水力发电及水电站主机设备选择课件(PPT 115页).ppt

水力发电及水电站主机设备选择专题报告主讲人:边善庆二四年八月,前言,人类在劳动生产中要利用自然力量，最初是使用家畜，以后才利用机械。第一台机械原动机就是水力机械。三千多年前在我国、埃及和印度就开始有水碓、水碾、水磨、水车等简单机械，利用水力来进行生产。我国最早的关于水力机械的文字记载出现在汉朝，距今已有1900多年。法国在六世纪才有人知道建筑水磨。欧洲在十五、十六世纪由于手工业工场的发展，在手工业生产中利用水力比较普遍，这时就有了浮动抽水站和水力织布机等机械。在发电机没有发明以前，水力机械只是把水能转变为机械能，各种水力机械都是直接推动各种生产机械（如磨粉、车水等）。十九世纪后期，由于资本主义工业的发展，要求更大量的动力；人类陆续发明了发电机和高压输电线，这时水力就可以转变为应用十分方便的电力，同时又可以把电力输送到很远的地方去。因此水电站建设在资本主义国家中得到了很快的发展。,一个世纪以前，当时世界上一些先进的工业国家所兴建的第一座水电站，以及随之而建起的第一批水电站，按目前标准来说，都是属于小型的，甚至是微型水电站。但是这些小型水电站的意义是十分重大的，因为它们不仅为水电开发在技术上开创了一条道路，而且也为当时新兴的工业提供了廉价的电力。1878年在法国巴黎附近，建造的塞尔曼兹水电站是世界上最早的水电站。1882年，美国的威斯康辛州的阿普尔顿水电站投入运行，仅是一台提供1.8KW照明用的直流发电机。1912年，我国在云南昆明附近石龙坝建成第一座水电站，安装德国西门子公司的二台240KW水轮发电机组。水力发电是水能利用的主要形式。由于我国的水力资源极为丰富，而且具备许多优越条件，因此我国的水电建设将具有极其广阔的发展前景。,第一章水力发电的基本概念,水力发电是利用河流中水的落差（水头）和流量为特征值所积蓄的势能和动能，通过水轮机转变为机械能，然后带动发电机发出电能，经母线通过低压断路器接至升压变压器，将电压升高接入电网输电系统。水力发电所用的河川水流是取之不尽、用之不竭的能源，与其他能源的开发相比，不需要昂贵的燃煤开采、运输等复杂环节，因而水力发电的成本低。同时，水电的应用还节约了大量煤炭、石油、天然气等重要原料，并有利于环境保护。,1.水力发电的基本条件,一条河流的上游总比较高些，下游总比较低些，因为河流水位高低的差别，就产生了水能，这种能量称为位能或势能。我们知道：任何物体由高处落向低处会产生一定的力量，所以河水由高处流向低处就会产生一定的水力。由于河流水面高低的差别（叫做落差或水头），所以产生水力，这是构成水力的一个基本条件。此外，水力的大小还决定于河流中流量的多少，这是和落差同样重要的另一个基本条件。落差和流量都直接影响水力的大小，落差和流量愈大，水电站的出力也就愈大。落差一般是用米来表示。例如黄河从青海发源地流入渤海，全长4845公里，水流总共降落4368米，平均每公里落差0.9米，也就是平均水面比降为万分之九。该比降可以表示落差集中的程度。像黄河上游的坡降较陡，可达千分之二到三，落差比较集中，水力利用也比较方便；下游比较平坦，比降仅有万分之几，落差非常分散，水力利用也就要困难些。,一个水电站所利用的落差，就是水电站的上游水面和通过水轮机后的下游水面之差（如图1）。水电站上游和下游的水面经常变动，落差也就随着变动。,流量是河流中单位时间内流过的水量，以一秒钟内流过多少立方米来表示。流量在时间上的变化非常显著。我国的河流一般在夏季、秋季流量较大，冬季、春季比较小，各月、各天的流量不同，各年的水量也不同。像黄河通过三门峡的最大流量曾达到每秒18500立方米，而最小流量只有每秒160立方米，相差达100多倍。