水力發(fā)電的過(guò)程設(shè)計(jì)和裝備研究

1、水力發(fā)電的過(guò)程設(shè)計(jì)和裝備研究姓名：左繼會(huì) 學(xué)號(hào)：10131947華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)摘要：論述了水力發(fā)電對(duì)當(dāng)今社會(huì)的重要性，它的過(guò)程原理及其主要設(shè)備，還有水力發(fā)電的整體過(guò)程及其在未來(lái)社會(huì)的發(fā)展前景。主要對(duì)水力發(fā)電的設(shè)備進(jìn)行論述和介紹。淺談了水力發(fā)電作為清潔能源和可再生能源在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和全球節(jié)能減排中的地位和作用。關(guān)鍵詞：水力發(fā)電、裝置設(shè)備、過(guò)程研究、發(fā)展前景Process Design and Equipment of Hydroelectric PowerDiscusses the importance of hydroelectric power i

2、n modern society, its process principle and main equipment of hydroelectric power, and the whole process and its development prospect in the future society. The hydraulic power device is discussed and the. Discussion on the position and role of hydropower as a clean and renewable energy sources in t

3、he development of Chinese economic society and global energy saving and emission reduction.1. 水力發(fā)電對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的重要性在面臨資源枯竭的現(xiàn)代社會(huì)中，水力發(fā)電就顯得更加重要，水力發(fā)電是一種清潔的發(fā)電設(shè)備，它沒(méi)有太大的污染，它利用優(yōu)勢(shì)的地理環(huán)境進(jìn)行工作，工作流程簡(jiǎn)單，它利用水的能量轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了從勢(shì)能到動(dòng)能，再到電能的過(guò)程，這其中有一些必要的原理研究和設(shè)備裝置。水力發(fā)電在我們的社會(huì)生活中意義重大，它不僅為面臨資源枯竭的現(xiàn)代社會(huì)帶來(lái)星星之火，而且為我們的生活提供了極大的便利。中國(guó)擁有優(yōu)越的地理優(yōu)勢(shì)，因此發(fā)展水

4、利工程事業(yè)就顯得更加重要。2. 水力發(fā)電的的過(guò)程原理2.1 原理水力發(fā)電是利用具有位能的水流流到低處，將位能裝化為水輪機(jī)的動(dòng)能，再以水輪機(jī)為原動(dòng)力，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，利用水力推動(dòng)水利機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，將水能變?yōu)闄C(jī)械能在水輪機(jī)上接上發(fā)電機(jī)，就能發(fā)電，此時(shí)機(jī)械能就轉(zhuǎn)化為電能。水力發(fā)電產(chǎn)生的電能要經(jīng)過(guò)變壓器的轉(zhuǎn)化，變?yōu)榈蛪弘娔懿拍芄┯脩羰褂谩Ｒ韵率撬Πl(fā)電的大概圖解過(guò)程2.2 過(guò)程水電站是將誰(shuí)能轉(zhuǎn)化為電能的綜合工程設(shè)施。一般包括有擋水、泄水建筑物形成的睡庫(kù)和水電站引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、機(jī)電設(shè)備等。水庫(kù)的高水位水經(jīng)引水系統(tǒng)流入廠房推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能，再經(jīng)升壓變壓器、開(kāi)關(guān)站和輸電線路輸入電網(wǎng)。3.水力發(fā)電

5、的設(shè)備3.1 水輪機(jī)原理:水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。水輪機(jī)示意圖：水輪機(jī)分類：反擊式水輪機(jī)，是利用水流的動(dòng)能和勢(shì)能做功的水輪機(jī)。特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪的葉片為空間扭曲面。流過(guò)的水流是連續(xù)的，而且在同一時(shí)間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片之間的流道都有水流通過(guò)，積水流充滿轉(zhuǎn)輪室。原理：水流通過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化，因此動(dòng)量也發(fā)生變化，水流產(chǎn)生反作用力，作用與每個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片，是轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從而做功。沖擊式水輪機(jī)：利用水流的動(dòng)能來(lái)做功的水輪機(jī)。工作原理：利用特殊的導(dǎo)水設(shè)備，將高壓水流變?yōu)楦咚偕淞鳎ㄟ^(guò)射流與轉(zhuǎn)輪的相互作用江水流的動(dòng)能傳遞給轉(zhuǎn)輪。水力發(fā)電

