水力發(fā)電及水電站主機設(shè)備選擇

前言

人類在勞動生產(chǎn)中要利用自然力量，最初是使用家畜，以后才利用機械。第一臺機械原動機就是水力機械。三千多年前在我國、埃及和印度就開始有水碓、水碾、水磨、水車等簡單機械，利用水力來進行生產(chǎn)。我國最早的關(guān)于水力機械的文字記載出現(xiàn)在漢朝，距今已有1900多年。法國在六世紀(jì)才有人知道建筑水磨。歐洲在十五、十六世紀(jì)由于手工業(yè)工場的發(fā)展，在手工業(yè)生產(chǎn)中利用水力比較普遍，這時就有了浮動抽水站和水力織布機等機械。在發(fā)電機沒有發(fā)明以前，水力機械只是把水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，各種水力機械都是直接推動各種生產(chǎn)機械（如磨粉、車水等）。十九世紀(jì)后期，由于資本主義工業(yè)的發(fā)展，要求更大量的動力；人類陸續(xù)發(fā)明了發(fā)電機和高壓輸電線，這時水力就可以轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用十分方便的電力，同時又可以把電力輸送到很遠(yuǎn)的地方去。因此水電站建設(shè)在資本主義國家中得到了很快的發(fā)展。目前一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點一個世紀(jì)以前，當(dāng)時世界上一些先進的工業(yè)國家所興建的第一座水電站，以及隨之而建起的第一批水電站，按目前標(biāo)準(zhǔn)來說，都是屬于小型的，甚至是微型水電站。但是這些小型水電站的意義是十分重大的，因為它們不僅為水電開發(fā)在技術(shù)上開創(chuàng)了一條道路，而且也為當(dāng)時新興的工業(yè)提供了廉價的電力。1878年在法國巴黎附近，建造的塞爾曼茲水電站是世界上最早的水電站。1882年，美國的威斯康辛州的阿普爾頓水電站投入運行，僅是一臺提供1.8KW照明用的直流發(fā)電機。1912年，我國在云南昆明附近石龍壩建成第一座水電站，安裝德國西門子公司的二臺240KW水輪發(fā)電機組。水力發(fā)電是水能利用的主要形式。由于我國的水力資源極為豐富，而且具備許多優(yōu)越條件，因此我國的水電建設(shè)將具有極其廣闊的發(fā)展前景。

目前二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點第一章

水力發(fā)電的基本概念水力發(fā)電是利用河流中水的落差（水頭）和流量為特征值所積蓄的勢能和動能，通過水輪機轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)出電能，經(jīng)母線通過低壓斷路器接至升壓變壓器，將電壓升高接入電網(wǎng)輸電系統(tǒng)。水力發(fā)電所用的河川水流是取之不盡、用之不竭的能源，與其他能源的開發(fā)相比，不需要昂貴的燃煤開采、運輸?shù)葟?fù)雜環(huán)節(jié)，因而水力發(fā)電的成本低。同時，水電的應(yīng)用還節(jié)約了大量煤炭、石油、天然氣等重要原料，并有利于環(huán)境保護。目前三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點1.

水力發(fā)電的基本條件

一條河流的上游總比較高些，下游總比較低些，因為河流水位高低的差別，就產(chǎn)生了水能，這種能量稱為位能或勢能。我們知道：任何物體由高處落向低處會產(chǎn)生一定的力量，所以河水由高處流向低處就會產(chǎn)生一定的水力。由于河流水面高低的差別（叫做落差或水頭），所以產(chǎn)生水力，這是構(gòu)成水力的一個基本條件。此外，水力的大小還決定于河流中流量的多少，這是和落差同樣重要的另一個基本條件。落差和流量都直接影響水力的大小，落差和流量愈大，水電站的出力也就愈大。落差一般是用米來表示。例如黃河從青海發(fā)源地流入渤海，全長4845公里，水流總共降落4368米，平均每公里落差0.9米，也就是平均水面比降為萬分之九。該比降可以表示落差集中的程度。像黃河上游的坡降較陡，可達(dá)千分之二到三，落差比較集中，水力利用也比較方便；下游比較平坦，比降僅有萬分之幾，落差非常分散，水力利用也就要困難些。目前四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點一個水電站所利用的落差，就是水電站的上游水面和通過水輪機后的下游水面之差（如圖1）。水電站上游和下游的水面經(jīng)常變動，落差也就隨著變動。目前五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點流量是河流中單位時間內(nèi)流過的水量，以一秒鐘內(nèi)流過多少立方米來表示。流量在時間上的變化非常顯著。我國的河流一般在夏季、秋季流量較大，冬季、春季比較小，各月、各天的流量不同，各年的水量也不同。像黃河通過三門峽的最大流量曾達(dá)到每秒18500立方米，而最小流量只有每秒160立方米，相差達(dá)100多倍。天然的水力隨著流量的變化而忽大忽小，很不適用，所以必須修建水庫，調(diào)節(jié)流量，才能充分地利用水力資源。一般河流的流量在上游比較小；因為各支流的匯入，下游流量逐漸增大。所以上游的落差雖集中，但是流量較?。幌掠瘟髁侩m大，但是落差比較分散。因此，往往在河流的中游段利用水力最為經(jīng)濟。目前六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

我們知道了一個水電站利用的落差和流量，則水從高處落下，在單位時間內(nèi)所做的功，叫水流功率可用下式表示：

No=γQH(kg-m/s)

式中γ—水的比重，每立方米水等于1000公斤重。Q—流量，以每秒立方米計。H—落差，以米計。目前七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

但是，水流功率一般不用kg-m/s表示，而用千瓦或馬力作單位，它們之間的關(guān)系為：1kW=102(kg-m/s)1HP=75(kg-m/s)

所以水流功率也可用下式表示：1000No=———QH=9.81QH(kW)1021000或No=———QH=13.33QH(HP)75目前八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點當(dāng)水流作功時，必然有一定能量的損失。所以實際上所作的功比No小。即：N=Noη

=9.81QHη(kW)N=Noη=13.33QHη(HP)式中N——水電站的出力。η——效率系數(shù)。當(dāng)初步估算出力時，效率系數(shù)可采用0.82，則水電站的出力可簡化為：N

=8QH(kW)目前九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

●例如某個水電站引用流量100m3/s，利用水頭50m，它的出力為：N

=8×100×50=40000kW由于河流中的流量和落差經(jīng)常在變化，而且用電需要也隨時在變化，所以水電站所發(fā)的電也是各季、各天、各時不同的。水電站所生產(chǎn)的發(fā)電量是以千瓦時（度）來計算的。因為一小時等于3600秒，用W/3600來代替上述公式的流量，就可以得到計算電能的公式如下：E=8×W/3600×H=WH/450(kW·h)l

例如某個水電站一年中利用的水量是20億m3，平均水頭45m，它的年發(fā)電量為：E=200×107×45/450=200×106=2億(kW·h)

目前十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點2水力資源的開發(fā)

