電力生產概論第3講水力發(fā)電

1、電力生產技術概論1第3講 水力發(fā)電2水電站實景三峽水電站Three Gorges Dam in the Peoples Republic of China, the largest hydroelectric power station in the world.3 水力發(fā)電廠 能量轉換過程：水的位能和動能轉換為電能。從河流較高處或水庫內引水，利用水的壓力或流速沖動水輪機旋轉，將水能轉變?yōu)闄C械能；由水輪機帶動發(fā)電機旋轉，將機械能轉換為電能。4水力發(fā)電的轉換過程天然水能可利用水能旋轉機械能電能建筑物和設備水輪機發(fā)電機水利系統(tǒng)機電系統(tǒng)5基本概念水位：河川中水平面實際海拔高度靜水頭：河川中上游側水位

2、與下游側水位的差值流量：單位時間內通過斷面的水的體積3.1水能學的基本概念67水電站輸出功率3.1水能學的基本概念Q：水輪機流量；H0:水電站靜水頭； H:水電站工作水頭；H0H：損失水頭h，據經驗，一般為H0的3%10%，輸水道短取小值。 ：水輪發(fā)電機組總效率。K：水電站出力系數，K=9.81。大中型水電站 k=8.08.5；中小型水電站k=6.58.0。8水電站輸出功率理論輸出功率的計算-不考慮效率損失水在重力作用下，減少的勢能轉化為動能（機械能守恒），動能再通過水輪機轉化為轉子的機械能，機械能再通過發(fā)電機轉化為水電站輸出的電能。3.1水能學的基本概念9水電站輸出功率理論輸出功率的計算-不

3、考慮效率損失重力做的功=水減少的勢能=水增加的動能=電能=力移動的距離=重力水頭=重力加速度體積密度水頭=重力加速度流量水頭注：輸出功率計算的是單位時間的能量輸出，體積用單位時間內的體積，即水電站的流量3.1水能學的基本概念10水電站輸出功率實際輸出功率的計算-考慮效率損失水頭損失局部損傷：因水流邊界的急劇變化所受到阻力引起的損失沿途損失：因摩擦力做功而引起的損失。采用壓力鋼管可以集中水位差，減少水頭損失。3.1水能學的基本概念1112水電站輸出功率實際輸出功率的計算-考慮效率損失水輪發(fā)電機組的損失 反映水流進入水輪機后，從水能變?yōu)殡娔苓^程中的能量損失。用百分數表示，包括水工建筑物的效率、水輪

4、機效率和發(fā)電機效率。3.1水能學的基本概念13水電站裝機容量水電站全部水輪發(fā)電機組額定容量之和，單位為kW。單臺機組的額定容量為機組的額定輸出功率。水電廠的發(fā)電容量三峽水電站的裝機容量是多少？單臺機組的額定輸出功率70萬kW，共32臺，另外還有2臺5萬kW的電源機組。3.1水能學的基本概念143.1水能學的基本概念水電站發(fā)電量一定時段內水電站發(fā)出的電能總量，單位為kWh 年發(fā)電量多年平均發(fā)電量15擋水建筑物-各種壩、堤和海塘3.2水工建筑物The 22,500 MW Three Gorges Dam in the Peoples Republic of China, the largest h

5、ydroelectric power station in the world.重力壩：依靠自重維持穩(wěn)定。16擋水建筑物-大壩3.2水工建筑物Hoover Dam, a concrete arch-gravity dam in Black Canyon of the Colorado River. Lake Mead in the background is impounded by the dam.拱形壩：主要依靠兩岸巖體來支撐，并不是靠壩體自重來維持穩(wěn)定。17泄水建筑物-如各種溢流壩、岸邊溢洪道、泄水隧洞、分洪閘3.2水工建筑物小浪底大壩的泄水景觀。18泄水建筑物-視頻演示（2分鐘）3.2

6、水工建筑物小浪底大壩的泄水景觀。19水電開發(fā)中防洪和發(fā)電的關系建壩，除了發(fā)電外，其庫容的大小還得考慮防洪的需求。水電站的正常水位如何受到下游防洪要求的影響？下游對防洪的要求愈高，洪水季節(jié)容許向下游排泄洪水的流量越小，水庫需要攔蓄的洪水量越大，對水庫在正常情況下所限制的水位就越低。正常水位的降低對發(fā)電能力的影響？水位降低，減少了水頭高度，減少了發(fā)電能力3.2水工建筑物2021各類水位的的基本概念死水位：正常運行條件下，水庫允許消落的最低水位，這個水位以下成為死庫容；正常高水位：水庫調節(jié)允許達到的最高水位；有效庫容：正常高水位與死水位之間的水庫容積；水庫工作深度：正常高水位到死水位之間下落深度；防

