水電站考試復習題

第一部分水力發(fā)電的幾個要素N——水電站裝機容量或水輪機的功率Q——通過水輪機的流量H——水輪機的水頭η——水輪機的效率水力發(fā)電特點優(yōu)點：不耗燃料，成本低廉水火互濟，調(diào)峰靈活綜合利用，多方得益取之不盡，用之不竭環(huán)境優(yōu)美，能源潔凈水力發(fā)電特點缺點：受自然條件限制；一次性投資大，移民多，工期長；事故后果嚴重；大型工程對環(huán)境、生態(tài)影響較大。我國水電開發(fā)有三大特點：成績很大。突出表現(xiàn)在以下三方面：水電裝機容量躍居世界第一。水電建設(shè)技術(shù)已具世界水平。初步建立了適應(yīng)市場經(jīng)濟的、有中國特色的水電開發(fā)和建設(shè)機制。我國水電開發(fā)的困難制約水電發(fā)展的五個問題①生態(tài)環(huán)境問題②上網(wǎng)電價③法律法規(guī)還不健全④移民問題⑤地震問題水電站的基本類型按調(diào)節(jié)能力分成：無調(diào)節(jié)水電站、有調(diào)節(jié)水電站按水電站的組成建筑物及特征分為：壩式、河床式、引水式電站壩式水電站其特點：水頭取決于壩高。 引用流量較大，電站的規(guī)模也大，水能利用較充分，綜合利用效益高。投資大，工期長。適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫的條件。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中上游。庫容較大，調(diào)節(jié)性能好。如為土壩，可修建河岸式電站。(二)、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：8~10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電站的主要特征。引水式水電站特點用引水道集中水頭的電站稱為引水式水電站水頭相對較高，目前最大水頭已達2000米引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價值較差。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。適用條件：適合河道坡降較陡，流量較小的山區(qū)性河段。無壓引水電站引水建筑物是無壓的: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(diào)節(jié)池，壓力前池，壓力水管，廠房，尾水渠。有壓引水式電站引水建筑物是有壓的：主要建筑物：低壩，有壓隧洞，調(diào)壓室，壓力水管，廠房，尾水渠。抽水蓄能電站抽水蓄能：系統(tǒng)負荷低時，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+水泵)，以水的勢能形式貯存起來；放水發(fā)電：系統(tǒng)負荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電，以補充系統(tǒng)中電能的不足。潮汐電站潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)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(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C械能，再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。第二部分水輪機主要類型反擊式水輪機(reactionwaterturbine)定義：利用水流的勢能和動能做功的水輪機特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空間扭曲面，流過轉(zhuǎn)輪的水流是連續(xù)的，而且在同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片之間的流道都有水流通過，水流充滿轉(zhuǎn)輪室。反擊式水輪機原理水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化，因此動量也發(fā)生了改變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與每個轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從而做功?；炝魇剑核鲝较蛄魅朕D(zhuǎn)輪，軸向流出。適用范圍：H=30-450m,最高水頭已接近700米，單機容量：幾萬kW-幾十萬特點：適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，效率高，適用高水頭小流量電站。三峽水電站即采用了這種水輪機，單機容量70萬kW。是世界上單機容量最大的機組。軸流式：特點：水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。適用于大流量、低水頭。一般水頭在50m以下。軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動。高效率區(qū)較小，適用于水頭變化不大的小型電站。軸流轉(zhuǎn)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進行雙重調(diào)節(jié)（導葉開度、葉片角度)。適用于大型水電站。斜流式：水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時是斜向的。轉(zhuǎn)輪葉片隨工況變化而轉(zhuǎn)動，高效率區(qū)廣。貫流式：水輪機的主軸裝置成水平或傾斜。不設(shè)蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪。水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的。