2.1我國水力資源的開發(fā)我國水力資源十分豐富，水能資源理論蘊藏總量（未包括臺灣?。?.76億kW，居世界第一位。其中，長江流域占40%，西藏各河流約占21.5%，西南各國際河流約占16.7%，黃河流域占6%，珠江流域占5.2%，其它約占10.6%。在地區(qū)分布上，我國水力資源的72%集中在西南地區(qū)，其次是中南、西北、華東、東北，華北和內(nèi)蒙最少。長江是我國第一條大河，流域面積約194萬平方公里，全長約5200公里，全部落差約5600米，總蘊藏量約2億多kW，年總水量超過1萬億m3。長江的水力資源大部集中在上游，即我國的西南地區(qū)，四川宜賓以上約占64%；宜賓以上坡度大，宜賓以下流量大。長江由四川流入湖北，經(jīng)過了世界有名的特大型三峽水電站，其發(fā)電能力達(dá)1820萬kW，裝設(shè)26臺70萬kW水輪發(fā)電機組。目前十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點黃河的綜合利用流域規(guī)劃已在二十世紀(jì)五十年代編制完成。按照規(guī)劃內(nèi)容，除了黃河下游的嚴(yán)重水害將得到根本解決外，并將在黃河干流從青海龍羊峽以下到海口止共3670公里間建立46座水力樞紐，總發(fā)電容量可達(dá)2300萬kW。其中劉家峽、鹽鍋峽、青銅峽、八盤峽、三門峽和龍羊峽等大型水電站都已建成，不僅供給西北地區(qū)各工業(yè)城市的用電，并可為黃河下游的灌溉和航運創(chuàng)造十分有利的條件。南方的珠江是我國的第三條大河。根據(jù)有關(guān)資料，珠江流域也有不少優(yōu)越的水力發(fā)電地址，現(xiàn)正進行對全流域的有系統(tǒng)的勘測研究工作。目前十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

我國水力資源中技術(shù)上可開發(fā)的裝機容量約3.78億kW，相應(yīng)年發(fā)電量1.923萬億kW·h。但總開發(fā)率很低，東西部開發(fā)差異很大。全國平均開發(fā)率按2003年水電發(fā)電量計僅14.7%，約居世界第70多位，排在很多發(fā)展中國家如印度、巴西、埃及、越南、泰國等國家之后。當(dāng)前我國西部地區(qū)的水電開發(fā)才剛剛開始，開發(fā)水平僅7.5%，開發(fā)潛力巨大。因此，21世紀(jì)水電要結(jié)合國家的西部大開發(fā)機遇，實施大規(guī)模西電東送的戰(zhàn)略。目前十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2.2我國水力資源開發(fā)的特點（1）我國的一些大型水電站在地區(qū)分布上很有利，一般都處于人口稠密地區(qū)的附近，所以它的經(jīng)濟價值很高。如黃河的三門峽、劉家峽；長江的三峽、葛洲壩；四川的大渡河、岷江；浙江的新安江和東北的松花江等。同時我國水力資源的分布也恰巧彌補了我國煤礦分布上的缺陷，我國的西南、西北以及長江以南的地區(qū)缺少質(zhì)好量大的煤礦，建設(shè)火電廠的條件較差，但是這些地區(qū)都有豐富的水力可以利用。目前十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點（2）我國許多水力資源都具有巨大的綜合利用的作用。這些水力資源的開發(fā)，都能同時滿足國家當(dāng)前迫切的防洪、發(fā)電、灌溉、航運等要求。例如黃河的開發(fā)和治理，就要同時解決黃河的防洪、發(fā)電、灌溉、航運，水土保持等問題，這是河流綜合利用的原則。我國長江三峽水電站顯著的經(jīng)濟效益，也體現(xiàn)了這個原則：水庫總庫容393億m3，其中221億m3的防洪庫容，能有效控制長江洪水；年發(fā)電量847億kW·h，輻射大半個中國，可使全國人均每年增加電量70kW·h；萬噸級船隊可直達(dá)重慶，單向年通過能力將從目前的1000萬噸增加到5000萬噸，運輸成本可降低35%；年發(fā)電量相當(dāng)于燃燒5000萬噸原煤的能量，可相應(yīng)減少溫室效應(yīng)和酸雨，保護了環(huán)境。目前十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（3）我國的許多水力地址，特別是目前選擇并準(zhǔn)備開發(fā)的一些水電站，大都有很好的自然條件。由于地形、地質(zhì)、水文條件優(yōu)越，因而工程量比較小，而發(fā)電量卻比較大。例如原蘇聯(lián)古比雪夫水電站裝機容量210萬kW，混凝土量是700萬m3，約每千瓦要用3.5m3的混凝土，此外還要大量的土方；而我國黃河上的若干水電站，每千瓦約只用1.5m3左右的混凝土。同時我國土建工程的造價與機電設(shè)備和金屬材料采購金額相比，是比較低的；水電站工程所需的石料和砂石料，大都可以在工地附近取得。此外，我國的氣候條件也比較好，絕大部分地區(qū)可以一年四季施工。這些自然條件的優(yōu)越，可以大大地縮短水電建設(shè)的周期。目前十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

總的來說，我國的水力資源是極為豐富的，而且具備許多優(yōu)越條件，但結(jié)合我國的實際情況，在水電開發(fā)中需要特別注意兩個問題：一是河流中的泥沙問題，二是水庫建設(shè)涉及的移民問題。因為河流中挾帶的泥沙，在最嚴(yán)重的情況下可以很快將水庫淤滿，如流入渠道會引起渠道淤塞，粗粒泥沙通過水輪機會引起轉(zhuǎn)輪葉片的磨損。如果在平原河流上修建大型水庫，就會造成一定的淹沒損失，并需妥善地解決水庫建設(shè)涉及的移民問題。這兩個問題，我們在規(guī)劃水電站開發(fā)時，必須慎重地加以考慮。目前十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點2.3世界水力資源的開發(fā)

全世界理論水力資源蘊藏量目前還沒有一個準(zhǔn)確的數(shù)字，有人估計大約60-70億kW。據(jù)《國際水力發(fā)電與大壩》雜志1999年統(tǒng)計資料，按年發(fā)電量估算，世界理論水力資源蘊藏量為405，000億kW·h，技術(shù)可開發(fā)水力資源為143，200億kW·h。截止到1998年底，全世界水電總裝機容量約為6.9億kW，年發(fā)電量約為27610億kW·h，開發(fā)利用程度約為19.3%。世界上大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，一般都優(yōu)先發(fā)展水電，水電開發(fā)程度在60%以上的國家共有9個，分別是：法國（96.9%）、瑞士（84.9%）、墨西哥（69.9%）、奧地利（69.1%）、德國（68.9%）、美國（67.4%）、日本（66.6%）、挪威（64.5%）、意大利（63%）。發(fā)展中國家水電開發(fā)利用程度長期不高，但近二、三十年來，尤其是二十世紀(jì)80年代中期，一些國家水電開發(fā)速度大大加快，如巴西、巴拉圭、委內(nèi)瑞拉、土耳其和中國等。目前世界上水電裝機容量排在前5位的國家，分別是：美國（7540萬kW）、中國（7297萬kW）、加拿大（6567.8萬kW）、巴西（5451.4萬kW）、俄羅斯（4394萬kW）。目前十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點目前各大洲水力資源開發(fā)情況表

地區(qū)理論水力技術(shù)可開發(fā)已開發(fā)資源水電開發(fā)資源水力資源裝機年發(fā)電量程度（億kW·h）（億kW·h）（萬kW）（億kW·h）（％）亞洲 203003.72 67903.07 22980.83 7841.0211.5非洲 33242.08 19235.19 2033.31 637.27 3.3南美洲 75026.05 28899.52 10543.94 5742.5919.9中北美洲64858.62 16308.18 15420.70 7496.9446.0歐洲 24287.30 9731.81 16738.98 5434.8055.8大洋洲4451.20 1156.14 1330.57 429.87 37.2合計 404868.97 143233.91 69048.33 27582.4919.3目前十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