7、洪水位：大壩所能承受的最高水位；3.2水工建筑物22水工建筑物的主要特點： 受自然條件制約多，地形、地質、水文、氣象等對工程選址、建筑物選型、施工、樞紐布置和工程投資影響很大。 工作條件復雜，如擋水建筑物要承受相當大的水壓力，由滲流產生的滲透壓力對建筑物的強度和穩(wěn)定不利；泄水建筑物泄水時，對河床和岸坡具有強烈的沖刷作用等 。 施工難度大 ，在江河中興建水利工程，需要妥善解決施工導流、截流和施工期度汛，此外，復雜地基的處理以及地下工程 、 水下工程等的 施工技術都較復雜。 大型水利工程的擋水建筑物失事，將會給下游帶來巨大損失和災難。 3.2水工建筑物23大壩建設的視頻播放大壩的規(guī)劃選址（5分鐘）

8、大壩的施工建設（15分鐘）大壩與防洪（10分鐘）3.2水工建筑物24 水輪機的作用：把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械。在水電站中，上游水庫中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。 作用示意圖：三峽水電站水輪機部件3.3水輪機3.3水輪機水輪發(fā)電機組工作原理簡單示意圖水輪機的分類 水輪機按工作原理可分為： 沖擊式水輪機 反擊式水輪機。 3.3水輪機水輪機的分類3.3水輪機沖擊式水輪機的轉輪受到水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換；將水流的動能轉化為機械能。水輪機的分

9、類3.3水輪機反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉換。將水流的位能、壓能和動能轉換成固體機械能。沖擊式水輪機與反擊式水輪機的基本區(qū)別兩者都是將水能變?yōu)闄C械能；沖擊式水輪機結構簡單、性能穩(wěn)定，但效率較反擊式水輪機低；沖擊式轉輪在同一時間內，只有部分區(qū)域同水流接觸，直接接受水流作用力的轉輪的斗葉；并且每一片斗葉的受力都是斷續(xù)的沖擊力；反擊式水輪機的轉輪是全部處在水流之中，通過轉輪的輪葉接受水流的反作用力而做功，每片輪葉所受的作用力是連續(xù)的。沖擊式水輪機多用于高水頭電廠，反擊式水輪機則更廣泛用于中、低水頭電廠。目前，反擊式水輪機是

10、應用最為廣泛的水輪機。3.3水輪機反擊式水輪機工作過程 在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉輪直徑小于沖擊式水輪機。它的最高效率也高于沖擊式水輪機。 過程示意圖3.3水輪機反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般采用蝸殼引水方式。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周圍。蝸殼外形內部形狀安裝現場3.3水輪機引水機構水輪機蝸殼整機示意圖導水機構水導葉工作機構轉輪泄水機構尾水管調速器飛輪發(fā)電機3.3水輪機33水輪機功率調整的實現 調速器的主要作用是調節(jié)發(fā)電機頻率和有功負荷，就是根據電網負荷的變化，不斷地相應調節(jié)水輪發(fā)電機組

11、有功功率的輸出，以維持機組轉速或頻率在規(guī)定范圍內。3.3水輪機水輪機調速器的原理： 根據反擊式水輪機類型的不同，有單調和雙調兩種。 （1）混流式、軸流定漿式、和貫流定漿式都是靠導水機構調節(jié)進入水輪機的流量，為單調。 （2）轉漿式、斜流式機組，除有除有調節(jié)流量的導水機構外，還有按導葉開度和水頭變化而改變轉輪葉片轉角的調節(jié)機構，可使水輪按最優(yōu)效率運行。有兩套調節(jié)機構，為雙調。調節(jié)對象為水導葉3.3水輪機 沖擊式水輪機調速器的流量調節(jié)不是采用導葉式，而是利用噴嘴和噴針相對位置的改變，以調節(jié)沖向水輪機轉輪射流的大小。3.3水輪機3.4 水電廠的分類由P = 9.81QH可知，發(fā)電必須有流量和水頭。形成

