本發(fā)明屬水利發(fā)電技術(shù)，涉及一種在單個(gè)引水渠道沿水頭流動(dòng)方向順序安裝2個(gè)及2個(gè)以上的多個(gè)水輪機(jī)，前后各級(jí)水輪機(jī)為串聯(lián)或串并聯(lián)布置，每級(jí)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接，多級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組預(yù)期可提高水能的利用率。

背景技術(shù)：

目前，現(xiàn)有水利發(fā)電的單個(gè)引水渠道安裝有一個(gè)水輪機(jī)，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接，(分渠可按單渠論處)即單渠一級(jí)水利發(fā)電。在水利發(fā)電過程中，由于水位差引水渠道水頭的勢(shì)能、位能和動(dòng)能帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由水能E_水(流入水輪機(jī)前的能量)轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能E_機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)而對(duì)外輸電，即電能E_電，同時(shí)發(fā)電機(jī)組的線圈由于兩端的電動(dòng)勢(shì)在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的反向作用力而反向做功即E_阻，這個(gè)反向作用力再通過發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)軸傳遞給水輪機(jī)阻礙引水渠道的水頭運(yùn)動(dòng)。設(shè)則這樣引水渠道水頭會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并最終使發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加快發(fā)電量E_電增大，當(dāng)E_電增大到時(shí)達(dá)到平衡，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)峰值并穩(wěn)定下來；同理，當(dāng)時(shí)，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)減速發(fā)電量E_電減小，當(dāng)E_電減小到時(shí)達(dá)到平衡并穩(wěn)定下來，所以設(shè)引水渠道水頭經(jīng)過水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電后的能量為E_末，得E_末＝E_水-E_阻，又由現(xiàn)有水利發(fā)電，在不考慮水頭和水輪發(fā)電機(jī)組能量損失的的情況下，水能的利用率為50％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有水利發(fā)電水能利用率低的不足，本發(fā)明提供一種單渠多級(jí)水利發(fā)電技術(shù)，該發(fā)明能提高水能的利用效率。

本發(fā)明要解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：1.方案一，在單個(gè)引水渠道沿水頭流動(dòng)方向順序安裝2個(gè)及2個(gè)以上的多個(gè)水輪機(jī)，前后各級(jí)水輪機(jī)為串聯(lián)布置，每級(jí)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接，上下游各級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)的引水渠道的橫截面積相等，橫截面積的相等決 定了水頭流經(jīng)上下游各級(jí)水輪機(jī)的流速和流量相等，流速和流量的相等決定了各級(jí)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)速的相等決定了各級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量相等。假設(shè)單渠引水渠道共安裝n個(gè)水輪機(jī)，并設(shè)流入第1級(jí)水輪機(jī)的水能為E_水，流入第n級(jí)水輪機(jī)的水能為E_n1水，流出第n級(jí)水輪機(jī)的水能為E_n2水，第n級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量為E_n電，第n級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組因感生電動(dòng)勢(shì)對(duì)水頭的阻礙做功為E_n阻，則又n級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組以上公式說明當(dāng)n越大水能的利用率越高。