從上表可以看出，世界水電開發(fā)程度以歐洲為最高，而非洲和亞洲較低。因此，對于非洲、亞洲和南美洲來說，今后開發(fā)水電的潛力還是很大的。世界上有許多國家，正是由于具有豐富的水力資源的優(yōu)勢，憑籍其大量廉價的水電而建立起發(fā)達(dá)經(jīng)濟的。例如北歐的挪威、瑞典，中歐的瑞士，北美的加拿大等國都是如此。挪威自稱“能源之國”，技術(shù)可開發(fā)的水力資源為1780億kW·h，已開發(fā)1150億kW·h，主要用以發(fā)展鋁、鎂等有色金屬冶煉，以及化肥、紙漿等能源密集型工業(yè)。目前挪威的平均電價在世界各國中為最低，人均用電量在世界各國中為最高，而其人均國民收入則居世界的前列，超過美國和日本。目前二十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3．河流的綜合利用和梯級開發(fā)

3.1河流的綜合利用河流的綜合利用是社會主義制度下開發(fā)水力資源的根本原則。也就是說，對國家水利資源的利用，必須從整個國民經(jīng)濟的利益出發(fā)，同時盡可能的滿足各項水利事業(yè)的要求。我國許多河流的水力地址都具有巨大的綜合利用的作用，不僅可以建設(shè)水電站發(fā)展電氣化事業(yè)，而且可以同時采取各種水利措施，解決防洪、灌溉、航運（包括放木和筏運）、工業(yè)城市給水、漁業(yè)等問題。這樣，我們就能充分地、合理地分配和利用水力資源，使各個經(jīng)濟部門都能得到應(yīng)有的發(fā)展。目前二十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點我們知道，各項水利事業(yè)的利益在某些方面是一致的，例如建立一個水利樞紐，可以發(fā)電，可以使上游的航運水深大大增加，也可以攔蓄洪水，造成灌溉及供水的有利條件。但是在某些方面它們之間的利益也可能發(fā)生矛盾。例如發(fā)電要求水庫在汛期盡量多蓄水，以供枯水期使用，而防洪卻要求水庫在汛期內(nèi)經(jīng)常空出一定的容積，以備隨時攔蓄洪水。在此情況下，我們就只能根據(jù)統(tǒng)籌兼顧的原則，妥善地解決防洪和發(fā)電蓄水的矛盾。必須指出，在各種不同的具體條件下，綜合利用原則必須根據(jù)各項水利事業(yè)在當(dāng)?shù)氐钠惹泻椭匾潭鹊牟煌謩e輕重緩急，加以不同的對待。例如我國永定河上的官廳水電站，是一個綜合利用的水利樞紐。但是由于永定河洪水嚴(yán)重威脅著首都北京和重要工業(yè)城市天津及該地區(qū)其他城市和廣大農(nóng)村人民生命財產(chǎn)的安全，因此在綜合利用規(guī)劃中必須首先滿足防洪的要求，其他各項水利事業(yè)的要求，在全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排下，以期得到最大可能限度的滿足?？偟膩碚f，河流綜合利用的效益是巨大的。它們之間的要求雖然存在著一定的矛盾，但都可以在社會主義制度及綜合利用的原則下得到統(tǒng)一解決。目前二十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3.2河流的梯級開發(fā)

河流的梯級開發(fā)，就是把河流象通常的階梯那樣分成很多級來開發(fā)。為什么要研究河流的梯級開發(fā)呢？我們在河流上建造一個水電站時，僅僅只利用了整個河流的一小段，在這一段的上下游還可建造一系列的水電站，也就是說，每個水電站僅是河流梯級開發(fā)中的一個梯級。目前二十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

在流域規(guī)劃中，根據(jù)綜合利用原則和水文、地理、地質(zhì)等自然情況進行河流的梯級開發(fā)，選定壩址，決定壩高，以獲得一定的效益。例如在一個地形開闊、地質(zhì)條件很差的河段，那就是基本上否定了建筑高壩的可能性。相反，如在巖石堅硬，地形陡峻的峽谷段，就要考慮建筑高壩或引水道式的高水頭水電站。在研究河流的梯級開發(fā)時，還必須考慮到河流流量需要調(diào)節(jié)的程度，并選定幾個關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)水庫。調(diào)節(jié)水庫的位置很重要，如太偏上游，控制的面積就太小，流量不大，調(diào)節(jié)作用不顯著；如位于下游，上游的一系列水電站就得不到調(diào)節(jié)的好處。所以，在比較大的河流，一般都有幾個大水庫分布在各河段上。象黃河干流的46個梯級開發(fā)中就有三個大水庫，分布在三個河段上，中間并有一系列的中小型水庫，互相配合，就可得到最大的攔洪和調(diào)節(jié)流量的效果。為此，需要做大量勘測、調(diào)研、論證和可行性研究工作。目前二十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

在研究和選擇河流的梯級開發(fā)時，一般要考慮以下幾個因素：

★符合綜合利用的原則，最大限度地滿足各經(jīng)濟部門的要求?！锬艿玫阶畲蟮陌l(fā)電效益，也就是各梯級的總出力和總發(fā)電量應(yīng)該是最大的。★使全部梯級造成的總淹沒損失最小。★在梯級中能選出解決當(dāng)前任務(wù)，適宜于提前開發(fā)的第一期工程。

目前二十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點第二章水電站布置方式及設(shè)備概述

1．水電站建筑樞紐的組成

無論發(fā)電、灌溉或任何一種水利事業(yè)，都需要修建水工建筑物，以控制和支配水流。不同用途的若干個水工建筑物組合在一起，便構(gòu)成了水利樞紐。如果水利樞紐是以發(fā)電為主要目的，也可稱為水電站建筑樞紐。目前二十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點水電站建筑樞紐建筑物組成

水電站建筑樞紐有下列建筑物組成：

（1）

擋水建筑物其典型代表是各種類型的壩。它是樞紐中重要組成部分之一。主要功用是攔蓄水流，抬高水位，形成水庫或便于引水建筑物的引水。

（2）

泄水建筑物其功用是渲泄水庫中多余的水，保證水電站建筑樞紐中各建筑物的安全。各種類型的溢洪道、泄水孔、泄水隧洞等都屬于這類建筑物。泄水建筑物可建于壩上或壩旁。目前二十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（3）引水建筑物其功用是將水引入水輪機及為了滿足某些下游用水部門的要求，將水由擋水建筑物的上游引至其下游。渠道、水槽、水管、隧洞等都屬于此類建筑物。

（4）水電站廠房水電站的廠房是使水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿闹鳈C設(shè)備和為此目的服務(wù)的附屬設(shè)備的工作場所。裝設(shè)水輪發(fā)電機組的場所為主廠房，裝設(shè)附屬設(shè)備、電力儀表及機檢修工廠等的場所為副廠房。目前二十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（5）水電站開關(guān)站

開關(guān)站是水電站接入電力系統(tǒng)的升壓開關(guān)站。它和樞紐總布置、出線走廊、送電方向、出線回路數(shù)、出線電壓等級及相關(guān)電器設(shè)備有關(guān)。按布置一般分為戶內(nèi)式和戶外式。

(6)其他建筑物

為了其它目的，有時在水電站建筑樞紐中還筑有專門建筑物。如為航運目的而建的船閘、筏道、升船機等；為養(yǎng)魚而建的魚道、魚閘等。自然條件是復(fù)雜的，因而每一個水電站樞紐都各有其特殊性。上述建筑物在不同的自然條件下可能采用不同型式。

目前二十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點2．水電站的布置方式如在一較短的河段上有集中的水位落差，就可以最有效地利用水流能量。當(dāng)有天然瀑布時，水流能量的利用可大為簡化，然而這樣的條件十分罕見。一般要利用分布在一段長距離上的河川落差，這需要人工將落差集中。水電站可以按不同的集中落差方式，分成以下三種基本類型的布置方式?！锏虊问剿娬镜牟贾梅绞健镆剿娬镜牟贾梅绞健锘旌鲜剿娬镜牟贾梅绞?/p>

