新能源技術(shù)-小水力發(fā)電1樊

第4章小水力發(fā)電主要內(nèi)容4.1水力資源與水能的利用4.2水力發(fā)電4.3小水力發(fā)電機(jī)組及工作原理4.4小水力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)4.5小水電站的計算機(jī)監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)

自然界中的水體在流動過程中產(chǎn)生的能量，稱為水能。水能的重要應(yīng)用就是水力發(fā)電。

水力發(fā)電是利用河流、湖泊中的水在流經(jīng)不同高度地形時產(chǎn)生的能量來發(fā)電，是由水輪發(fā)電機(jī)組中的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)實現(xiàn)水的位能向機(jī)械能再向電能的二次轉(zhuǎn)換。

水輪發(fā)電機(jī)組主要由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，水輪機(jī)的種類很多，不同種類的水輪機(jī)在小水電中均有應(yīng)用。水輪發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)。小水電的新技術(shù)重點：水輪發(fā)電機(jī)組的控制水輪發(fā)電機(jī)組的控制：頻率及功率控制為主水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)：準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)實現(xiàn)自動并網(wǎng)，其中以準(zhǔn)同步并網(wǎng)為主電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償：由各種無功功率補(bǔ)償器完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：小型水電站的自動監(jiān)測、控制和保護(hù)水電站的現(xiàn)場監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）可實現(xiàn)水力發(fā)電與調(diào)度的完全自動化全世界技術(shù)上可開發(fā)的水能資源約15萬億kW?h。水能包括位能、壓能和動能三種形式廣義的水能：河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋熱能狹義的水能：河流水能，即河流、湖泊等位于高處的水流至低處時所具有的位能4.1.1水能與水力資源的特點水能:自然界中的水體在流動過程中產(chǎn)生的能量。4.1水力資源與水能的利用1、水能2、水力資源根據(jù)當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平，可開發(fā)資源主要是河川水能資源。水能資源，亦稱水力資源。水能資源分三級統(tǒng)計理論蘊(yùn)藏量技術(shù)可開發(fā)資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)資源１)水力資源總量較多，但開發(fā)利用率低3、水力資源的特點２)水力資源地區(qū)分布不均，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不匹配３)大多數(shù)河流年內(nèi)、年際徑流分布不均４)水力資源主要集中于大江大河，有利于集中開發(fā)和規(guī)模外送

水能的主要應(yīng)用是水力發(fā)電。水力發(fā)電是利用河流在流經(jīng)不同高度地形時產(chǎn)生的能量來發(fā)電。當(dāng)位于高處具有位能的水流至低處沖擊水輪機(jī)時，將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的動能，再由水輪機(jī)作為原動機(jī)推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能變成機(jī)械能，又變成電能的“轉(zhuǎn)換過程”。4.1.2水能及水力資源的利用可利用的水量和一年中不同的流量決定了水力發(fā)電站一年的發(fā)電量是不同的。

水能的大小取決于兩個因素：河流中水的流量和水從多高的地方流下來（水頭）水的流量：指單位時間內(nèi)水流通過河流（或水工建筑物）過水?dāng)嗝娴捏w積，一般用立方米/秒（m3/s）和升/秒（L/s）來表示。水頭：用來表示發(fā)電站的發(fā)電機(jī)到水壩的水平面的高度（m）。式中P—發(fā)電機(jī)的輸出功率（kW）；Q—流量（m3/s），單位時間內(nèi)流過水輪機(jī)水的體積；H—水頭（m），水輪機(jī)做功用的有效水頭，為水輪機(jī)進(jìn)出口斷面的總水位差；η—電廠的效率（包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的總效率）；9.81—流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW?h的一個常數(shù)。水力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能稱為發(fā)電機(jī)的出力。其計算公式為對于小型水電站，水力發(fā)電機(jī)的出力近似為:年發(fā)電量的公式為:式中E——年發(fā)電量（kW?h）；——平均出力（kW）；T——年利用小時數(shù)（h）①按照水源的性質(zhì)――常規(guī)水電站和抽水蓄能電站。②按水電站集中水頭的手段――堤壩式、引水式和混合式水電站。③按水電站利用水頭的大小――高水頭（70m以上）、中水頭（15～70m）和低水頭（低于15m）水電站。④按水電站裝機(jī)容量的大小――大型水電站（裝機(jī)容量在30萬kW或以上）、中型水電站（5-30萬kW）和小型水電站（5萬kW以下）。⑤按照水庫的調(diào)節(jié)性能――具有調(diào)節(jié)水量的調(diào)節(jié)水庫水電站和無水庫調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站。4.2.1水電站的分類4.2水力發(fā)電水力發(fā)電一般是通過集中水頭，用人工的方式引導(dǎo)水流以高速度沖擊水輪機(jī)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，因此典型的水電站由以下幾部分組成：1）水工建筑物：包括大壩、引水建筑物和泄水建筑物等。2）水力發(fā)電機(jī)組：水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主軸及控制系統(tǒng)等組成。3）廠房：生產(chǎn)發(fā)電、輸電和生活的建筑。4）變電所：主要包括變壓器、各種開關(guān)控制設(shè)備等。5）輸電線：輸送電到變電站和終端用戶的線路。1、典型水電站的組成4.2.2水電站的組成水電站的大壩水電站發(fā)電機(jī)房機(jī)械工業(yè)出版社水力發(fā)電站發(fā)電原理示意圖1－擋河大壩2－打開導(dǎo)管的閥門3－水輪機(jī)的葉輪4－發(fā)電機(jī)常規(guī)水電站利用天然河流、湖泊等水源發(fā)電。一般由水庫、水壩、引水隧道、發(fā)電設(shè)備、開關(guān)場和輸電設(shè)備等組成。常規(guī)水力發(fā)電流程圖2、常規(guī)水電站的組成抽水蓄能電站由上池和上池壩、下池和下池壩、引水隧道、尾水路、發(fā)電設(shè)備、變壓器、開關(guān)場及輸電設(shè)備等組成