天然的水力随着流量的变化而忽大忽小，很不适用，所以必须修建水库，调节流量，才能充分地利用水力资源。一般河流的流量在上游比较小；因为各支流的汇入，下游流量逐渐增大。所以上游的落差虽集中，但是流量较小；下游流量虽大，但是落差比较分散。因此，往往在河流的中游段利用水力最为经济。,我们知道了一个水电站利用的落差和流量，则水从高处落下，在单位时间内所做的功，叫水流功率可用下式表示：No=QH(kg-m/s)式中水的比重，每立方米水等于1000公斤重。Q流量，以每秒立方米计。H落差，以米计。,但是，水流功率一般不用kg-m/s表示，而用千瓦或马力作单位，它们之间的关系为：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,当水流作功时，必然有一定能量的损失。所以实际上所作的功比No小。即：N=No=9.81QH(kW)N=No=13.33QH(HP)式中N水电站的出力。效率系数。当初步估算出力时，效率系数可采用0.82，则水电站的出力可简化为：N=8QH(kW),例如某个水电站引用流量100m3/s，利用水头50m，它的出力为：N=810050=40000kW由于河流中的流量和落差经常在变化，而且用电需要也随时在变化，所以水电站所发的电也是各季、各天、各时不同的。水电站所生产的发电量是以千瓦时（度）来计算的。因为一小时等于3600秒，用W/3600来代替上述公式的流量，就可以得到计算电能的公式如下：E=8W/3600H=WH/450(kWh)l例如某个水电站一年中利用的水量是20亿m3，平均水头45m，它的年发电量为：E=20010745/450=200106=2亿(kWh),2水力资源的开发,2.1我国水力资源的开发我国水力资源十分丰富，水能资源理论蕴藏总量（未包括台湾省）6.76亿kW，居世界第一位。其中，长江流域占40%，西藏各河流约占21.5%，西南各国际河流约占16.7%，黄河流域占6%，珠江流域占5.2%，其它约占10.6%。在地区分布上，我国水力资源的72%集中在西南地区，其次是中南、西北、华东、东北，华北和内蒙最少。长江是我国第一条大河，流域面积约194万平方公里，全长约5200公里，全部落差约5600米，总蕴藏量约2亿多kW，年总水量超过1万亿m3。长江的水力资源大部集中在上游，即我国的西南地区，四川宜宾以上约占64%；宜宾以上坡度大，宜宾以下流量大。长江由四川流入湖北，经过了世界有名的特大型三峡水电站，其发电能力达1820万kW，装设26台70万kW水轮发电机组。,黄河的综合利用流域规划已在二十世纪五十年代编制完成。按照规划内容，除了黄河下游的严重水害将得到根本解决外，并将在黄河干流从青海龙羊峡以下到海口止共3670公里间建立46座水力枢纽，总发电容量可达2300万kW。其中刘家峡、盐锅峡、青铜峡、八盘峡、三门峡和龙羊峡等大型水电站都已建成，不仅供给西北地区各工业城市的用电，并可为黄河下游的灌溉和航运创造十分有利的条件。南方的珠江是我国的第三条大河。根据有关资料，珠江流域也有不少优越的水力发电地址，现正进行对全流域的有系统的勘测研究工作。,我国水力资源中技术上可开发的装机容量约3.78亿kW，相应年发电量1.923万亿kWh。但总开发率很低，东西部开发差异很大。全国平均开发率按2003年水电发电量计仅14.7%，约居世界第70多位，排在很多发展中国家如印度、巴西、埃及、越南、泰国等国家之后。当前我国西部地区的水电开发才刚刚开始，开发水平仅7.5%，开发潜力巨大。因此，21世纪水电要结合国家的西部大开发机遇，实施大规模西电东送的战略。,2.2我国水力资源开发的特点,（1）我国的一些大型水电站在地区分布上很有利，一般都处于人口稠密地区的附近，所以它的经济价值很高。