12、水頭方式水電站的開發(fā)方式。 按其集中水頭的方式不同分為：壩式、引水式和混合式三種基本方式。抽水蓄能電站和潮汐電站也是水能利用的重要型式。按調節(jié)能力分成：無調節(jié)水電站、有調節(jié)水電站一般壩后式水電站和混合式水電站都是有調節(jié)的；河床式和引水式水電站常是無調節(jié)的，或者只有較小的調節(jié)能力。373.4 水電廠的分類堤壩式水電站383.4 水電廠的分類堤壩式水電站：水頭取決于壩高優(yōu)點：引用流量較大，電站規(guī)模較大水能利用較充分，綜合利用效益高缺點：投資大，工期長，土地淹沒和人口遷移適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫的條件393.4 水電廠的分類堤壩式水電站水電廠房在水利樞紐中的位置不同，又主要有：河床

13、式水電廠壩后式水電廠4041河床式電站一般修建在在河流中下游42河床式電站特點：一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：810米以下。廠房和擋水壩并排建在河床中，共同擋水，故廠房也有抗滑穩(wěn)定問題；廠房高度取決于水頭的高低。引用流量大、水頭低。注：廠房本身起擋水作用是河床式水電站的主要特征。43河床式葛州壩水電站河床廠房河床廠房開關站船閘泄洪閘44河床廠房富春江河床式電站泄洪閘45壩后式水電站一般修建在河流的中上游46壩后式水電站特點：當水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的

14、中上游。庫容較大，調節(jié)性能好。47壩后式景洪水電站48萬家寨水電站（山西、黃河）49三峽水電站廠房廠房泄洪壩段50向家壩水電站513.4 水電廠的分類引水式水電站523.4 水電廠的分類引水式水電站優(yōu)點：電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失；工程量較小，單位造價較低。缺點：引用流量較小，沒有水庫調節(jié)，水量利用率較低，綜合利用價值較差。適用：河道坡降較陡，流量較小的山區(qū)性河段。一般修建于：河道有彎道；兩條相近河流有較大水位差；有急灘或瀑布處。53引水式水電站類型無壓引水式(free flow)：引水道是無壓的有壓引水式(pressure flow)：引水道是有壓的 541.無壓引水電站引水建筑物是無

15、壓的:渠道或無壓隧洞主要建筑物：低壩，進水口，沉沙池，引水渠(洞)，日調節(jié)池，壓力前池，壓力水管，廠房，尾水渠。55引水式水電站（無調節(jié)）56引水式水電站（日調節(jié)）57 2. 有壓引水式電站引水建筑物是有壓的：壓力隧洞(pressure tunnel) 主要建筑物：低壩，有壓隧洞，調壓室，壓力水管，廠房，尾水渠。5859我國最早的水電站石龍壩水電站位于滇池出水口的螳螂川，距昆明40公里，發(fā)電容量從開始的2240千瓦發(fā)展到7360 千瓦。1908年開始建設，1912年投產發(fā)電。由愛國商人投資建設、采用德國技術迄今仍在發(fā)電運行（國家重點文物單位）603.混合式水電站由壩和引水道分別集中一部分水頭，

16、電站的總水頭等于這兩部分之和。適用于上游有優(yōu)良壩址，適宜建庫，而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉彎。同時兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點。在工程中多稱為引水式水電站613.4 水電廠的分類混合式水電站623.4 水電廠的分類按徑流調節(jié)的程度分無調節(jié)水電廠有調節(jié)水電廠多年調節(jié)年調節(jié)季調節(jié)日調節(jié)等633.4水電廠的分類64潮汐水電站 潮汐：潮汐現象是海水因受日月引力而產生的周期性升降運動，即海水的潮漲潮落。 潮汐發(fā)電原理：利用潮水漲、落產生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量機械能電能(發(fā)電)的過程。流量大，水頭低的水電站。65潮汐發(fā)電原理66法國朗斯潮汐電站1966年投入運行，是第一個商業(yè)化電站。該電站裝機24臺，每臺1萬千瓦，共24萬千瓦。設計年平均發(fā)電量5.44億度。機組為燈泡貫流式，轉輪直徑5.3米。 67最大的潮汐電站法國朗斯電站68浙江省江廈雙向潮汐試驗電站 69抽水蓄能電廠70抽水蓄能電廠負荷低谷期：利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水