过增速装置或调速装置使小齿轮快速转动进行发电；(2)本发明的调速装置既可以实现无源启动，还可以通过推动拨叉调节小齿轮转速，可以让发电装置适应高流速流体管道，因此本发明的发电系统可以适应不同流速的流体管道；(3)本发明还提供了一种可以调速的动能发电机及发电方法，可以更好地提高发电系统的安全性，保证发电装置在一个合理的转速工况下运行发电；(4)本发明通过自力式调节阀以及PLC控制系统，实现了发电系统在无人看守的情况下的安全平稳运行；(5)本发明的动能发电机的机壳为节管状，通过法兰与支路管道连接，整个装置一体化/撬装化安装在流体管道内，拆装便捷，更换维修方便，而且机壳内部的支撑柱中空结构把导线和管道内流体隔开，保证了发电系统的安全，本发明的流体管道内置动能发电系统可以在多种流体介质中实现发电效果，种类涵盖水、蒸汽和燃气等，是一种高效的辅助电源。

附图说明

图1是本发明的流体管道内置动能发电系统的整体结构示意图；

图2是本发明的动能发电机整体结构示意图；

图3是本发明的动能发电机的增速装置的结构示意图；

图4是本发明的动能发电机的机壳结构示意图；

图5是本发明的动能发电机的调速装置的结构示意图；

图6是图5中的调速装置的齿轮组右视图；

图7是本发明的带滑套的调速装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1-4所示，本实施例的流体管道内置动能发电系统用于将天然气管网的流体管道7内的动能转化为电能，发电系统包括与流体管道7并联的支路管道、安装于支路管道上的动能发电机1、与动能发电机1电力输出端相连的电气柜2和与电气柜2相连的逆变电源3，动能发电机1包括节管状机壳11、机芯12和与机芯12相连的叶轮13，机壳11可拆卸地安装在支路管道上，机壳11内具有多个支撑在机壳11内壁和机芯12之间的支撑柱14，支撑柱14内部具有用于将机芯12的导线导向外部的中空结构15，机芯12包括与叶轮13连接的增速装置121和与增速装置121连接的发电装置122，增速装置121包括与叶轮13相连的内啮合大齿轮1211、与大齿轮1211啮合的增速齿轮组和与增速齿轮组相连的小齿轮1212，小齿轮1212与发电装置122连接，增速齿轮组包括与大齿轮1211啮合的加速小齿轮1213和通过转轴与加速小齿轮1213连接的二级加速齿轮1214，二级加速齿轮1214与小齿轮1212啮合。

如图5所示，本实施例中的增速装置121还可以替换为调速装置123，调速装置123包括与叶轮13相连的内啮合大齿轮1211、与大齿轮1211啮合的增速齿轮组和与增速齿轮组相连的小齿轮1212，小齿轮1212通过传动轴与发电装置122连接，小齿轮1212通过滑动花键安装在传动轴上，传动轴上还设有用于推动小齿轮1212移位的拨叉1231，拨叉1231铰接在支撑柱14的中空结构15内，增速齿轮组包括与大齿轮1211啮合的加速小齿轮1213和通过转轴与加速小齿轮1213连接的二级加速齿轮1214，二级加速齿轮1214与小齿轮1212啮合，小齿轮1212经拨叉1231推动移位后与大齿轮1211啮合，小齿轮的直径大于等于加速小齿轮的直径同时小于二级加速齿轮的直径，优选的，小齿轮的直径等于加速小齿轮的直径，齿数也相同，对于齿轮直径和齿数可以根据具体发电需求来选择。

如图5-6所示，本实施例的拨叉1231包括拨片、曲柄和拨叉控制柄，拨叉的两个拨片位于所述小齿轮两侧，拨片与小齿轮之间具有间隙，拨片通过曲柄与拨叉控制柄连接，优选的，本实施例的拨叉控制柄连接有自控装置，自控装置包括用于推拉拨叉控制柄的推拉杆、与推拉杆连接的液压缸或伺服电机和与液压缸或伺服电机连接的PLC控制系统6。