抽水蓄能水力發(fā)電流程圖抽水蓄能發(fā)電為目前實現(xiàn)負(fù)載管理、調(diào)節(jié)系統(tǒng)用電高峰和低谷時電量的最佳方式。3、抽水蓄能電站的組成小水電是指裝機(jī)容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。因此，小水電也包括小小型(容量在101～500kW)和微型(小于100kW)水電站。1、小水電的定義與特點

4.2.3小水電的特點（1）定義1）小水電環(huán)境影響遠(yuǎn)小于大型水電站；2）小水電開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；3）小水電可與灌溉、養(yǎng)殖、防洪、航運(yùn)、旅游等有機(jī)結(jié)合；4）小水電站的電力生產(chǎn)規(guī)模小，單位裝機(jī)容量成本較高；5）小水電站存在著豐枯矛盾。（2）特點堤壩式（包括河床式、壩后式和岸式）水電站根據(jù)其集中水頭的方式來分類:我國的小水電站目前多半為引水式，如利用天然瀑布、急灘、河段跌水、河流彎道、高山湖泊等，這是利用山區(qū)小河自然坡降的一種較為經(jīng)濟(jì)的開發(fā)方式。一般采用梯級開發(fā)。2、小水電的類型

引水式混合式壩后式水電站示意圖河床式水電站示意圖引水式水電站示意圖混合式水電站示意圖小型水電站主要由四大部分組成：擋水建筑物（壩）泄洪建筑物（溢洪道或閘）引水建筑物（引水渠或隧洞）電站廠房（包括發(fā)電設(shè)備、尾水渠、升壓站）3、小型水電站的組成小水電發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用的新技術(shù)有：

4.2.4小水電的新技術(shù)及其應(yīng)用1）采用新材料和新技術(shù)；2）應(yīng)用高科技提高發(fā)電機(jī)的性價比；3）箱式整裝小水電站的應(yīng)用；4）水力發(fā)電機(jī)組的自動控制；5）采用計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控新技術(shù)。1、水力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成水力發(fā)電機(jī)組是實現(xiàn)水的位能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。水輪機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)速器勵磁系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)電站控制設(shè)備4.3小水力發(fā)電機(jī)組及工作原理一般組成：4.3.1小水力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及工作原理（1）水輪機(jī)

（2）發(fā)電機(jī)

常用的水輪機(jī)有沖擊式和反擊式兩種。（3）調(diào)速和控制裝置（包括調(diào)速器和油壓裝置）

作用是調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，并實現(xiàn)機(jī)組操作(開機(jī)、停機(jī)、變速、增、減負(fù)荷)及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（4）勵磁系統(tǒng)通過對直流勵磁系統(tǒng)的控制可實現(xiàn)電能的調(diào)壓、有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)大部分采用同步發(fā)電機(jī)，一般轉(zhuǎn)速較低，水力發(fā)電機(jī)組的安裝型式上有立式和臥式兩種。（5）冷卻系統(tǒng)

電站控制設(shè)備目前主要以微機(jī)為主，實現(xiàn)水力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)、調(diào)壓、調(diào)頻、功率因數(shù)的調(diào)節(jié)、保護(hù)和通信等功能。（6）電站控制設(shè)備（7）制動裝置