目前三十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2.1堤壩式水電站的布置方式在這種布置方式中，水頭主要靠壩造成，如圖2所示。為了利用A、B兩點之間的落差，在B點筑一座壩，將水位抬高至A點。此時就形成可利用的水頭H，△H為水頭損失。堤壩式水電站布置時，廠房可以位于壩軸線的一端、壩后或壩內(nèi)。這種布置方式，不可避免地引起淹沒。所以，利用堤壩所構(gòu)成水頭的大小，除了決定于筑壩的技術(shù)條件外，另一方面還取決于上游的地形條件及淹沒面積的價值。如果淹沒較大的居民區(qū)、，重要的工礦企業(yè)和交通要道等，有時雖然淹沒面積不大，但仍是不經(jīng)濟的。堤壩式水電站樞紐布置見圖3。

目前三十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖2堤壩式水電站的布置圖

目前三十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖3堤壩式水電站樞紐布置圖

（圖中：1—攔河壩，2—發(fā)電廠房3—船閘）目前三十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

堤壩式水電站由于在堤壩上游形成了水庫，又可以利用水庫中的存水進行水量調(diào)節(jié)。這種水電站適宜于平原河流，大多建筑在河道坡降小，而流量較大的河段上。目前三十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點2.2引水式水電站的布置方式引水式水電站的水頭主要靠坡降很小的引水道造成。如圖4所示，為了利用B點以下的集中落差，在B點筑一座壩，然后由壩的右岸用引水明渠（或隧洞）將水引至C點，再由C點經(jīng)壓力管道將水引入廠房內(nèi)。很顯然，這種布置方式是由明渠來造成水頭的，壩的作用只是將水引入明渠中去，對增加水頭不起顯著作用。引水式水電站的布置方式，在壩的上游造成的淹沒較小，但不能像堤壩式那樣用水庫來對河水進行調(diào)節(jié)。引水式水電站樞紐布置見圖5。目前三十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖4引水式布置示意圖目前三十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖5引水式水電站樞紐布置目前三十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

引水式水電站適宜于山區(qū)河流，河道坡度較陡和流量較小的情況。由于這種水電站引用的流量不會太大，發(fā)電規(guī)模往往比堤壩式水電站要小，一般都屬于中小型水電站。目前三十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2.3混合式水電站的布置方式

混合式水電站的布置方式如圖6所示。這種布置方式具有堤壩式和引水式布置的優(yōu)點。壩上游AB段的水頭可由筑在B點的壩來集中，壩下游的集中水頭可由引水渠道取得。同時這種布置方式可形成較大的水庫來進行河流的水量調(diào)節(jié)?；旌鲜讲贾梅绞阶钸m合于上游坡降較小、下游有很大坡降的河流上。目前三十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖6混合式布置示意圖目前四十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

上述三種布置方式實際上是最常用的，同時也是最簡單的。在復(fù)雜的自然條件下，為了充分利用能量，有時迫使采用更復(fù)雜的布置方式。但是引水渠道（或隧道）和壩在這些布置中仍是集中水頭的主要建筑。目前四十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點3．水電站設(shè)備

水電站設(shè)備通常是指在機械和電氣方面所必需具備的設(shè)備，主要包括水力機械設(shè)備、電氣一次系統(tǒng)、電氣二次系統(tǒng)、金屬結(jié)構(gòu)及一些輔助設(shè)施。

3.1水力機械設(shè)備水力機械設(shè)備包括水輪機、水輪發(fā)電機、調(diào)速器、勵磁裝置和進水閥門，以及各種水泵、油泵、空氣壓縮機、起重設(shè)備、通風(fēng)和采暖設(shè)備等。它的主體是水輪發(fā)電機組，其余都是圍繞著主機正常運行、檢修所需要的輔助設(shè)備。（1）水輪機是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動主軸的機械能。根據(jù)水電站的水頭大小，可以設(shè)計安裝混流式、軸流式、貫流式和水斗式等水輪機。（2）水輪發(fā)電機是將水輪機的機械能轉(zhuǎn)化為電能，然后送入電力系統(tǒng)。由于水輪發(fā)電機通常是與水輪機同軸剛性連接，故整個機組的轉(zhuǎn)速是一致的。目前四十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點（3）調(diào)速器用于控制水輪機的轉(zhuǎn)速，方法是：采用混流式水輪機時改變導(dǎo)葉的開度；采用軸流或貫流式水輪機時改變導(dǎo)葉和輪葉的開度；采用水斗式水輪機時改變針閥和折向器的開度。調(diào)速器包括油壓裝置、操作柜和輸油管路等。（4）勵磁裝置用以向發(fā)電機提供磁場電流源。在正常情況下維持發(fā)電機電壓水平，合理分配發(fā)電機的無功功率。事故時應(yīng)進行強行勵磁、強行減磁或滅磁，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（5）水輪機進水閥門多采用蝴蝶閥和球閥，一般安裝在水輪機的分支壓力管上。進水閥門的用途：在機組檢修和長期停機時，關(guān)閉閥門以減少導(dǎo)葉縫隙漏水造成氣蝕損壞；在導(dǎo)水機構(gòu)因故障不能關(guān)閉時，關(guān)閉閥門以防止機組飛逸。目前四十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（6）水電站廠房內(nèi)的起重機是主要起重設(shè)備，其起重量應(yīng)根據(jù)機組的最重安裝件（通常為發(fā)電機轉(zhuǎn)子）的重量進行選定。有的廠房安裝二臺起重機，而在吊運轉(zhuǎn)子和其他過重部件時由二臺起重機聯(lián)合作業(yè)。在安裝過程中，除利用廠房內(nèi)主起重機外，還應(yīng)采用一些小型機械化起重運輸工具。如在水輪機室內(nèi)進行檢修工作時往往需要安裝沿環(huán)形軌道滑行的電葫蘆，以保證水輪機室內(nèi)全部范圍內(nèi)的起重作業(yè)。

目前四十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點3.2電氣一次系統(tǒng)

電氣一次系統(tǒng)是變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、避雷器等設(shè)備通過母線、導(dǎo)線構(gòu)成的整體。它的主要作用是發(fā)電、變電、靈活地匯集和分配電能，安全、經(jīng)濟地送電。電氣一次系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、絕緣配合、過電壓和短路容量等均有密切關(guān)系，要求選用運行靈活、可靠的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)均能滿足電力系統(tǒng)運行需要。同步水輪發(fā)電機的電壓相對較低，一般為10.5kV至24kV。在這種情況下，由發(fā)電機輸往變壓器的輸電電流必然很大，因此要求母線的斷面相應(yīng)增大。容量在10萬kVA以下時可采用明式母線，容量更大時則采用封閉母線或特制電纜。鑒于母線造價很高，且其電能損失較大，故應(yīng)力求使變壓器靠近發(fā)電機，以縮短母線長度。由于SF6全封閉組合電器占地面積小，不受氣候條件的影響，不產(chǎn)生無線電干擾、無靜電感應(yīng)問題，有良好的運行性能，因而有著廣闊的發(fā)展前途。

目前四十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3.3電氣二次系統(tǒng)