本实施例的机壳11两端的支路管道上设有截止阀4，支路管道上还设有流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀5，流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀分别与PLC控制系统6相连，自力式调节阀5与逆变电源3相连，节管状机壳11与支路管道采用法兰连接，自力调节阀5通过逆变电源供电，同时逆变电源也可以为流体管道上的调压等设备提供电力，而且发电装置也可以通过电气柜2直接进行供电。

本实施例的自力式调节阀5用来自动控制发电系统内部的流体流量，保证发电系统安全，自力式调节阀5根据流量计、温度计反应的支路管道内部流体状况进行调节，也可以通过调节阀手动调节，当支路管道发生泄漏或者其他故障，自力式调节阀可以在PLC控制系统6的控制下自动关闭阀门，并将信号传递给远程控制窗口通知人员进行检修，如果是动能发电机发生故障，可以通过截止阀切断支路管道内部的流体，然后通过法兰将动能发电机拆卸下来就行检修，检修完毕后再重新装回，通过流量计和温度计确定支路管道是否正常，保证发电系统内部流体在回流至流体管网的安全性，此外自力式调节阀可以在PLC控制系统6的控制下自动控制支路管道内流体流量，从而控制发电装置的转速或者关闭支路管道停止发电。

本实施例还提供一种流体管道内置动能发电方法，使用上述流体管道内置动能发电系统，包括以下步骤：

1)将动能发电机1接入到支路管道内，然后开启截止阀4；

2)关闭流体管道7上的截止阀4，然后将支路管道连接到流体管道7上；

3)通过流量计测得支路管道内的流量，根据流量使用拨叉1231调节调速装置123，使发电装置122的转速满足发电需求；

4)在步骤3)中对发电装置122转速的具体控制方法如下：如果动能发电机1位于低速流体管道7，则通过拨叉1231推动小齿轮1212与二级加速齿轮1214啮合，如果动能发电机1位于高速流体管道7中，则通过拨叉1231推动小齿轮1212与大齿轮1211啮合。

如图6所示，大齿轮在叶轮13的带动下转动，大齿轮将动力传递给加速小齿轮，假如大齿轮的转速为V1，加速小齿轮的转速为V2，二级加速齿轮的转速为V3，小齿轮的转速为V4，优选的，小齿轮和加速小齿轮直径相同，齿数相同，当大齿轮与加速小齿轮啮合，而转速比例和齿轮直径大小成反比，所以V2＞V1，由于加速小齿轮和二级加速齿轮同轴，所以V3＝V2，当小齿轮与二级加速齿轮啮合时，小齿轮转速V4增大，即转速V4＞V3，如果小齿轮与大齿轮啮合，则小齿轮转速V4’＝V2＝V3。

因此当动能发电机位于低速流体管道7内时要使小齿轮与二级加速齿轮啮合，这样可以大大提高小齿轮的转速，满足低压状况下发电的需求，且发电时没有启动临界点，叶轮只要转动就会使小齿轮快速转动进行发电；当动能发电机位于高速流体管道7要使小齿轮与大齿轮啮合，这样可以减小小齿轮转速，因为小齿轮转速过高会导致发电装置损坏，通过本实施例的调速装置可以将发电装置的转速控制在合理的范围内，动能利用率更高也更安全。

本实施例中的调速装置的小齿轮优选通过滑动花键安装在传动轴上，针对拨叉的设计可以将拨叉铰接在中空结构内，拨叉的两个拨片位于小齿轮两侧，拨片与小齿轮之间具有间隙，拨片通过曲柄与拨叉控制柄连接，拨叉控制柄可以采用人为控制，也可以与自控装置连接，自控装置通过PLC控制系统6控制发电装置的转速。