2.方案二，方案二與方案一相同的是，在單個(gè)引水渠道沿水頭流動(dòng)方向順序安裝2個(gè)及2個(gè)以上的多個(gè)水輪機(jī)，前后各級(jí)水輪機(jī)為串聯(lián)布置，每級(jí)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接；方案二不同于方案一的是下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道的橫截面積為上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積的倍，k的取值為下游水輪機(jī)安裝在對(duì)應(yīng)引水渠道的最前端位置，上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道與下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道之間的過度段為一橫截面積逐漸擴(kuò)大的漸擴(kuò)段，漸擴(kuò)段使引水渠道水頭有一個(gè)由急到緩的緩沖空間，本技術(shù)方案的下一級(jí)引水渠道的橫截面積經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)使之不影響上一級(jí)引水渠道水頭的流量和流速，進(jìn)而不影響上一級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和發(fā)電量。設(shè)引水渠道水頭流經(jīng)第1級(jí)水輪機(jī)后的水能(即流入第2級(jí)水輪機(jī)的水能)為E_1水，水頭質(zhì)量為M₁，流速為V₁，流量為Q₁，第1級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積為A₁；水頭流經(jīng)第2級(jí)水輪機(jī)后的水能為E_2水，水頭質(zhì)量為M₂，流速為V₂，流量為Q₂，第2級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積為A₂。由下一級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組不影響上一級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和發(fā)電量得知每一級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組為相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行，所以同理水頭流經(jīng)第3級(jí)水輪機(jī)后的水能為流經(jīng)第2級(jí)水輪機(jī)后的水能的 即以此類推，又由又M₂＝M₁得$\frac{1}{2}{M}_1{V_2}^2=\frac{1}{2}\×\frac{1}{2}{M}_1{V_1}^2\→{V_2}^2={\left(\frac{\sqrt{2}}{2}{V}_1\right)}^2\→V_2=\frac{\sqrt{2}}{2}{V}_1,$再由流經(jīng)第2級(jí)的流量Q₂和流經(jīng)第1級(jí)的流量Q₁相等得V₂A₂＝V₁A₁，即式中的是理論計(jì)算值即最佳值。所述下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道的橫截面積是上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積的倍中的k值是充分考慮到實(shí)際施工中的誤差以及對(duì)某一級(jí)或多級(jí)水頭能量的控制，所以下一級(jí)引水渠道的橫截面積設(shè)定了一個(gè)較大的取值空間。

3.方案三，方案三原理同方案二，在單個(gè)引水渠道沿水頭流動(dòng)方向順序安裝2個(gè)及2個(gè)以上的多個(gè)水輪機(jī)，每級(jí)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接；不同于方案二的是水輪機(jī)安裝在引水渠道分渠上，前后各級(jí)水輪機(jī)為串并聯(lián)布置，下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道的橫截面積之和為上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積之和的倍，k的取值為水輪機(jī)對(duì)應(yīng)分渠引水渠道的橫截面積為主渠引水渠道下游末段橫截面積的倍、倍或1倍，第1級(jí)水輪機(jī)前續(xù)引水渠道與第1級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道之間的過度段為一橫截面積逐漸擴(kuò)大的漸擴(kuò)段，第1級(jí)水輪機(jī)前續(xù)引水渠道的橫截面積為第1級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積的倍及主渠引水渠道下游末段的橫截面積為第1級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積之和的倍，第1級(jí)水輪機(jī)前續(xù)引水渠道或主渠橫截面積的減小有利于減少引水渠道的建造費(fèi)用，分渠引水渠道橫截面積的相對(duì)固定更有利于引水渠道的施工，分渠的合理布置可減少引水渠道對(duì)壩基豎向或橫向空間的占位，并且避免了下游引水渠道因橫截面積過大增加施工難度。

本發(fā)明所述技術(shù)方案的有益效果有以下方面：

1.本發(fā)明所述技術(shù)方案采用的單渠多級(jí)水利發(fā)電技術(shù)，能更充分的把水能轉(zhuǎn)化為電能，以水位差為100米的水電站為例，按現(xiàn)有的單渠一級(jí)發(fā)電技術(shù)，并且不考慮發(fā)電過程中水頭和水能發(fā)電機(jī)組的能量損失，由前文的得水能的利用率為50％，由方案二推出的公式可得采用n級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的水能利用率為較現(xiàn)有單渠一級(jí)水利發(fā)電提高如果按方案二或方案三實(shí)施采用6級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組對(duì)引水渠道水頭能量進(jìn)行層層剝離，發(fā)電效率為較現(xiàn)有單渠一級(jí)水利發(fā)電提高了96.875％。