電氣二次系統(tǒng)包括由自動化元件、自動裝置、繼電器、儀表等組成的監(jiān)測、控制和保護系統(tǒng)。它的主要作用是監(jiān)視、控制電氣一次系統(tǒng)的運行，保證電能質(zhì)量，并在電氣設(shè)備出現(xiàn)異常和故障時自動發(fā)出信號或切除故障，以縮小事故范圍。此外，電氣二次系統(tǒng)還包括保證水電站實現(xiàn)綜合自動化所需的操作機構(gòu)，如自動操作、自動保護、自動調(diào)整、自動檢測和自動經(jīng)濟運行。電氣二次系統(tǒng)的控制裝置所用直流操作電源，由專門的變壓器和備用蓄電池組供給。所有最重要的操作和控制機構(gòu)均應(yīng)接通中央控制室，從中央控制室實施電站機組的操縱。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和大容量水電站的建立，要求采用電子計算機，在基礎(chǔ)自動化工作和自動化元件日臻完善的情況下，逐步實現(xiàn)全電站的綜合自動化?，F(xiàn)代化水電站的值班人員很少，甚至無人值班。目前四十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3.4金屬結(jié)構(gòu)水電站的金屬結(jié)構(gòu)由攔污柵，工作閘門、檢修閘門和壓力輸水管道等組成。它的主要作用是滿足水工建筑物運行的需要，并保證在任何工作水位下供給電站必需的水量。水電站進水口上的攔污柵，用以阻攔污物進入輸水管道，以防護水輪機、閥門、管道不受損壞。工作閘門多采用固定式啟閉機，每扇閘門一套。檢修閘門多采用活動式啟閉機操作，門體平時存放于門庫。幾個孔口可共用一套檢修閘門。壓力輸水管道多采用焊接壓力鋼管，它適用的水頭范圍很廣，可由幾十米至一千多米。目前四十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3.5輔助設(shè)施為了使水電站正常、安全、經(jīng)濟運行，水電站還需配置技術(shù)供水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、壓力油系統(tǒng)、水輪機過流部件的排水系統(tǒng)、水力測量監(jiān)視系統(tǒng)、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及機械修配設(shè)備等輔助設(shè)施。（1）技術(shù)供水系統(tǒng)用于向機組部件和熱交換器（冷卻器）及保證機組正常運行所必需的其他設(shè)備供水。它包括水輪機導(dǎo)軸承的水密封裝置、水輪發(fā)電機空氣冷卻器、推力軸承、導(dǎo)軸承及變壓器的油冷卻器。技術(shù)供水系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)安全程度，決定著水電站的運行可靠性，因而往往需考慮主用和備用水源。主用水源一般可由壓力水管或下游取水，當(dāng)水頭高時，自流供水；水頭低時，以水泵供水。技術(shù)供水系統(tǒng)除所要求的流量和壓力外，還應(yīng)保證水質(zhì)足夠清潔。為此，應(yīng)設(shè)置專門的濾水器，其濾網(wǎng)必須定期清污。目前四十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點（2）壓縮空氣系統(tǒng)保證水電站水力機械設(shè)備和電氣設(shè)備所需的壓縮空氣。在一般情況下，水電站均配置兩套壓縮空氣系統(tǒng)：7kg/cm2的低壓系統(tǒng)，主要用于機組制動閘、機組調(diào)相時壓水、風(fēng)動工具和吹掃及蝴蝶閥圍帶充氣等；＞25kg/cm2的高壓系統(tǒng)，主要用于調(diào)速器油壓裝置充氣、空氣斷路器操作和滅弧用氣等。壓縮空氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、貯氣罐和耐壓風(fēng)管組成。空氣壓縮機的數(shù)量一般不少于兩臺，其中一臺備用。（3）壓力油系統(tǒng)由貯油設(shè)備、油處理設(shè)備和管網(wǎng)組成。用以接受新油、貯存凈油、向設(shè)備注油、運行油的貯存和監(jiān)護、新油和劣質(zhì)油處理、廢油的收集、再生、貯存和發(fā)運。水電站用油以汽輪機油和變壓器油用量最大。油系統(tǒng)內(nèi)汽輪機油和絕緣油的貯油罐和油處理設(shè)備必須分開設(shè)置。絕緣油庫一般布置在主廠房外，靠近主變壓器或開關(guān)站。汽輪機油庫可布置在電站廠房內(nèi)，需有消防和防潮措施。目前四十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點（4）排水系統(tǒng)用于機組檢修時，需排除在壓力水管、蝸殼、尾水管內(nèi)的積水。該系統(tǒng)包括：排水管道及所附閉鎖機構(gòu)、排水廊道、集水井和水泵機組。計算水泵機組向下游排放積水的能力，以不超過4～8小時為限。此外，還應(yīng)設(shè)計集流排水設(shè)施，以便排除室內(nèi)的漏水和滲水。（5）為了安裝、檢修機組和其他設(shè)備，在設(shè)計水電站時應(yīng)考慮配置機械修配設(shè)備，其品種、數(shù)量按電站裝機容量、臺數(shù)、水輪機直徑等因素確定。一般，配置機械修配設(shè)備有以下幾點基本要求：

◆應(yīng)能滿足機組和其他設(shè)備易損零部件的修配?！綦娬窘煌ǚ奖悖瑩?jù)城市較近或附有協(xié)作廠時，設(shè)備可酌情減少。

◆同一或相鄰河流上有幾個鄰近的水電站時，應(yīng)在其中一個設(shè)置梯級中心修配廠。目前五十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（6）為使電站安全，經(jīng)濟運行和收集科研資料，電站設(shè)有水力測量監(jiān)視系統(tǒng)。一般測量項目有：

全站測量：上、下游水位，電站毛水頭，冰凌信號，水庫水溫測量。

機組測量：攔污柵前后水位差及堵塞信號、鋼管爆破保護、水輪機流量、凈水頭測量，水輪機流道的壓力、氣蝕測量等。試驗性測量：在個別機組，裝設(shè)專用測量管道，以測量機組效率等目前五十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點（7）水電站廠房的通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)與采暖系統(tǒng)，是保證機電設(shè)備安全運行與保護運行檢修人員身體健康的必要措施。一般應(yīng)按有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，并結(jié)合水電站廠房的特點進行合理的設(shè)計。如水電站廠房發(fā)電機層余熱量較大，應(yīng)以降溫為主；水輪機層及以下各層濕度較大，應(yīng)以去濕為主。中央控制室應(yīng)采用比主廠房標(biāo)準(zhǔn)高的通風(fēng)設(shè)施。（8）通信系統(tǒng)是保證水電站安全運行、生產(chǎn)管理和經(jīng)濟調(diào)度的重要手段，主要包括廠內(nèi)通信和系統(tǒng)通信。廠內(nèi)通信包括生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)管理通信，系統(tǒng)通信用于對外通信及防汛通信等，一般由電力線載波、架空地線載波和微波中繼通信等幾種方式構(gòu)成。目前五十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點第三章水輪發(fā)電機組及其選擇1水輪機1.1水輪機類型由于水流對水輪機轉(zhuǎn)輪的水力作用不同，水輪機可分成反擊式和沖擊式兩大類型。1.1.1反擊式水輪機反擊式水輪機主要是利用水流的壓力能（位能）來做功。在水流流入水輪機轉(zhuǎn)輪葉片流道前，流速較小，壓力較大；水流流處葉片流道后，流速較大，壓力較小。這樣使轉(zhuǎn)輪葉片的正背面形成了壓力差，構(gòu)成轉(zhuǎn)動力矩的條件，促進轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。由于水流進入轉(zhuǎn)輪的方向不同，反擊式水輪機又可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種型式（如圖1）。目前五十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖1反擊式水輪機示意圖目前五十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1）混流式水輪機其水流是從水平方向（徑向）流進轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過葉片，轉(zhuǎn)為垂直方向（軸向）流出。這種型式水輪機在1849年由美國人法蘭西斯研究成功，國外常稱為Francis式。混流式水輪機應(yīng)用普遍，運行穩(wěn)定，效率較高，多用于中水頭和中等流量的水電站，一般適用凈水頭30-700m。