如黄河的三门峡、刘家峡；长江的三峡、葛洲坝；四川的大渡河、岷江；浙江的新安江和东北的松花江等。同时我国水力资源的分布也恰巧弥补了我国煤矿分布上的缺陷，我国的西南、西北以及长江以南的地区缺少质好量大的煤矿，建设火电厂的条件较差，但是这些地区都有丰富的水力可以利用。,（2）我国许多水力资源都具有巨大的综合利用的作用。这些水力资源的开发，都能同时满足国家当前迫切的防洪、发电、灌溉、航运等要求。例如黄河的开发和治理，就要同时解决黄河的防洪、发电、灌溉、航运，水土保持等问题，这是河流综合利用的原则。我国长江三峡水电站显著的经济效益，也体现了这个原则：水库总库容393亿m3，其中221亿m3的防洪库容，能有效控制长江洪水；年发电量847亿kWh，辐射大半个中国，可使全国人均每年增加电量70kWh；万吨级船队可直达重庆，单向年通过能力将从目前的1000万吨增加到5000万吨，运输成本可降低35%；年发电量相当于燃烧5000万吨原煤的能量，可相应减少温室效应和酸雨，保护了环境。,（3）我国的许多水力地址，特别是目前选择并准备开发的一些水电站，大都有很好的自然条件。由于地形、地质、水文条件优越，因而工程量比较小，而发电量却比较大。例如原苏联古比雪夫水电站装机容量210万kW，混凝土量是700万m3，约每千瓦要用3.5m3的混凝土，此外还要大量的土方；而我国黄河上的若干水电站，每千瓦约只用1.5m3左右的混凝土。同时我国土建工程的造价与机电设备和金属材料采购金额相比，是比较低的；水电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，我国的气候条件也比较好，绝大部分地区可以一年四季施工。这些自然条件的优越，可以大大地缩短水电建设的周期。,总的来说，我国的水力资源是极为丰富的，而且具备许多优越条件，但结合我国的实际情况，在水电开发中需要特别注意两个问题：一是河流中的泥沙问题，二是水库建设涉及的移民问题。因为河流中挟带的泥沙，在最严重的情况下可以很快将水库淤满，如流入渠道会引起渠道淤塞，粗粒泥沙通过水轮机会引起转轮叶片的磨损。如果在平原河流上修建大型水库，就会造成一定的淹没损失，并需妥善地解决水库建设涉及的移民问题。这两个问题，我们在规划水电站开发时，必须慎重地加以考虑。,2.3世界水力资源的开发,全世界理论水力资源蕴藏量目前还没有一个准确的数字，有人估计大约60-70亿kW。据国际水力发电与大坝杂志1999年统计资料，按年发电量估算，世界理论水力资源蕴藏量为405，000亿kWh，技术可开发水力资源为143，200亿kWh。截止到1998年底，全世界水电总装机容量约为6.9亿kW，年发电量约为27610亿kWh，开发利用程度约为19.3%。世界上大多数发达国家，一般都优先发展水电，水电开发程度在60%以上的国家共有9个，分别是：法国（96.9%）、瑞士（84.9%）、墨西哥（69.9%）、奥地利（69.1%）、德国（68.9%）、美国（67.4%）、日本（66.6%）、挪威（64.5%）、意大利（63%）。发展中国家水电开发利用程度长期不高，但近二、三十年来，尤其是二十世纪80年代中期，一些国家水电开发速度大大加快，如巴西、巴拉圭、委内瑞拉、土耳其和中国等。目前世界上水电装机容量排在前5位的国家，分别是：美国（7540万kW）、中国（7297万kW）、加拿大（6567.8万kW）、巴西（5451.4万kW）、俄罗斯（4394万kW）。