電力生產(chǎn)概論第3講水力發(fā)電

1、電力生產(chǎn)技術(shù)概論1第3講 水力發(fā)電2水電站實(shí)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(zhuǎn)換過(guò)程：水的位能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。從河流較高處或水庫(kù)內(nèi)引水，利用水的壓力或流速?zèng)_動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；由水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。4水力發(fā)電的轉(zhuǎn)換過(guò)程天然水能可利用水能旋轉(zhuǎn)機(jī)械能電能建筑物和設(shè)備水輪機(jī)發(fā)電機(jī)水利系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)5基本概念水位：河川中水平面實(shí)際海拔高度靜水頭：河川中上游側(cè)水位

2、與下游側(cè)水位的差值流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)斷面的水的體積3.1水能學(xué)的基本概念67水電站輸出功率3.1水能學(xué)的基本概念Q：水輪機(jī)流量；H0:水電站靜水頭； H:水電站工作水頭；H0H：損失水頭h，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般為H0的3%10%，輸水道短取小值。 ：水輪發(fā)電機(jī)組總效率。K：水電站出力系數(shù)，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(jì)算-不考慮效率損失水在重力作用下，減少的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（機(jī)械能守恒），動(dòng)能再通過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，機(jī)械能再通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為水電站輸出的電能。3.1水能學(xué)的基本概念9水電站輸出功率理論輸出功率的計(jì)算-不

3、考慮效率損失重力做的功=水減少的勢(shì)能=水增加的動(dòng)能=電能=力移動(dòng)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(jì)算的是單位時(shí)間的能量輸出，體積用單位時(shí)間內(nèi)的體積，即水電站的流量3.1水能學(xué)的基本概念10水電站輸出功率實(shí)際輸出功率的計(jì)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(xué)的基本概念1112水電站輸出功率實(shí)際輸出功率的計(jì)算-考慮效率損失水輪發(fā)電機(jī)組的損失 反映水流進(jìn)入水輪機(jī)后，從水能變?yōu)殡娔苓^(guò)程中的能量損失。用百分?jǐn)?shù)表示，包括水工建筑物的效率、水輪

4、機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率。3.1水能學(xué)的基本概念13水電站裝機(jī)容量水電站全部水輪發(fā)電機(jī)組額定容量之和，單位為kW。單臺(tái)機(jī)組的額定容量為機(jī)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(jī)容量是多少？單臺(tái)機(jī)組的額定輸出功率70萬(wàn)kW，共32臺(tái)，另外還有2臺(tái)5萬(wàn)kW的電源機(jī)組。3.1水能學(xué)的基本概念143.1水能學(xué)的基本概念水電站發(fā)電量一定時(shí)段內(nèi)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?jī)砂稁r體來(lái)支撐，并不是靠壩體自重來(lái)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(kāi)發(fā)中防洪和發(fā)電的關(guān)系建壩，除了發(fā)電外，其庫(kù)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(duì)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(kù)需要攔蓄的洪水量越大，對(duì)水庫(kù)在正常情況下所限制的水位就越低。正常水位的降低對(duì)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(yùn)行條件下，水庫(kù)允許消落的最低水位，這個(gè)水位以下成為死庫(kù)容；正常高水位：水庫(kù)調(diào)節(jié)允許達(dá)到的最高水位；有效庫(kù)容：正常高水位與死水位之間的水庫(kù)容積；水庫(kù)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(diǎn)： 受自然條件制約多，地形、地質(zhì)、水文、氣象等對(duì)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(fù)雜，如擋水建筑物要承受相當(dāng)大的水壓力，由滲流產(chǎn)生的滲透壓力對(duì)建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定不利；泄水建筑物泄水時(shí)，對(duì)河床和岸坡具有強(qiáng)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(dǎo)流、截流和施工期度汛，此外，復(fù)雜地基的處理以及地下工程 、 水下工程等的 施工技術(shù)都較復(fù)雜。 大型水利工程的擋水建筑物失事，將會(huì)給下游帶來(lái)巨大損失和災(zāi)難。 3.2水工建筑物23大壩建設(shè)的視頻播放大壩的規(guī)劃選址（5分鐘）

8、大壩的施工建設(shè)（15分鐘）大壩與防洪（10分鐘）3.2水工建筑物24 水輪機(jī)的作用：把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。在水電站中，上游水庫(kù)中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過(guò)尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。 作用示意圖：三峽水電站水輪機(jī)部件3.3水輪機(jī)3.3水輪機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組工作原理簡(jiǎn)單示意圖水輪機(jī)的分類 水輪機(jī)按工作原理可分為： 沖擊式水輪機(jī) 反擊式水輪機(jī)。 3.3水輪機(jī)水輪機(jī)的分類3.3水輪機(jī)沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換；將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。水輪機(jī)的分

9、類3.3水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力能和動(dòng)能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。將水流的位能、壓能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成固體機(jī)械能。沖擊式水輪機(jī)與反擊式水輪機(jī)的基本區(qū)別兩者都是將水能變?yōu)闄C(jī)械能；沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但效率較反擊式水輪機(jī)低；沖擊式轉(zhuǎn)輪在同一時(shí)間內(nèi)，只有部分區(qū)域同水流接觸，直接接受水流作用力的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)輪是全部處在水流之中，通過(guò)轉(zhuǎn)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(jī)多用于高水頭電廠，反擊式水輪機(jī)則更廣泛用于中、低水頭電廠。目前，反擊式水輪機(jī)是