H<20m，小型河床電站。貫流式機組分類全貫流式：發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在水輪機轉(zhuǎn)輪外緣，其密封困難，現(xiàn)在較少使用。半貫流式：燈泡貫流式：發(fā)電機組安裝在密閉的燈泡體內(nèi)，使用較廣泛，機組結(jié)構(gòu)緊湊，流道形狀平直，水力效率高。軸伸式貫流機組：發(fā)電機安裝在外面，水輪機軸伸出到尾水管外面。豎井式貫流機組：發(fā)電機安裝在豎井內(nèi)。沖擊式水輪機定義：利用水流的動能來做功的水輪機特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。原理：水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。在同一時刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。不適宜調(diào)峰運行。適用：水頭高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。水斗:特點是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功。斜擊式： 由噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗。雙擊式：水流兩次沖擊轉(zhuǎn)輪。斜擊、雙擊水輪機構(gòu)造簡單，效率低，用于小型電站。水輪機的基本構(gòu)造反擊式水輪機的主要組成部件：進水(引水)部件—蝸殼：使水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪室。導水機構(gòu)（導葉及控制設(shè)備)：控制工況。轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。泄水部件(尾水管)：回收能量、排水至下游。沖擊式水輪機的主要組成部件：噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機殼，射流制動器等組成。尾水管作用：引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。水輪機的型號及標稱直徑反擊式水輪機的型號（由三部分組成）HL240——LJ——410混流式水輪機，型號240（比轉(zhuǎn)速)，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為410cmZZ440——LH——430軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機，型號440，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑430cm沖擊式水輪機的型號2CJ30——W——120/2×10轉(zhuǎn)輪型號為20，水斗式水輪機，臥軸，一根軸上裝設(shè)兩個轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑為120cm,每個轉(zhuǎn)輪兩個噴嘴，設(shè)計射流直徑為10cm。GZ440—WP—750：表示貫流轉(zhuǎn)漿式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號440，臥軸，燈泡式機組，轉(zhuǎn)輪標稱直徑750cm。SJ40—W—50/40：表示雙擊式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號40，臥軸布置，轉(zhuǎn)輪標稱直徑50cm，轉(zhuǎn)輪軸向長度40cm。XLN—LJ—300：表示斜流可逆式水泵水輪機，轉(zhuǎn)輪型號200，立軸布置，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪標稱直徑300cm。第三部分水輪機的效率水輪機的能量損失導致N<Ns，效率<1效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失水輪機的水力效率為:流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。機械損失和機械效率水輪機的輸入功率：Ne；輸出功率:N=Ne-ΔNm機械效率：ηm=N/Ne水輪機的總效率η=ηHηVηm提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。水輪機的最優(yōu)工況水輪機的最優(yōu)工況是指η最高的工況。一般情況下，對η起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。水輪機的空化與空蝕空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力(Pb)水輪機的空蝕汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點向外沖擊。大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點反復沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞→機械破壞，稱為疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點相互撞擊，引起局部溫度升高(可達到300℃)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應(yīng)，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用→化學腐蝕水輪機空蝕定義汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的空蝕。