,目前各大洲水力资源开发情况表,地区理论水力技术可开发已开发资源水电开发资源水力资源装机年发电量程度（亿kWh）（亿kWh）（万kW）（亿kWh）（）亚洲203003.7267903.0722980.837841.0211.5非洲33242.0819235.192033.31637.273.3南美洲75026.0528899.5210543.945742.5919.9中北美洲64858.6216308.1815420.707496.9446.0欧洲24287.309731.8116738.985434.8055.8大洋洲4451.201156.141330.57429.8737.2合计404868.97143233.9169048.3327582.4919.3,从上表可以看出，世界水电开发程度以欧洲为最高，而非洲和亚洲较低。因此，对于非洲、亚洲和南美洲来说，今后开发水电的潜力还是很大的。世界上有许多国家，正是由于具有丰富的水力资源的优势，凭籍其大量廉价的水电而建立起发达经济的。例如北欧的挪威、瑞典，中欧的瑞士，北美的加拿大等国都是如此。挪威自称“能源之国”，技术可开发的水力资源为1780亿kWh，已开发1150亿kWh，主要用以发展铝、镁等有色金属冶炼，以及化肥、纸浆等能源密集型工业。目前挪威的平均电价在世界各国中为最低，人均用电量在世界各国中为最高，而其人均国民收入则居世界的前列，超过美国和日本。,3河流的综合利用和梯级开发,3.1河流的综合利用河流的综合利用是社会主义制度下开发水力资源的根本原则。也就是说，对国家水利资源的利用，必须从整个国民经济的利益出发，同时尽可能的满足各项水利事业的要求。我国许多河流的水力地址都具有巨大的综合利用的作用，不仅可以建设水电站发展电气化事业，而且可以同时采取各种水利措施，解决防洪、灌溉、航运（包括放木和筏运）、工业城市给水、渔业等问题。这样，我们就能充分地、合理地分配和利用水力资源，使各个经济部门都能得到应有的发展。,我们知道，各项水利事业的利益在某些方面是一致的，例如建立一个水利枢纽，可以发电，可以使上游的航运水深大大增加，也可以拦蓄洪水，造成灌溉及供水的有利条件。但是在某些方面它们之间的利益也可能发生矛盾。例如发电要求水库在汛期尽量多蓄水，以供枯水期使用，而防洪却要求水库在汛期内经常空出一定的容积，以备随时拦蓄洪水。在此情况下，我们就只能根据统筹兼顾的原则，妥善地解决防洪和发电蓄水的矛盾。必须指出，在各种不同的具体条件下，综合利用原则必须根据各项水利事业在当地的迫切和重要程度的不同，分别轻重缓急，加以不同的对待。例如我国永定河上的官厅水电站，是一个综合利用的水利枢纽。但是由于永定河洪水严重威胁着首都北京和重要工业城市天津及该地区其他城市和广大农村人民生命财产的安全，因此在综合利用规划中必须首先满足防洪的要求，其他各项水利事业的要求，在全面规划、统筹安排下，以期得到最大可能限度的满足。总的来说，河流综合利用的效益是巨大的。它们之间的要求虽然存在着一定的矛盾，但都可以在社会主义制度及综合利用的原则下得到统一解决。,3.2河流的梯级开发,河流的梯级开发，就是把河流象通常的阶梯那样分成很多级来开发。为什么要研究河流的梯级开发呢？我们在河流上建造一个水电站时，仅仅只利用了整个河流的一小段，在这一段的上下游还可建造一系列的水电站，也就是说，每个水电站仅是河流梯级开发中的一个梯级。,在流域规划中，根据综合利用原则和水文、地理、地质等自然情况进行河流的梯级开发，选定坝址，决定坝高，以获得一定的效益。例如在一个地形开阔、地质条件很差的河段，那就是基本上否定了建筑高坝的可能性。相反，如在岩石坚硬，地形陡峻的峡谷段，就要考虑建筑高坝或引水道式的高水头水电站。在研究河流的梯级开发时，还必须考虑到河流流量需要调节的程度，并选定几个关键性的调节水库。调节水库的位置很重要，如太偏上游，控制的面积就太小，流量不大，调节作用不显著；如位于下游，上游的一系列水电站就得不到调节的好处。