2）軸流式水輪機其水流是從垂直方向（軸向）進入轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過葉片，仍從垂直方向流出。這種型式水輪機在1912年由捷克人卡普蘭首次采用定槳式水輪機，1916年卡普蘭研制成功轉(zhuǎn)槳式水輪機，所以在國外也稱為Kaplan式。軸流式水輪機過水能力大，適用于大流量、低水頭水電站，一般適用凈水頭30-80m。目前五十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3）斜流式水輪機其水流是與水平方向成一定角度流入轉(zhuǎn)輪，經(jīng)葉片后再以垂直方向流出。這種水輪機在1952年由當(dāng)時在英國電力公司工作的瑞士人代里阿茲研制成功的，國外也稱為Deriaz式。斜流式水輪機適用凈水頭在

40-120m。

4）貫流式水輪機其水流由水平方向流入轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過葉片后仍由水平方向流出。這種型式水輪機過流量大，效率較高，水力損失小，但對密封、絕緣要求高，一般適用凈水頭小于20m。目前五十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1.1.2沖擊式水輪機

沖擊式水輪機是利用水流的動能來做功的。水流從噴嘴射出，形成一股呈水柱狀的高速射流，沖擊轉(zhuǎn)輪使之轉(zhuǎn)動。它不需要尾水管、蝸殼和復(fù)雜的導(dǎo)水機構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)比較簡單，操作維護方便。根據(jù)水流噴射條件和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的不同，沖擊式水輪機可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種型式（如圖2）。目前五十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖2沖擊式水輪機示意圖目前五十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1）水斗式水輪機其高速水流垂直噴射在轉(zhuǎn)輪的斗葉上，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)后水流跌落入尾水渠中。尾水渠的水面為大氣壓力。這種型式的水輪機在1880年由美國人貝爾登研制成功，國外也稱Pelton式。水斗式水輪機多用于小流量、高水頭的水電站，適用凈水頭300-1700m。

2）斜擊式水輪機其高速水流斜向噴射在轉(zhuǎn)輪上。水流從斗葉一側(cè)進入，由另一側(cè)流出。斜擊式和水斗式主要區(qū)別是射流的角度不同。水斗式的噴嘴與轉(zhuǎn)輪是在同一平面上，而斜擊式的噴嘴與轉(zhuǎn)輪的回轉(zhuǎn)平面形成一個角度，一般為22.5度。斜擊式水輪機過流能力比水斗式大，適用凈水頭20-300m。目前五十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3）雙擊式水輪機其高速水流噴射在轉(zhuǎn)輪的上部葉片，進行第一次射擊，水流經(jīng)過上部葉片流向中心再流入轉(zhuǎn)輪下部葉片，對下部葉片進行第二次射擊，故稱為雙擊式。這種型式水輪機效率較低，但結(jié)構(gòu)簡單，一般用于小型水電站，適用凈水頭5-100m。目前六十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1.2水輪機基本工作參數(shù)

水輪機基本工作參數(shù)是表明水輪機對水流能量利用的特性值，包括7個有因次量：出力N(kW)、流量Q(m3/s)、水頭H(m)、額定轉(zhuǎn)速n(r/min)、飛逸轉(zhuǎn)速np(r/min)、轉(zhuǎn)輪名義直徑D1(m)和允許吸出高度hs(m)。2個無因次量：水輪機效率η和氣蝕系數(shù)σ。目前六十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1）出力水輪機出力是水輪機軸上向外輸出的機械功率，用N表示，一般采用單位為kW，可由下式求得：N＝γQHη/102=9.81QHη(kW)

式中η—水輪機效率

2）流量單位時間內(nèi)通過水輪機的水流體積，稱為水輪機流量，用Q表示，一般采用單位為m3/s。水輪機在設(shè)計水頭時達(dá)到額定出力所需流量稱為設(shè)計流量。目前六十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

3）水頭水電站上游水位與下游水位之差，稱毛水頭。水電站毛水頭減去自上游至水輪機蝸殼入口處管道內(nèi)的水頭損失，稱凈水頭，一般采用單位為m。根據(jù)電站自然條件不同，水輪機工作凈水頭在一定范圍內(nèi)變化，有的水電站最大與最小凈水頭變幅可達(dá)2倍或更大。設(shè)計水輪機時，一般給定最大凈水頭、最小凈水頭和設(shè)計凈水頭。設(shè)計凈水頭是水輪機達(dá)到額定出力時最小凈水頭。在個別情況下，設(shè)計水輪機時還給出加權(quán)平均凈水頭（表示長時間出現(xiàn)的凈水頭）和初期運行凈水頭（水庫還未蓄滿水時，水輪機初期運行的凈水頭）。目前六十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

4）轉(zhuǎn)輪名義直徑

水輪機的幾何尺寸是以轉(zhuǎn)輪的名義直徑（D1）為表征的，一般采用單位為m。我國水輪機制造廠所采用的轉(zhuǎn)輪名義直徑D1，如圖3表示。目前六十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

5）額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速是水輪機軸每分鐘旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，用n表示,一般采用單位為轉(zhuǎn)/分。

6）飛逸轉(zhuǎn)速當(dāng)甩去全負(fù)荷,水輪機軸輸出功率為零，導(dǎo)水機構(gòu)不關(guān)閉，水流通過轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速稱為飛逸轉(zhuǎn)速。7）效率水輪機效率等于水輪機軸上的出力與進入水輪機的水流出力之比。由于水輪機工作過程中產(chǎn)生能量消耗，效率η恒小于1.0。

8）氣蝕系數(shù)水輪機的汽蝕性能用氣蝕系數(shù)σ表示，它是轉(zhuǎn)輪葉片動力真空與工作水頭的比值。水輪機氣蝕系數(shù)在實驗室由模型試驗確定，由水輪機模型綜合特性曲線上查取。目前六十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（9）允許吸出高度

反擊式水輪機在轉(zhuǎn)輪葉片背面接近出口的區(qū)域會發(fā)生氣蝕，因為在此位置壓力最低。為避免葉片氣蝕的發(fā)生，可通過選擇適宜的吸出高度來控制該區(qū)域的真空值。允許吸出高度hs是水輪機轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點與下游水位間的高度差，計算公式如下：hs≤10.0－▽/900－KσHr(m)式中▽—水輪機裝置高程（m）σ—氣蝕系數(shù)，從水輪機模型綜合特性曲線上查取。k—氣蝕修正系數(shù)，一般取1.2～1.5。在工程實踐中，通常將各型式水輪機的標(biāo)高統(tǒng)一定在水輪機的中心線。因此，實際吸出高度Hs=hs＋下游水位至轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的距離。采用這種起算點計算水輪機允許吸出高度，還有一定的安全裕度。目前六十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1.3水輪機單位參數(shù)與比轉(zhuǎn)速

1.3.1水輪機單位參數(shù)

水輪機運行工況和水流運動情況復(fù)雜。目前，水輪機設(shè)計以理論計算為基礎(chǔ)，通過試驗研究予以驗證和補充。在試驗中，要使模型水輪機和原型水輪機呈幾何相似、運動相似和動力相似。為便于比較，可將各種水輪機各種工況的基本工作參數(shù)換算成水輪機轉(zhuǎn)輪名義直徑為1m、工作水頭為1m的參數(shù)，這些參數(shù)稱為單位參數(shù)。計算公式如下：目前六十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

單位轉(zhuǎn)速n｀1=nD1/√H(r/min)

單位流量Q′1=Q/D12

√H(m3/s)

