单渠多级水利发电技术的制作方法

本发明属水利发电技术，涉及一种在单个引水渠道沿水头流动方向顺序安装2个及2个以上的多个水轮机，前后各级水轮机为串联或串并联布置，每级水轮机与发电机组通过转轴连接，多级水轮发电机组预期可提高水能的利用率。

背景技术：

目前，现有水利发电的单个引水渠道安装有一个水轮机，水轮机与发电机组通过转轴连接，(分渠可按单渠论处)即单渠一级水利发电。在水利发电过程中，由于水位差引水渠道水头的势能、位能和动能带动水轮机转动由水能E_水(流入水轮机前的能量)转化为水轮机的机械能E_机，水轮机转轴的转动带动发电机组的转子转动并切割磁力线产生感生电动势而对外输电，即电能E_电，同时发电机组的线圈由于两端的电动势在磁场中会产生一个大小相等方向相反的反向作用力而反向做功即E_阻，这个反向作用力再通过发电机组转轴传递给水轮机阻碍引水渠道的水头运动。设则这样引水渠道水头会进一步推动水轮发电机组转子转动并最终使发电机组转子转速加快发电量E_电增大，当E_电增大到时达到平衡，水轮发电机组转子转速到达峰值并稳定下来；同理，当时，水轮机和发电机组转子转动减速发电量E_电减小，当E_电减小到时达到平衡并稳定下来，所以设引水渠道水头经过水轮发电机组发电后的能量为E_末，得E_末＝E_水-E_阻，又由现有水利发电，在不考虑水头和水轮发电机组能量损失的的情况下，水能的利用率为50％。

技术实现要素：

为了克服现有水利发电水能利用率低的不足，本发明提供一种单渠多级水利发电技术，该发明能提高水能的利用效率。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：1.方案一，在单个引水渠道沿水头流动方向顺序安装2个及2个以上的多个水轮机，前后各级水轮机为串联布置，每级水轮机与发电机组通过转轴连接，上下游各级水轮机对应的引水渠道的横截面积相等，横截面积的相等决 定了水头流经上下游各级水轮机的流速和流量相等，流速和流量的相等决定了各级水轮机的转速相等，转速的相等决定了各级水轮发电机组的发电量相等。假设单渠引水渠道共安装n个水轮机，并设流入第1级水轮机的水能为E_水，流入第n级水轮机的水能为E_n1水，流出第n级水轮机的水能为E_n2水，第n级水轮发电机组的发电量为E_n电，第n级水轮发电机组因感生电动势对水头的阻碍做功为E_n阻，则又n级水轮发电机组以上公式说明当n越大水能的利用率越高。

2.方案二，方案二与方案一相同的是，在单个引水渠道沿水头流动方向顺序安装2个及2个以上的多个水轮机，前后各级水轮机为串联布置，每级水轮机与发电机组通过转轴连接；方案二不同于方案一的是下一级水轮机对应引水渠道的横截面积为上一级水轮机对应引水渠道横截面积的倍，k的取值为下游水轮机安装在对应引水渠道的最前端位置，上一级水轮机对应引水渠道与下一级水轮机对应引水渠道之间的过度段为一横截面积逐渐扩大的渐扩段，渐扩段使引水渠道水头有一个由急到缓的缓冲空间，本技术方案的下一级引水渠道的横截面积经过合理的设计使之不影响上一级引水渠道水头的流量和流速，进而不影响上一级水轮发电机组转子的转速和发电量。设引水渠道水头流经第1级水轮机后的水能(即流入第2级水轮机的水能)为E_1水，水头质量为M₁，流速为V₁，流量为Q₁，第1级水轮机对应引水渠道横截面积为A₁；水头流经第2级水轮机后的水能为E_2水，水头质量为M₂，流速为V₂，流量为Q₂，第2级水轮机对应引水渠道横截面积为A₂。由下一级水轮发电机组不影响上一级水轮发电机组的转速和发电量得知每一级水轮发电机组为相对独立的运行，所以同理水头流经第3级水轮机后的水能为流经第2级水轮机后的水能的 即以此类推，又由又M₂＝M₁得$\frac{1}{2}{M}_1{V_2}^2=\frac{1}{2}\×\frac{1}{2}{M}_1{V_1}^2\→{V_2}^2={\left(\frac{\sqrt{2}}{2}{V}_1\right)}^2\→V_2=\frac{\sqrt{2}}{2}{V}_1,$再由流经第2级的流量Q₂和流经第1级的流量Q₁相等得V₂A₂＝V₁A₁，即式中的是理论计算值即最佳值。所述下一级水轮机对应引水渠道的横截面积是上一级水轮机对应引水渠道横截面积的倍中的k值是充分考虑到实际施工中的误差以及对某一级或多级水头能量的控制，所以下一级引水渠道的横截面积设定了一个较大的取值空间。