空蝕造成的危害使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件受到破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。機組產(chǎn)生振動，嚴重時造成廠房振動破壞?？s短了機組檢修的周期，增加了檢修的復雜性。消耗鋼材、延長工期。水輪機空蝕類型翼形(葉片)空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機的主要空蝕形式。間隙空蝕：當水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕?？涨豢瘴g：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動。局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。防止空蝕的措施流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，表面光滑，抗空蝕鋼襯(不銹鋼)。工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進入水輪機。運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時向尾水管補氣。水輪機的調(diào)速設(shè)備水輪機調(diào)節(jié)的任務(wù)隨外界負荷的變化，迅速改變機組的出力。保持機組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏差不超過±0.5Hz，大電力系統(tǒng)不超過±0.2Hz。啟動、停機、增減負荷，對并入電網(wǎng)的機組進行成組調(diào)節(jié)(負荷分配)，以達到經(jīng)濟合理的運行。調(diào)節(jié)流量的途徑：反擊式：通過改變導葉開度，ZZ：同時改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角。沖擊式：通過改變噴嘴開度。水輪機調(diào)節(jié)的定義：隨著電力系統(tǒng)負荷變化，水輪機相應(yīng)地改變導葉開度(或針閥行程)，使機組轉(zhuǎn)速恢復并保持為額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)實質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速水輪機調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機調(diào)速器。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成調(diào)速柜主要有以下幾個部分組成：測量機構(gòu)：測量機組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘枺缓筝敵?。放大機構(gòu)：(引導閥+輔助接力器、主配閥+主接力器，二級放大)：位移變化→油壓變化。執(zhí)行機構(gòu)：主接力器，控制導葉開度，改變流量反饋機構(gòu)：緩沖器和杠桿機構(gòu)，當調(diào)節(jié)使=時，反饋信號使調(diào)節(jié)停止。調(diào)速器的類型與系列按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：機械液壓(機調(diào))：信號測量、信號綜合、信號反饋均由機械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。電氣液壓(電調(diào))：用電氣回路代替機調(diào)中的機械元件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。微機調(diào)速器：用工業(yè)控制計算機代替電子調(diào)速器，賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。有壓進水口的類型和適用條件隧洞式進水口特征：在隧洞進口附近的巖體中開挖豎井，井壁一般要進行襯砌，閘門安置在豎井中，豎井的頂部布置啟閉機及操縱室，漸變段之后接隧洞洞身。適用：工程地質(zhì)條件較好，巖體比較完整，山坡坡度適宜，易于開挖平洞和豎井的情況墻式進水口特征：進口段、閘門段和閘門豎井均布置在山體之外，形成一個緊靠在山巖上的單獨墻式建筑物，承受水壓及山巖壓力。要有足夠的穩(wěn)定性和強度。適用：地質(zhì)條件差，山坡較陡，不易挖井的情況。塔式進水口特征：進口段、閘門段及其一部框架形成一個塔式結(jié)構(gòu)，聳立在水庫中，塔頂設(shè)操縱平臺和啟閉機室，用工作橋與岸邊或壩頂相連。塔式進水口可一邊或四周進水。適用：當?shù)夭牧蠅?、進口處山巖較差、岸坡又比較平緩壩式進水口特征：進水口依附在壩體的上游面上，并與壩內(nèi)壓力管道連接。進口段和閘門段常合二為一，布置緊湊。適用：混凝土重力壩的壩后式廠房、壩內(nèi)式廠房和河床式廠房。隧洞布置的總原則洞線短、彎道少，沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件要好，并便于布置施工平洞。(1)地形條件好 (2)地質(zhì)條件好(3)施工條件好 (4)水力條件好第三節(jié)壓力前池與日調(diào)節(jié)池壓力前池：壓力前池設(shè)置在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站引水建筑物與壓力管道的連接建筑物。作用：(1)平穩(wěn)水壓、平衡水量。(2)均勻分配流量。(3)渲泄多余水量。(4)攔阻污物和泥沙。水電站壓力管道作用：從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量。特點：坡度陡、內(nèi)水壓力大，承受動水壓力，且靠近廠房，失事后果嚴重，所以必須安全可靠。供水方式單元供水：一管一機。不設(shè)下閥門。