6、從天然水流到利用水輪機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化時(shí)需要許多裝備，如取水設(shè)備（水泵等），水處理設(shè)備（沉淀池，過(guò)濾器等），官網(wǎng)，還有一些測(cè)量設(shè)備（閥門(mén)，壓力表，示流信號(hào)等）這些裝備在水力發(fā)電中也是必不可少的，對(duì)整體的發(fā)電效率起著重要作用，細(xì)節(jié)決定成敗，所以要使水能真正產(chǎn)生我們所需要的能量，就要在這些小而簡(jiǎn)單的地方認(rèn)真細(xì)致。3.2 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)主要是水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)是水電站最重要的兩大主機(jī)設(shè)備之一，它的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?.2.1 主要組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)水輪發(fā)電機(jī)一般由轉(zhuǎn)子、定子、上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、空氣冷卻器、勵(lì)磁機(jī)和永磁機(jī)等主要部件組成。其中轉(zhuǎn)子和定子是產(chǎn)生電磁作用的主要部件，其他部件僅起

7、到支持和輔助作用。轉(zhuǎn)子由主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛（輪環(huán)）和磁極等部件組成；定子由機(jī)座、鐵芯和繞組等部件組成。由于水電站的水頭有限，水壓力小，故轉(zhuǎn)速不可能很高，一般在1001000r/min。與汽輪發(fā)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)速較低，要獲得50Hz頻率的電能，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極也較多。同時(shí)，為了避免產(chǎn)生幾倍于正常水壓的水擊現(xiàn)象而要求導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間比較長(zhǎng)，但又要防止機(jī)組轉(zhuǎn)速上長(zhǎng)過(guò)高，因此要求轉(zhuǎn)子具有較大的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，使之有較大的慣性。此外，為了減少占地面積，降低廠房造價(jià)，大中型水輪發(fā)電機(jī)一般采用立軸?？傊?，水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低、磁極多、轉(zhuǎn)子為凸極式，結(jié)構(gòu)尺寸和重量都較大，大中型機(jī)組多采用立式。3.2.2 同步

8、發(fā)電機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子中由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子三相對(duì)稱繞組定子三相繞組中產(chǎn)生三相正弦交變電動(dòng)勢(shì)定子三相繞組與負(fù)載連通后，電路在電動(dòng)勢(shì)的作用下有電流通過(guò)向負(fù)載輸出電能。3.3 變壓器：變壓器就是在水電站和用戶之間往往用各種電壓等級(jí)的輸電線路連接起來(lái)。是為了解決高壓輸電和低壓發(fā)電、用電之間的矛盾的一系列升壓、降壓的設(shè)備。變壓器的作用：簡(jiǎn)單的說(shuō)就是改變電壓；改變電流；改變相位。實(shí)際上就是將一種等級(jí)的電壓變?yōu)橥l率的另一種等級(jí)電壓的電氣設(shè)備。變壓器的高壓配電裝備3.3.1 高壓斷路器作用：高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)電器。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，它能切斷和接通線路及各