如图7所示，本实施例中的拨叉也可以通过滑套与齿轮连接，滑套与小齿轮刚性连接，滑套通过滑动花键安装在传动轴上，滑套上还具有环形突起，与拨叉的拨片配合推拉小齿轮。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种流体管道内置动能发电系统，用于将流体管道内的动能转化为电能，所述发电系统包括与所述流体管道并联的支路管道、安装于所述支路管道上的动能发电机、与所述动能发电机电力输出端相连的电气柜和与所述电气柜相连的逆变电源，其特征在于：所述动能发电机包括节管状机壳、机芯和与所述机芯相连的叶轮，所述机壳可拆卸地安装在所述支路管道上，所述机壳内具有多个支撑在所述机壳内壁和所述机芯之间的支撑柱，所述支撑柱内部具有用于将机芯的导线导向外部的中空结构，所述机芯包括与所述叶轮连接的增速装置和与所述调速装置连接的发电装置，所述增速装置包括与所述叶轮相连的内啮合大齿轮、与所述大齿轮啮合的增速齿轮组和与所述增速齿轮组相连的小齿轮，所述小齿轮与所述发电装置连接，所述增速齿轮组包括与所述大齿轮啮合的加速小齿轮和通过转轴与所述加速小齿轮连接的二级加速齿轮，所述二级加速齿轮与所述小齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述的流体管道内置动能发电系统，其特征在于：所述增速装置替换为调速装置，所述调速装置包括与所述叶轮相连的内啮合大齿轮、与所述大齿轮啮合的增速齿轮组和与所述增速齿轮组相连的小齿轮，所述小齿轮通过传动轴与所述发电装置连接，所述小齿轮通过滑动花键安装在所述传动轴上，所述传动轴上还设有用于推动所述小齿轮移位的拨叉，所述拨叉铰接在所述支撑柱的中空结构内，所述增速齿轮组包括与所述大齿轮啮合的加速小齿轮和通过转轴与所述加速小齿轮连接的二级加速齿轮，所述二级加速齿轮与所述小齿轮啮合，所述小齿轮经拨叉推动移位后与所述大齿轮啮合，所述小齿轮的直径大于等于所述加速小齿轮的直径同时小于所述二级加速齿轮的直径。

3.根据权利要求2所述的流体管道内置动能发电系统，其特征在于：所述拨叉包括拨片、曲柄和拨叉控制柄，所述拨叉的两个拨片位于所述小齿轮两侧，所述拨片与小齿轮之间具有间隙，所述拨片通过曲柄与拨叉控制柄连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的流体管道内置动能发电系统，其特征在于：所述拨叉控制柄连接有自控装置，自控装置包括用于推拉拨叉控制柄的推拉杆、与推拉杆连接的液压缸或伺服电机和与所述液压缸或伺服电机连接的PLC控制系统，所述机壳两端的支路管道上设有截止阀，所述支路管道上还设有流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀，所述流量计、温度计、调压阀和自力式调节阀分别与所述PLC控制系统相连，所述自力式调节阀还与所述逆变电源相连。

5.根据权利要求4所述的流体管道内置动能发电系统，其特征在于：所述节管状机壳与所述支路管道采用法兰连接。

6.一种流体管道内置动能发电方法，使用如权利要求2所述的流体管道内置动能发电系统，其特征在于：包括以下步骤：

1)将动能发电机接入到所述支路管道上，然后开启截止阀；

2)关闭支路管道上的截止阀，然后将支路管道连接到流体管道上；

3)通过流量计测得所述支路管道内的流量，PLC控制系统根据流量控制拨叉调节所述调速装置，使发电装置的转速满足发电需求；

4)在步骤3)中对发电装置转速的具体控制方法如下：如果动能发电机位于低流速流体管道内，则通过拨叉推动小齿轮与所述二级加速齿轮啮合，如果动能发电机位于高流速流体管道内，则通过拨叉推动小齿轮与所述大齿轮啮合。