單位功率N′1=N/D12

√H3(kW)目前六十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點單位參數(shù)由模型試驗求出。幾何相似、尺寸不同的水輪機構(gòu)成系列，同系列水輪機在相似工況下工作時單位參數(shù)相同。為反映系列水輪機參數(shù)的相互關(guān)系，分別以單位轉(zhuǎn)速n′1和單位流量Q′1為縱橫坐標(biāo)，繪制成水輪機模型綜合特性曲線圖。圖4為混流式水輪機模型綜合特性曲線。目前六十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖4混流式水輪機模型綜合特性曲線目前七十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

該圖表示不同工況的模型水輪機效率η、氣蝕系數(shù)σ、導(dǎo)葉開度α。和水輪機5％的出力限制線。軸流式和斜流式水輪機還表示出轉(zhuǎn)輪葉片開度φ0。近年來，隨著大容量、大尺寸水輪機的迅速發(fā)展，為保證水輪機的穩(wěn)定運行，要求測定模型轉(zhuǎn)輪出口尾水管的壓力脈動值ΔH/H，并要求此值小于10％。目前七十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點1.3.2水輪機比轉(zhuǎn)速

水輪機在1m水頭下，發(fā)出1HP的功率時所具有的轉(zhuǎn)速，即為水輪機的比轉(zhuǎn)速，用ns表示，此時單位為r/min。比轉(zhuǎn)速與運轉(zhuǎn)時的水輪機轉(zhuǎn)速ｎ、水頭Ｈ和出力Ｎ有關(guān)，當(dāng)水頭不是1m，出力不是1HP時，其比轉(zhuǎn)速的單位將變成m·HP。由相似律的關(guān)系可以得出下列兩個公式：n√Nhpn√Nhpns=(m·HP)或ns=0.857(m·kW)H4√HH4√H

將上述表達(dá)式作變換，可導(dǎo)出用單位參數(shù)表示比轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：ns=3.65n1’√

(Q1’η)(m·HP)或ns=3.13n1’√(

Q1’η)(m·kW)

由上述公式看出，ns為單位轉(zhuǎn)速n′1和單位流量Q′1的函數(shù).目前七十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點對于幾何相似的水輪機,在相似工況下的比轉(zhuǎn)速ns是相等的。通常以下列兩種工況的ns來表征某一系列的水輪機：

設(shè)計水頭和額定轉(zhuǎn)速與額定出力相對應(yīng)工況點的比轉(zhuǎn)速，稱為設(shè)計比轉(zhuǎn)速。

最優(yōu)效率對應(yīng)的最優(yōu)工況下的比轉(zhuǎn)速，稱為最優(yōu)比轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代水輪機的設(shè)計比轉(zhuǎn)速范圍：軸流式水輪機ns=200～850（m·kW）混流式水輪機ns=50～300（m·kW）水斗式水輪機（單噴嘴）ns=10～35（m·kW）目前七十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

在一定水頭下，提高反擊式水輪機的比轉(zhuǎn)速，可以縮小水輪機尺寸，提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速，從而減輕機組重量，提高經(jīng)濟性。但比轉(zhuǎn)速的提高，受到水輪機氣蝕強度以及穩(wěn)定性的限制。提高水斗式水輪機的比轉(zhuǎn)速，在于增加噴嘴數(shù)目。目前水斗式水輪機噴嘴數(shù)最多為6個。我國水輪機型譜推薦的設(shè)計轉(zhuǎn)速與水頭的關(guān)系為：2300

軸流式水輪機ns=（m·kW）

√H

2000

混流式水輪機ns=－20（m·kW）

√H目前七十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點1.4水輪機選擇

1.4.1水輪機基本參數(shù)選擇的原始資料選擇水輪機基本參數(shù)的原始資料包括：

（1）現(xiàn)場資料a)水電站主要水工建筑物（水庫、進水口、引水道、廠房等）的標(biāo)高及位置，并標(biāo)明地質(zhì)條件。b)

廠房布置型式，引水方式和引水管長度、直徑及材質(zhì)。c)

水電站綜合利用特征、運行條件（如調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)頻運行要求等）和允許最大挖深值。d)

極限氣溫、濕度、發(fā)生過的強風(fēng)暴及地震等。e)

在極限溫度下的水質(zhì)分析和泥沙的濃度、成分及硬度等。

f)

各類運輸或道路限制。目前七十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2）水文資料a)

流量與時間變化的曲線，并表明限制流量。b)

設(shè)計流量及年利用小時。c)

上游和下游的的極限水位。d)

上下游水位與流量的關(guān)系曲線。e)

水頭變化范圍（最大、設(shè)計、最小和加權(quán)平均凈水頭）。f)

水電站裝機容量和建議機組臺數(shù)。以上這些原始資料，一般都由業(yè)主委托勘測設(shè)計單位提供。目前七十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1.4.2機組容量和臺數(shù)選擇

在水電站裝機容量確定的前提下，機組容量和臺數(shù)的選擇，需考慮水電站樞紐布置、電力系統(tǒng)的運行要求、設(shè)備制造和運輸條件，以及水電站運行管理和造價等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。機組容量應(yīng)與電力系統(tǒng)負(fù)荷及其增長速度相適應(yīng)，在保證電力系統(tǒng)運行安全靈活的條件下，采用單機容量較大，機組臺數(shù)較少的方案，則機組效率高，并可簡化水電站樞紐布置，有利于加快施工進度和節(jié)約水電站總投資，但一般不少于兩臺。目前七十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

1.4.3型式選擇按水電站水頭，參照水輪機類型選擇水輪機型式。在某些水頭段，可選用兩種型式水輪機時，需通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。在相同水頭下，各種類型水輪機相互比較時，有以下特點：

●混流式與水斗式相比，前者最優(yōu)效率高，比轉(zhuǎn)速高，容量相同時尺寸小、轉(zhuǎn)速高、重量輕，廠房面積小。但開挖較深，部分負(fù)荷時效率較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

●斜流式或軸流式與混流式相比，前者平均效率高，適應(yīng)水頭和負(fù)荷變幅較大，單位轉(zhuǎn)速高，可節(jié)約發(fā)電機材料，但結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，氣蝕系數(shù)大，要求開挖較深。

●貫流式與軸流式相比，前者由于流道通順，過流能力大，效率較高，比轉(zhuǎn)速也高，但適用水頭低。目前，各型式水輪機都在不斷改進，分別向適應(yīng)更高水頭進展，并為降低機組造價而努力。目前七十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點1.4.4參數(shù)計算

1）反擊式水輪機根據(jù)轉(zhuǎn)輪特性參數(shù)和模型水輪機綜合特性曲線，可按以下公式計算水輪機基本工作參數(shù)。Nt=Ng/ηg(kW)NtD1=√（m）9.81Q’1Hr

√

Hrηt

n’1

√Hrn=（r/min）D1

Qr=D12

√

HrQ’1(m3/s)

▽hs≤10－

kσHr（m）900式中：Nt———水輪機額定功率（kW）Ng———發(fā)電機額定功率（kW）ηg———發(fā)電機額定效率（通常在0.96－0.98范圍內(nèi)，大功率取大值）D1———轉(zhuǎn)輪名義直徑（m）Hr———設(shè)計凈水頭（m）ηt———水輪機額定效率 n———水輪機額定轉(zhuǎn)速（r/min）Qr———水輪機在設(shè)計水頭，發(fā)出額定功率時的流量(m3/s)hs———允許吸出高度(m)σ———氣蝕系數(shù)k———氣蝕修正系數(shù)▽———水輪機裝置高程(m)目前七十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點例：土耳其卡拉喬倫Ⅱ水電站裝機容量2×23600kW，設(shè)計水頭101.95m，水輪機裝置高程▽＝77.3m。試求利用上述計算公式選擇水輪機型號、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速、流量及允許吸出高度。根據(jù)設(shè)計水頭可采用混流式水輪機HL160型，由該轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上查出單位流量Q’1=0.84m3/s，單位轉(zhuǎn)速n’1=67r/min，模型效率ηm＝0.88，氣蝕系數(shù)σ＝0.08。在初步計算中，取ηt＝ηm，取k=1.5，ηg=0.973，水輪機額定功率Nt=23600/0.973=24255kW2425524255轉(zhuǎn)輪直徑D1=√=√=1.8m9.81×101.95√101.95×0.84×0.887464.69