2.本發(fā)明所述技術(shù)方案采用的單渠多級(jí)水利發(fā)電，使引水渠道水頭能量得以更充分的利用和衰減，能量衰減的水頭對(duì)下游沖擊帶來的負(fù)面效應(yīng)幾乎為零，因此可大幅縮短引水渠道的長(zhǎng)度以及在出水口取消安裝消能設(shè)備，按現(xiàn)有單渠一級(jí)水利發(fā)電技術(shù)，大中型水電站的引水渠道建造費(fèi)用為45％，引水渠道長(zhǎng)度的縮短和出水口消能設(shè)備的取消預(yù)期可降低水電站的建造費(fèi)用10％-30％。

3.本發(fā)明所述技術(shù)方案的實(shí)施使引水渠道出水口水頭的沖擊力得以大幅減弱，沖擊力的減弱可較大程度的降低對(duì)周圍地區(qū)噪音的干擾。

4.引水渠道出水口水頭沖擊力的大幅減弱可避免下游水體氧氣的過飽和并降低水體聲 波對(duì)魚兒的干擾，這樣就可以為魚兒的生存提供一個(gè)安全的空間，保證下游水系的生態(tài)平衡，又可為小型水電站的開發(fā)提供技術(shù)支持。

5.水能利用率的提高和小型水電站的開發(fā)，水利發(fā)電的發(fā)電量在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上預(yù)期將提高100％-150％，每年增加發(fā)電19780-35000億度電，這樣就可以提高水利發(fā)電在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例，降低火力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的比例，節(jié)約煤炭資源，降低火力發(fā)電對(duì)大氣的污染和溫室效應(yīng)，減少勞動(dòng)力對(duì)煤炭的開采并減少安全事故，提高生產(chǎn)效率。

6.水能利用率的提高和水電站建造費(fèi)用的降低預(yù)期可降低水利發(fā)電成本50％-60％。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明技術(shù)方案第一個(gè)實(shí)施方案的縱剖面圖。

圖2是第二個(gè)實(shí)施方案的縱剖面圖。

圖3是是第三個(gè)實(shí)施方案的縱剖面圖。

圖中1.引水渠道，2.水輪機(jī)，3.漸擴(kuò)段。

具體實(shí)施方式

在圖1所示實(shí)施例中，多個(gè)水輪機(jī)(2)順序安裝在上下游橫截面積相等的引水渠道(1)上，前后各級(jí)水輪機(jī)(2)為串聯(lián)布置，每級(jí)水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)軸連接。

在圖2所示的另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)水輪機(jī)(2)順序安裝在引水渠道(1)上，前后各級(jí)水輪機(jī)(2)為串聯(lián)布置，下游水輪機(jī)安裝在對(duì)應(yīng)引水渠道(1)的最前端位置，并且下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道的橫截面積為上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道橫截面積的倍，上一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道與下一級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道之間的過度段為一橫截面積逐漸擴(kuò)大的漸擴(kuò)段(3)。

在圖3所示的第三個(gè)實(shí)施例原理同圖2所示實(shí)施例，不同的是水輪機(jī)(2)安裝在引水渠道分渠(1)上，前后各級(jí)水輪機(jī)(2)為串并聯(lián)布置，第1級(jí)水輪機(jī)前續(xù)引水渠道與第1級(jí)水輪機(jī)對(duì)應(yīng)引水渠道之間的過度段為一橫截面積逐漸擴(kuò)大的漸擴(kuò)段(3)。

現(xiàn)有已建水電站，可在枯水季節(jié)對(duì)一個(gè)或幾個(gè)引水渠道分批進(jìn)行升級(jí)改造并增加安裝水輪發(fā)電機(jī)組或在現(xiàn)有水電站上下游附近新建水電站并運(yùn)用單渠多級(jí)水利發(fā)電技術(shù)。

本發(fā)明技術(shù)方案適用于河川、湖泊、水庫、潮汐等的水利發(fā)電，本發(fā)明所述引水渠道涵蓋水利發(fā)電的壩式及壩后式的輸水道、引水隧洞、引水渠道、明渠、暗渠和管道等。