額定容量超過一定值的水輪發(fā)電機(jī)均設(shè)有制動裝置。小型水輪發(fā)電機(jī)的冷卻主要采用空氣冷卻，大容量水輪發(fā)電機(jī)采用了定、轉(zhuǎn)子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉(zhuǎn)子用強(qiáng)風(fēng)冷卻。2、水力發(fā)電機(jī)組的工作原理

具體過程為：在水流的沖擊作用下，水輪機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，將水的位能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；水輪機(jī)又帶動同軸相連的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在勵磁電流的作用下，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動勵磁磁場旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)的定子繞組切割勵磁磁力線在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在輸出電能的同時會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁制動轉(zhuǎn)矩。由于水流不間斷地作用于水輪機(jī)，水輪機(jī)從水流中獲得的旋轉(zhuǎn)力矩用于克服電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁制動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)兩個力矩達(dá)到平衡時，水力發(fā)電機(jī)組將以某以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定地發(fā)出電力，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。水輪機(jī)的本體由轉(zhuǎn)輪、座環(huán)、蝸殼和主軸等組成。除此以外，根據(jù)型號的不同，還配有附屬裝置和部件。不同型式的水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)和適用范圍不甚相同。水輪機(jī)是水渦輪機(jī)的簡稱。水輪機(jī)是根據(jù)水的流量和水頭大小進(jìn)行設(shè)計和制造的，作用是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并帶動水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。4.3.2水輪機(jī)及其工作原理

Q=Av式中A——水輪機(jī)的過水?dāng)嗝娴拿娣e，單位m

2；v——過水?dāng)嗝嫫骄魉?，單位為m/s。1、水輪機(jī)的基本工作參數(shù)水輪機(jī)的基本工作參數(shù)有水頭、流量、轉(zhuǎn)速、出力和效率。水輪機(jī)水頭：指水輪機(jī)進(jìn)口斷面與其出口斷面的單位重量水流能量的差值，用H表示，單位為m。水輪機(jī)流量：指單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)過水?dāng)嗝娴乃黧w積，單價為m3/s，通常用Q來表示，即4.3.2.1水輪機(jī)的主要工作參數(shù)式中ηs——水輪機(jī)的效率；Pi——水流輸入水輪機(jī)的功率（kW）。

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速：指水輪機(jī)主軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)；水輪機(jī)的出力：指水輪機(jī)軸端輸出的功率，其表達(dá)式為Ps=9.81QH式中Ps——水輪機(jī)軸端輸出的功率(kW)。水輪機(jī)效率：指水輪機(jī)出力與水流出力之比，其表達(dá)式為2、水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速：幾何相似的水輪機(jī)，當(dāng)水頭為1m、輸出的機(jī)械功率為1kW時的轉(zhuǎn)速。

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速是衡量水輪機(jī)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理性的綜合參數(shù)。提高比轉(zhuǎn)速可減小機(jī)組尺寸、降低機(jī)組制造難度和造價、節(jié)約廠房土建費用。4.3.2.2水輪機(jī)的分類水輪機(jī)

反擊式

沖擊式

混流式軸流式斜流式貫流式水斗式（切擊式）斜擊式雙擊式軸流定漿式軸流轉(zhuǎn)漿式全貫流式半貫流式根據(jù)水能轉(zhuǎn)換的特征分根據(jù)水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的方式不同分轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均發(fā)生變化，主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。

沖擊式水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換水流流態(tài)轉(zhuǎn)輪主要組成部件沖擊式動能自由射流大氣壓噴嘴、折流板、轉(zhuǎn)輪、機(jī)殼反擊式勢能（動能）壓力有壓蝸殼、導(dǎo)水部件、轉(zhuǎn)輪、尾水管沖擊式水輪機(jī)主要組成部件：1）噴嘴（將水流壓能變?yōu)閯幽?，形成射流并以一定方向沖擊轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，完成能量轉(zhuǎn)換）2）針閥（調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，以調(diào)節(jié)水輪機(jī)出力）3）轉(zhuǎn)輪（將射流動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能）4）折流板（當(dāng)機(jī)組突然丟棄全部負(fù)荷時，折流板先轉(zhuǎn)動，在1-2s內(nèi)使射流部分全部偏向，不沖擊轉(zhuǎn)輪，此時針閥可在5-10s或更長時間內(nèi)緩慢關(guān)閉，減小水錘壓力）5）機(jī)殼（把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游）反擊式水輪機(jī)主要組成部件：1）蝸殼（使水流產(chǎn)生圓周運(yùn)動，并引導(dǎo)水流均勻地、軸對稱地進(jìn)入水輪機(jī)）2）座環(huán)（水輪機(jī)的骨架，承受機(jī)墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動導(dǎo)葉）3）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量，改變出力，引導(dǎo)水流按切向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，形成速度矩）4）轉(zhuǎn)輪（水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能）5）尾水管（將通過水輪機(jī)的水流泄向下游）