9、種電氣設(shè)備的空載和負(fù)載電流；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它和繼電保護(hù)配合，能迅速切除故障電流，防止擴(kuò)大事故范圍。因此高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。分類：根據(jù)安裝場(chǎng)所不同，有記戶內(nèi)式和戶外式；根據(jù)滅弧介質(zhì)不同，有油斷路器、空氣斷路器、SF6斷路器和真空斷路器等幾種。油斷路器有少油和多油兩種。小型水電站一般采用油斷路器、真空斷路器和SF6斷路器。3.3.2高壓隔離開(kāi)關(guān)隔離開(kāi)關(guān)又名閘刀，是高壓開(kāi)關(guān)的一種。它沒(méi)有專門(mén)的滅弧裝置，不能切斷負(fù)荷電流和短路電流。它的用途：隔離電源：用隔離開(kāi)關(guān)將需要檢修的電氣設(shè)備與帶電設(shè)備可靠地隔離，使它們之間有一個(gè)明顯可見(jiàn)的斷開(kāi)點(diǎn)，以保證檢修人員的。倒閘操動(dòng)：例

10、如，將設(shè)備或線路從一組母線切換到另一組母線。接通和斷開(kāi)小電流電路：例如可以用隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行下列操作：接通和斷開(kāi)電壓互感器和避雷器回路；接通和斷開(kāi)電壓為10KV、距離在5KM以內(nèi)的空載輸電線路；接通和斷開(kāi)電壓為35KV、容量為1000KVA及以下和電壓為110KV、容量為3150KVA及以下的空載變壓器回路等。用戶外三聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)接通和斷開(kāi)10KV及以下、電流在15A以下的負(fù)荷。3.4 互感器電力系統(tǒng)為了傳輸電能，往往采用交流高電壓、大電流回路把電能送到用戶，無(wú)法用儀表進(jìn)行直接測(cè)量?；ジ衅鞯淖饔茫褪菍⒔涣鞲唠妷?、大電流按比例降到可以用儀表直接測(cè)量的數(shù)值，使測(cè)量?jī)x表和繼電器標(biāo)準(zhǔn)化和小型化并可采用小截

11、面的控制電纜或?qū)Ь€進(jìn)行連接，使屏內(nèi)布線簡(jiǎn)單，安裝方便；使測(cè)量?jī)x表、繼電器等二次設(shè)備與高電壓隔離，以保證人身和設(shè)備的安全，當(dāng)電路上發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)測(cè)測(cè)量?jī)x表的電流繞組，使它不受大電流的損壞，同時(shí)為繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置提供電源?；ジ衅鞣譃殡娏骰ジ衅骱碗妷夯ジ衅?。3.5 關(guān)于水電站：水電站是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿乃ρb置，它由各種水工建筑物，以及發(fā)電、變電、配電等機(jī)械、電氣設(shè)備，組成為一個(gè)有機(jī)的綜合體，互相配合，協(xié)同工作，這種水力裝置，就是水電站樞紐或者水力樞紐，簡(jiǎn)稱水電站。它由擋水建筑物、泄水建筑物、進(jìn)水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及水電站廠房等水工建筑物共7個(gè)部分組成，機(jī)電設(shè)備則安裝在各種建筑物上，

12、主要是在廠房?jī)?nèi)及其附近。 3.5.1 擋水建筑物是攔截水流、雍高水位、形成水庫(kù)，以集中落差、調(diào)節(jié)流量的建筑物，例如壩和閘。3.5.2 泄水建筑物其作用主要是泄放水庫(kù)容納不了的來(lái)水，防止洪水漫過(guò)壩頂，確保水庫(kù)安全運(yùn)用，因而是水庫(kù)中必不可少的建筑物，例如溢流壩、河岸溢洪道、壩下泄水管及隧洞、引水明渠溢水道等。3.5.3 進(jìn)水建筑物使水輪機(jī)從河流或水庫(kù)取得所需的流量，如進(jìn)水口。3.5.4 引水建筑物引水建筑物是引水式或混合式水電站中，用來(lái)集中落差（對(duì)混合式水電站而言，則只是集中總會(huì)落差）和輸送流量的工程設(shè)施，如明渠、隧洞等。有時(shí)水輪機(jī)管道也被稱為引水建筑物，但嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，由于它主要是輸送流量的，所以與