10、應(yīng)用最為廣泛的水輪機(jī)。3.3水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)工作過(guò)程 在反擊式水輪機(jī)中，水流充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時(shí)受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機(jī)。它的最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)。 過(guò)程示意圖3.3水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)都設(shè)有進(jìn)水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機(jī)的進(jìn)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(zhuǎn)輪周圍。蝸殼外形內(nèi)部形狀安裝現(xiàn)場(chǎng)3.3水輪機(jī)引水機(jī)構(gòu)水輪機(jī)蝸殼整機(jī)示意圖導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水導(dǎo)葉工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)輪泄水機(jī)構(gòu)尾水管調(diào)速器飛輪發(fā)電機(jī)3.3水輪機(jī)33水輪機(jī)功率調(diào)整的實(shí)現(xiàn) 調(diào)速器的主要作用是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)頻率和有功負(fù)荷，就是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，不斷地相應(yīng)調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組

11、有功功率的輸出，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速或頻率在規(guī)定范圍內(nèi)。3.3水輪機(jī)水輪機(jī)調(diào)速器的原理： 根據(jù)反擊式水輪機(jī)類型的不同，有單調(diào)和雙調(diào)兩種。 （1）混流式、軸流定漿式、和貫流定漿式都是靠導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)的流量，為單調(diào)。 （2）轉(zhuǎn)漿式、斜流式機(jī)組，除有除有調(diào)節(jié)流量的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外，還有按導(dǎo)葉開(kāi)度和水頭變化而改變轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可使水輪按最優(yōu)效率運(yùn)行。有兩套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為雙調(diào)。調(diào)節(jié)對(duì)象為水導(dǎo)葉3.3水輪機(jī) 沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器的流量調(diào)節(jié)不是采用導(dǎo)葉式，而是利用噴嘴和噴針相對(duì)位置的改變，以調(diào)節(jié)沖向水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪射流的大小。3.3水輪機(jī)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(kāi)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(diào)節(jié)能力分成：無(wú)調(diào)節(jié)水電站、有調(diào)節(jié)水電站一般壩后式水電站和混合式水電站都是有調(diào)節(jié)的；河床式和引水式水電站常是無(wú)調(diào)節(jié)的，或者只有較小的調(diào)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(diǎn)：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(diǎn)：投資大，工期長(zhǎng)，土地淹沒(méi)和人口遷移適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫(kù)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(diǎn)：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(méi)，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(wèn)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(kāi)關(guān)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(diǎn)：當(dāng)水頭較大時(shí)，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(kù)容較大，調(diào)節(jié)性能好。47壩后式景洪水電站48萬(wàn)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(diǎn)：電站庫(kù)容很小，基本無(wú)水庫(kù)淹沒(méi)損失；工程量較小，單位造價(jià)較低。缺點(diǎn)：引用流量較小，沒(méi)有水庫(kù)調(diào)節(jié)，水量利用率較低，綜合利用價(jià)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(wú)壓引水式(free flow)：引水道是無(wú)壓的有壓引水式(pressure flow)：引水道是有壓的 541.無(wú)壓引水電站引水建筑物是無(wú)

15、壓的:渠道或無(wú)壓隧洞主要建筑物：低壩，進(jìn)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。55引水式水電站（無(wú)調(diào)節(jié)）56引水式水電站（日調(diào)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(diào)壓室，壓力水管，廠房，尾水渠。5859我國(guó)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(kāi)始的2240千瓦發(fā)展到7360 千瓦。1908年開(kāi)始建設(shè)，1912年投產(chǎn)發(fā)電。由愛(ài)國(guó)商人投資建設(shè)、采用德國(guó)技術(shù)迄今仍在發(fā)電運(yùn)行（國(guó)家重點(diǎn)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?jí)沃?，適宜建庫(kù)，而緊接水庫(kù)以下河道突然變陡或河流有較大的轉(zhuǎn)彎。同時(shí)兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點(diǎn)。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(diào)節(jié)的程度分無(wú)調(diào)節(jié)水電廠有調(diào)節(jié)水電廠多年調(diào)節(jié)年調(diào)節(jié)季調(diào)節(jié)日調(diào)節(jié)等633.4水電廠的分類64潮汐水電站 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(yùn)動(dòng)，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(shì)能來(lái)發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量機(jī)械能電能(發(fā)電)的過(guò)程。流量大，水頭低的水電站。65潮汐發(fā)電原理66法國(guó)朗斯潮汐電站1966年投入運(yùn)行，是第一個(gè)商業(yè)化電站。該電站裝機(jī)24臺(tái)，每臺(tái)1萬(wàn)千瓦，共24萬(wàn)千瓦。設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量5.44億度。機(jī)組為燈泡貫流式，轉(zhuǎn)輪直徑5.3米。 67最大的潮汐電站法國(guó)朗斯電站68浙江省江廈雙向潮汐試驗(yàn)電站 69抽水蓄能電廠70抽水蓄能電廠負(fù)荷低谷期：利用系統(tǒng)多余的電能帶動(dòng)泵站機(jī)組將下庫(kù)的水抽到上庫(kù)(電動(dòng)機(jī)+水