67√101.95轉(zhuǎn)速n==375.83,取發(fā)電機相近的同期轉(zhuǎn)速375r/min1.8額定流量Qr=1.82√101.95×0.84=27.48m3/s允許吸出高度hs≤10－77.3/900－1.5×0.08×101.95=-2.23m,因此取-2.5m。水輪機型號HL160－LJ－180目前八十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

（2）水斗式水輪機

按以下公式計算水輪機基本工作參數(shù)NtQr=(m3/s)9.81Hrηt

Qrd0=0.545√(m)Z0

√

Hr

D1=K0d0(m)，K0＝10～18，水頭高時取大值。

n’1

√Hrn=(r/min)，D1通常n’1為39r/min

式中Nt———水輪機額定功率（kW）Hr———設(shè)計凈水頭（m）ηt———水輪機額定效率Qr———水輪機在設(shè)計水頭，發(fā)出額定功率時的流量(m3/s)D1———轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑(m)d0———射流直徑(m)z0———噴嘴數(shù)n———水輪機額定轉(zhuǎn)速(r/min)目前八十一頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點例：厄瓜多爾奧卡那水電站設(shè)計凈水頭373m，裝機容量26000kW，安裝2臺13000kW立軸水斗式水輪機。試求利用上述計算公式選擇水輪機流量、射流直徑、轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速（拉美系統(tǒng)頻率60HZ）。

根據(jù)設(shè)計水頭可采用水斗式水輪機CJA237型，由其轉(zhuǎn)輪特性曲線上查得：單位轉(zhuǎn)速N‘1＝39r/min，模型效率ηm＝0.9，在初步計算中，取ηg=0.97,ηt=ηm＝0.9，Z0=4，K0=12水輪機額定功率Nt=13000/0.97=13402kW13402額定流量Qr==4.07m3/s9.81×373×0.9

4.07射流直徑d0=0.545√=0.124m取0.125m(12.5cm)4×√373轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑D1=12×0.125=1.5m(150cm)

目前八十二頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

39√373轉(zhuǎn)速n==502.14r/min,取發(fā)電機相近的1.5同期轉(zhuǎn)速514.3r/min

水輪機型號：CJA237－L－150/4×12.5目前八十三頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點1.4.5水輪機參數(shù)選擇

1)

反擊式水輪機參數(shù)選擇

●單位流量Q’1混流式水輪機應(yīng)選用相應(yīng)于設(shè)計水頭的單位轉(zhuǎn)速n‘1與5%出力限制線相交點處的單位流量Q‘1。若因基礎(chǔ)開挖所限或建在多泥沙河流上時,為了減少水輪機磨損，或電站長期在電力系統(tǒng)承擔(dān)基荷運行，可考慮選取小于5％出力限制線上的單位流量Q‘1值。但應(yīng)大于最優(yōu)效率的單位流量Q‘10值。軸流式水輪機綜合特性曲線圖中未表示出力限制線。理論上，機組最大功率受單位流量和效率乘積（Q‘1η）最大值限制。實際采用時，按允許的吸出高度hs(相應(yīng)的氣蝕系數(shù)σ)、平均效率等因素選定。偏離最優(yōu)工況較大時，效率低、振動大，一般不超過推薦使用最大單位流量Q‘1max值。目前八十四頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點導(dǎo)葉開度按水輪機最大流量的相應(yīng)開度，并留有5％裕度選取。水庫調(diào)節(jié)性能差的水電站，在洪水期，水頭大于設(shè)計水頭時，為了多發(fā)電，發(fā)電機可提高功率因素運行。低水頭電站，汛期棄水量大，下游水位抬高，水頭顯著降低，為增大小于設(shè)計水頭時水輪機功率，均需考慮增大導(dǎo)葉開度。

●單位轉(zhuǎn)速n‘1單位轉(zhuǎn)速n‘1按最優(yōu)工況n‘10或稍高于最優(yōu)工況的n‘10選取。計算出的轉(zhuǎn)速應(yīng)取接近的同期轉(zhuǎn)速，若介乎兩同期轉(zhuǎn)速之間，應(yīng)比較機組重量、造價、效率，經(jīng)分析后確定。需分期開發(fā)和提前發(fā)電的電站，如前期或施工期長，應(yīng)選用偏低的轉(zhuǎn)速。目前八十五頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

●水輪機裝置高程水輪機裝置高程按下式計算:水輪機裝置高程＝下游尾水位＋Hs式中下游尾水位——電站運行河床被沖刷后的尾水位Hs——實際吸出高度（m）對立軸混流式水輪機b0Hs＝hs+（b0—導(dǎo)水機構(gòu)的高度）2對立軸軸流式和斜流式水輪機Hs＝hs

對臥軸水輪機D1Hs＝hs－2

裝置高程，一般應(yīng)根據(jù)水輪機特性、電站運行和下游水位的變化情況，綜合分析比較確定。為留有安全裕度，裝置高程應(yīng)較計算值低0.5～1.0m。目前八十六頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2）水斗式水輪機參數(shù)選擇

水斗式水輪機有臥軸和立軸兩種結(jié)構(gòu)型式。臥軸可裝兩個轉(zhuǎn)輪，每個轉(zhuǎn)輪設(shè)置1－2個噴嘴。立軸只裝一個轉(zhuǎn)輪，目前最多可設(shè)置6個噴嘴。立軸結(jié)構(gòu)緊湊，廠房面積小，利用水頭高。大型水斗式水輪機，當(dāng)Z0≥2，一般采用立軸結(jié)構(gòu)。

水斗式水輪機比轉(zhuǎn)速ns與噴嘴數(shù)的開方√Z0成正比，水頭和功率一定時，增加噴嘴數(shù)Z0，轉(zhuǎn)輪直徑相應(yīng)減小√Z0倍，轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加√Z0倍。

轉(zhuǎn)輪直徑D1和射流直徑d0的比值D1/d0減小，轉(zhuǎn)論直徑減小，而轉(zhuǎn)速增大，這時可降低機組造價；但轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力與（D1/d0）2成反比增大。故高水頭電站，D1/d0應(yīng)選用較大值。目前八十七頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點

2

水輪發(fā)電機

2.1發(fā)電機型式

（1）大中型水輪發(fā)電機目前廣泛采用立式結(jié)構(gòu)，而小型水輪發(fā)電機常采用臥式結(jié)構(gòu)。在立式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)中，根據(jù)推力軸承所在位置的不同，又可分為懸式和傘式發(fā)電機兩種（如圖5和圖6）。

目前八十八頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖5懸式發(fā)電機斷面圖

目前八十九頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點圖6傘式發(fā)電機斷面圖目前九十頁\總數(shù)一百一十一頁\編于二十二點懸式水輪發(fā)電機的特點是：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上方的上機架上。這種發(fā)電機通常有兩個導(dǎo)軸承，一個在上機架上，一個在下機架上。目前我國水電站中的水輪發(fā)電機大多屬此類。傘式水輪發(fā)電機的特點是：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下方的下機架或水輪機頂蓋上。這種發(fā)電機通常有一個導(dǎo)軸承，裝在下機架上。如果在傘式發(fā)電機的上機架上再