13、同時(shí)具有集中落差和輸送流量雙重作用的引水建筑物并不完全相同。有些水電站具有較長(zhǎng)的尾水隧洞及尾水渠道，這也屬于引水建筑物。3.5.5 平水建筑物其作用是當(dāng)負(fù)荷突然變化引起引水系統(tǒng)中流量和壓力劇烈波動(dòng)時(shí)，借以調(diào)整供水流量及壓力，保證引水建筑物、水輪機(jī)管道的安全和水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。如引水式或混合式水電站的引水系統(tǒng)中設(shè)置的平水建筑物如壓力池或高壓池。3.5.6 廠區(qū)建筑物包括廠房、變電站和開(kāi)關(guān)站。廠房是水電站樞紐中最重要的建筑物之一，它不同于一般的工業(yè)廠房，而是是水力機(jī)械、電氣設(shè)備等有機(jī)地結(jié)合在一起的特殊的水工建筑物；變電站是安裝升壓變壓器的場(chǎng)所；而開(kāi)關(guān)站則是安裝各種高壓配電裝置的地方，故也稱高

14、壓配電場(chǎng)。3.5.7 樞紐中的其它建筑物此類建筑物指對(duì)于將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓@個(gè)生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有直接作用的船閘或升船機(jī)、筏道、魚(yú)道或魚(yú)閘以及為灌溉或城市供水而設(shè)的取水設(shè)施等。為了綜合利用水資源，它們?cè)谡麄€(gè)水電站樞紐中也是不可分割的一部分，對(duì)樞紐的布置和運(yùn)用也有重要的影響。將水能轉(zhuǎn)變成電能的生產(chǎn)全過(guò)程是在整個(gè)水電站樞紐中進(jìn)行的，而不僅僅是在廠房中進(jìn)行的。4. 水力發(fā)電的整體過(guò)程天然水流壩水庫(kù)取水口有壓隧口壓力鋼管水輪機(jī)發(fā)電機(jī)輸變電裝置用戶5. 水力發(fā)電的發(fā)展情景在一些水力資源比較豐富而開(kāi)發(fā)程度較低的國(guó)家包括中國(guó)在內(nèi)，今后在電力建設(shè)中將因地制宜地優(yōu)先發(fā)展水電。在水力資源開(kāi)發(fā)利用程度已較高或水力資源貧乏的國(guó)

15、家和地區(qū)，已有水電站的擴(kuò)建和改造勢(shì)在必行，配合核電站建設(shè)興建的抽水蓄能電站將會(huì)增多。在中國(guó)除了有重點(diǎn)地建設(shè)大型骨干電站外，中、小型水電站由于建設(shè)周期短、見(jiàn)效快、對(duì)環(huán)境影響小，將會(huì)進(jìn)一步受到重視。隨著電價(jià)體制的改革，當(dāng)可更恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)和評(píng)價(jià)水力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，有利于吸收投資，加快水電建設(shè)。在水電建設(shè)前期工作中，新型勘測(cè)技術(shù)如遙感、遙測(cè)、物探以及計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等將獲得發(fā)展和普及；對(duì)洪水、泥沙、水庫(kù)移民、環(huán)境保護(hù)等將獲得更妥善安排；水電站的自動(dòng)化、遠(yuǎn)動(dòng)化等也將進(jìn)一步完善推廣；發(fā)展遠(yuǎn)距離、 超高壓、 超導(dǎo)材料等輸電技術(shù)，將有利于加速中國(guó)西部豐富的水力資源開(kāi)發(fā)，并向東部沿海地區(qū)送電。參考文獻(xiàn)：1A Jung李文彬 考慮了流體動(dòng)力學(xué)難點(diǎn)的可靠的超高水頭水泵水輪機(jī)的開(kāi)發(fā) 國(guó)外大電機(jī)2013年第三期61-66頁(yè),76頁(yè),共7頁(yè)2 吳義航 積極發(fā)展水電 助推綠色發(fā)展 水電與新能源