3.方案三，方案三原理同方案二，在单个引水渠道沿水头流动方向顺序安装2个及2个以上的多个水轮机，每级水轮机与发电机组通过转轴连接；不同于方案二的是水轮机安装在引水渠道分渠上，前后各级水轮机为串并联布置，下一级水轮机对应引水渠道的横截面积之和为上一级水轮机对应引水渠道横截面积之和的倍，k的取值为水轮机对应分渠引水渠道的横截面积为主渠引水渠道下游末段横截面积的倍、倍或1倍，第1级水轮机前续引水渠道与第1级水轮机对应引水渠道之间的过度段为一横截面积逐渐扩大的渐扩段，第1级水轮机前续引水渠道的横截面积为第1级水轮机对应引水渠道横截面积的倍及主渠引水渠道下游末段的横截面积为第1级水轮机对应引水渠道横截面积之和的倍，第1级水轮机前续引水渠道或主渠横截面积的减小有利于减少引水渠道的建造费用，分渠引水渠道横截面积的相对固定更有利于引水渠道的施工，分渠的合理布置可减少引水渠道对坝基竖向或横向空间的占位，并且避免了下游引水渠道因横截面积过大增加施工难度。

本发明所述技术方案的有益效果有以下方面：

1.本发明所述技术方案采用的单渠多级水利发电技术，能更充分的把水能转化为电能，以水位差为100米的水电站为例，按现有的单渠一级发电技术，并且不考虑发电过程中水头和水能发电机组的能量损失，由前文的得水能的利用率为50％，由方案二推出的公式可得采用n级水轮发电机组的水能利用率为较现有单渠一级水利发电提高如果按方案二或方案三实施采用6级水轮发电机组对引水渠道水头能量进行层层剥离，发电效率为较现有单渠一级水利发电提高了96.875％。

2.本发明所述技术方案采用的单渠多级水利发电，使引水渠道水头能量得以更充分的利用和衰减，能量衰减的水头对下游冲击带来的负面效应几乎为零，因此可大幅缩短引水渠道的长度以及在出水口取消安装消能设备，按现有单渠一级水利发电技术，大中型水电站的引水渠道建造费用为45％，引水渠道长度的缩短和出水口消能设备的取消预期可降低水电站的建造费用10％-30％。

3.本发明所述技术方案的实施使引水渠道出水口水头的冲击力得以大幅减弱，冲击力的减弱可较大程度的降低对周围地区噪音的干扰。

4.引水渠道出水口水头冲击力的大幅减弱可避免下游水体氧气的过饱和并降低水体声 波对鱼儿的干扰，这样就可以为鱼儿的生存提供一个安全的空间，保证下游水系的生态平衡，又可为小型水电站的开发提供技术支持。

5.水能利用率的提高和小型水电站的开发，水利发电的发电量在现有的基础上预期将提高100％-150％，每年增加发电19780-35000亿度电，这样就可以提高水利发电在整个能源结构中的比例，降低火力发电在能源结构中的比例，节约煤炭资源，降低火力发电对大气的污染和温室效应，减少劳动力对煤炭的开采并减少安全事故，提高生产效率。

6.水能利用率的提高和水电站建造费用的降低预期可降低水利发电成本50％-60％。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

图1是本发明技术方案第一个实施方案的纵剖面图。

图2是第二个实施方案的纵剖面图。

图3是是第三个实施方案的纵剖面图。

图中1.引水渠道，2.水轮机，3.渐扩段。

具体实施方式

在图1所示实施例中，多个水轮机(2)顺序安装在上下游横截面积相等的引水渠道(1)上，前后各级水轮机(2)为串联布置，每级水轮机与发电机组通过转轴连接。

在图2所示的另一个实施例中，多个水轮机(2)顺序安装在引水渠道(1)上，前后各级水轮机(2)为串联布置，下游水轮机安装在对应引水渠道(1)的最前端位置，并且下一级水轮机对应引水渠道的横截面积为上一级水轮机对应引水渠道横截面积的倍，上一级水轮机对应引水渠道与下一级水轮机对应引水渠道之间的过度段为一横截面积逐渐扩大的渐扩段(3)。

在图3所示的第三个实施例原理同图2所示实施例，不同的是水轮机(2)安装在引水渠道分渠(1)上，前后各级水轮机(2)为串并联布置，第1级水轮机前续引水渠道与第1级水轮机对应引水渠道之间的过度段为一横截面积逐渐扩大的渐扩段(3)。

现有已建水电站，可在枯水季节对一个或几个引水渠道分批进行升级改造并增加安装水轮发电机组或在现有水电站上下游附近新建水电站并运用单渠多级水利发电技术。

本发明技术方案适用于河川、湖泊、水库、潮汐等的水利发电，本发明所述引水渠道涵盖水利发电的坝式及坝后式的输水道、引水隧洞、引水渠道、明渠、暗渠和管道等。