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管。缺點：造價高。適用：(1)單機流量大、長度短的地下埋管或明管；(2)混凝土壩內(nèi)管道和明管道。聯(lián)合供水：一根主管，向多臺機組供水。設(shè)下閥門。優(yōu)點：造價低缺點：結(jié)構(gòu)復雜（岔管）、靈活性差適用：機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管。分組供水：設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設(shè)下閥門。適用：壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的情況。地下埋管和明管。支墩類型：滑動式、滾動式、擺動式。第四部分水電站的不穩(wěn)定工況由于負荷變化而引起導水葉開度、水輪機流量、水電站水頭、機組轉(zhuǎn)速的變化，稱為水電站的不穩(wěn)定工況。引起水輪機流量變化的兩種情況水電站正常運行情況下的負荷變化。擔任峰荷或調(diào)頻任務(wù)的電站，水輪機的流量處于不斷變化中；正常的開機或停機。水電站事故引起的負荷變化。水電站可能會各種各樣的事故，可能要求水電站丟棄全部或部分負荷。這是水電站水錘計算的控制條件。(二)水電站的不穩(wěn)定工況表現(xiàn)形式引起機組轉(zhuǎn)速的較大變化在有壓引水管道中發(fā)生“水錘”現(xiàn)象水錘的危害壓強升高過大→水管強度不夠而破裂；尾水管中負壓過大→尾水管空蝕，水輪機運行時產(chǎn)生振動；壓強波動→機組運行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量下降。調(diào)節(jié)保證計算任務(wù)。計算有壓引水系統(tǒng)最大和最小內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力作為設(shè)計或校核壓力管道、蝸殼和水輪機強度的依據(jù)；最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置，防止管道中產(chǎn)生負壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)；計算丟棄負荷和增加負荷時轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗其是否在允許的范圍內(nèi)。選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許值。研究減小水錘壓強及機組轉(zhuǎn)速變化的措施。水錘特性水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。摩擦阻力的存在造成能量損耗，水錘波將逐漸衰減。水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處(即邊界處)均要發(fā)生波的反射。其反射特性(指反射波的數(shù)值及方向)決定于邊界處的物理特性。注：水錘波在管中傳播一個來回的時間tr=2L/c，稱之為“相”，兩個相為一個周期2tr=T。直接水錘和間接水錘直接水錘：如果水輪機調(diào)節(jié)時間Ts≤2L/c，則水庫反射波回到閥門之前開度變化已經(jīng)結(jié)束，閥門處只受開度變化直接引起的水錘波的影響——稱為直接水錘間接水錘：如果水輪機調(diào)節(jié)時間Ts>2L/c，則開度變化結(jié)束之前水庫反射波已經(jīng)回到閥門處，閥門處的水錘壓力由向上游傳播的F波和向下游傳播的f波相疊加而成——稱為間接水錘。減小水錘壓強的措施縮短壓力管道的長度減小壓力管道中的流速延長機組的有效關(guān)閉時間選擇合理的調(diào)節(jié)規(guī)律中低水頭電站：最大水錘壓強常出現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程終了，水輪機導葉可采取先快后慢的關(guān)閉規(guī)律，以提高開始階段的水錘壓強，降低終了階段的水錘值；調(diào)壓室的功用反射水錘波?；旧媳苊饬?或減小)壓力管道傳來的水錘波進入壓力引水道。減小了水錘壓力(壓力管道及廠房過水部分)?？s短了壓力管道的長度改善機組在負荷變化時的運行條件。調(diào)壓室的基本要求盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水錘波的充分反射； 調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。負荷變化時，引水道及調(diào)壓室水體的波動應(yīng)該迅速衰減；正常運行時，水流經(jīng)過調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡單方便，經(jīng)濟合理。研究調(diào)壓室水位波動的目的：確定調(diào)壓室中可能出現(xiàn)的最高和最低涌波水位及其變化過程，以確定調(diào)壓室的高度、布置高程和引水道的設(shè)計內(nèi)水壓力。根據(jù)水位波動穩(wěn)定的要求，確定調(diào)壓室所需的最小斷面面積。調(diào)壓室的布置方式和類型調(diào)壓室的布置方式上游調(diào)壓室(引水調(diào)壓室)下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室)上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng)上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)調(diào)壓室的基本類型簡單式調(diào)壓室阻抗式調(diào)壓室雙室式調(diào)壓室溢流式調(diào)壓室差動式調(diào)壓室氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室第五部分水電