水斗式水輪機(jī)a）水斗式水輪發(fā)電機(jī)組b）雙噴嘴水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪a）b）水斗式水輪機(jī)又稱培爾頓(Petion）水輪機(jī)。（1）水斗式水輪機(jī)1、沖擊式水輪機(jī)c）水斗式水輪機(jī)工作原理示意圖1－轉(zhuǎn)輪室2—水輪機(jī)葉片3—射流制動器4—折向器水斗式水輪機(jī)

從噴嘴噴出來的射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向射向雙U型的水斗中部，然后在水斗中轉(zhuǎn)向兩側(cè)排出，通過噴嘴形成一股強(qiáng)有力的高速射流射出，沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗使其旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。斜擊式水輪機(jī)斜擊式水輪機(jī)中的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同，只是射流方向有一個傾角。（2）斜擊式水輪機(jī)斜擊式水輪機(jī)斜擊式水輪機(jī)c）斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)1－射流2—噴嘴3—轉(zhuǎn)輪4—斗葉噴嘴與轉(zhuǎn)輪平面成大約22.5o的角度，射流傾斜于轉(zhuǎn)輪軸線，從進(jìn)口平面一側(cè)射向葉片，通過葉片后從另一側(cè)排出。

雙擊式水輪機(jī)噴嘴中的水流首先從轉(zhuǎn)輪外周進(jìn)入葉片流道，其中大部分（70%～80%）水流的能量轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能，然后離開流道穿過轉(zhuǎn)輪中心部分的自由空間，第二次從內(nèi)周進(jìn)入葉片流道，剩余（20%～30%）的水流能量再轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)輪的機(jī)械能，最后水流從轉(zhuǎn)輪外周流出。（3）雙擊式水輪機(jī)射流特點適用水頭H（M）適用電站切擊式切線方向40-2000廣泛斜擊式側(cè)面50-400小型雙擊式二次沖擊6-150小型在反擊式水輪機(jī)中，由于水流充滿整個轉(zhuǎn)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其轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機(jī)，其最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)。反擊式水輪機(jī)根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流的特點和水輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點，可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種。2、反擊式水輪機(jī)

a）b）（1）混流式水輪機(jī)混流式水輪機(jī)a）混流式水輪發(fā)電機(jī)組b）混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)又稱為弗朗西斯水輪機(jī)?；炝魇剿啓C(jī)c）混流式水輪機(jī)工作原理示意圖1－導(dǎo)葉2—轉(zhuǎn)輪3—水輪機(jī)軸混流式水輪機(jī)

水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。a）b）

軸流式水輪機(jī)a）軸流式水輪發(fā)電機(jī)組b）軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸流式水輪機(jī)又可分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式水輪機(jī)。（2）軸流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)c）軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)d）軸流式水輪機(jī)工作原理示意圖1—導(dǎo)葉2—輪葉3—轉(zhuǎn)轂在軸流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)葉，軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。a)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組b）燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組剖面圖（3）貫流式水輪機(jī)c）燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和原理示意圖１－尾水管２－轉(zhuǎn)輪３－活動導(dǎo)葉４－固定導(dǎo)葉５－發(fā)電機(jī)６－燈泡體貫流式水輪機(jī)斜流式水輪機(jī)

a)斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪b)斜流式水輪機(jī)工作原理示意圖1－導(dǎo)葉2—輪葉3—水輪機(jī)軸a)b)（4）斜流式水輪機(jī)反擊式水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪適用水頭單機(jī)容量適用電站流入流出H（M）KW混流式徑向軸向30-700幾十-幾十萬廣泛軸流式軸向軸向3-88幾十-幾十萬低水頭大流量河床式斜流式斜向斜向40-120抽水蓄能貫流式軸向軸向3-20幾-幾萬河床式潮汐式同步發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)的一種，其運(yùn)行特點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度嚴(yán)格同步，即電能的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有著嚴(yán)格的不變的關(guān)系；同步發(fā)電機(jī)可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓，以改善供電質(zhì)量。小型水輪發(fā)電機(jī)多數(shù)為同步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)使用較少。微型水輪發(fā)電機(jī)有異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)，其中又分為單相和三相發(fā)電機(jī)。4.3.3水力發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)主要有兩大類：供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)通過整流裝置將交流電流整成直流電流以滿足需要直流發(fā)電機(jī)供給直流勵磁電流同步發(fā)電機(jī)按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)來分有隱