所以，在比较大的河流，一般都有几个大水库分布在各河段上。象黄河干流的46个梯级开发中就有三个大水库，分布在三个河段上，中间并有一系列的中小型水库，互相配合，就可得到最大的拦洪和调节流量的效果。为此，需要做大量勘测、调研、论证和可行性研究工作。,在研究和选择河流的梯级开发时，一般要考虑以下几个因素：符合综合利用的原则，最大限度地满足各经济部门的要求。能得到最大的发电效益，也就是各梯级的总出力和总发电量应该是最大的。使全部梯级造成的总淹没损失最小。在梯级中能选出解决当前任务，适宜于提前开发的第一期工程。,第二章水电站布置方式及设备概述,1水电站建筑枢纽的组成无论发电、灌溉或任何一种水利事业，都需要修建水工建筑物，以控制和支配水流。不同用途的若干个水工建筑物组合在一起，便构成了水利枢纽。如果水利枢纽是以发电为主要目的，也可称为水电站建筑枢纽。,水电站建筑枢纽建筑物组成,水电站建筑枢纽有下列建筑物组成：（1）挡水建筑物其典型代表是各种类型的坝。它是枢纽中重要组成部分之一。主要功用是拦蓄水流，抬高水位，形成水库或便于引水建筑物的引水。（2）泄水建筑物其功用是渲泄水库中多余的水，保证水电站建筑枢纽中各建筑物的安全。各种类型的溢洪道、泄水孔、泄水隧洞等都属于这类建筑物。泄水建筑物可建于坝上或坝旁。,（3）引水建筑物其功用是将水引入水轮机及为了满足某些下游用水部门的要求，将水由挡水建筑物的上游引至其下游。渠道、水槽、水管、隧洞等都属于此类建筑物。（4）水电站厂房水电站的厂房是使水能转变为电能的主机设备和为此目的服务的附属设备的工作场所。装设水轮发电机组的场所为主厂房，装设附属设备、电力仪表及机检修工厂等的场所为副厂房。,（5）水电站开关站开关站是水电站接入电力系统的升压开关站。它和枢纽总布置、出线走廊、送电方向、出线回路数、出线电压等级及相关电器设备有关。按布置一般分为户内式和户外式。(6)其他建筑物为了其它目的，有时在水电站建筑枢纽中还筑有专门建筑物。如为航运目的而建的船闸、筏道、升船机等；为养鱼而建的鱼道、鱼闸等。自然条件是复杂的，因而每一个水电站枢纽都各有其特殊性。上述建筑物在不同的自然条件下可能采用不同型式。,2水电站的布置方式,如在一较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。当有天然瀑布时，水流能量的利用可大为简化，然而这样的条件十分罕见。一般要利用分布在一段长距离上的河川落差，这需要人工将落差集中。水电站可以按不同的集中落差方式，分成以下三种基本类型的布置方式。堤坝式水电站的布置方式引水式水电站的布置方式混合式水电站的布置方式,2.1堤坝式水电站的布置方式,在这种布置方式中，水头主要靠坝造成，如图2所示。为了利用A、B两点之间的落差，在B点筑一座坝，将水位抬高至A点。此时就形成可利用的水头H，H为水头损失。堤坝式水电站布置时，厂房可以位于坝轴线的一端、坝后或坝内。这种布置方式，不可避免地引起淹没。所以，利用堤坝所构成水头的大小，除了决定于筑坝的技术条件外，另一方面还取决于上游的地形条件及淹没面积的价值。如果淹没较大的居民区、，重要的工矿企业和交通要道等，有时虽然淹没面积不大，但仍是不经济的。堤坝式水电站枢纽布置见图3。,图2堤坝式水电站的布置图,图3堤坝式水电站枢纽布置图（图中：1拦河坝，2发电厂房3船闸）,堤坝式水电站由于在堤坝上游形成了水库，又可以利用水库中的存水进行水量调节。这种水电站适宜于平原河流，大多建筑在河道坡降小，而流量较大的河段上。,2.2引水式水电站的布置方式,引水式水电站的水头主要靠坡降很小的引水道造成。如图4所示，为了利用B点以下的集中落差，在B点筑一座坝，然后由坝的右岸用引水明渠（或隧洞）将水引至C点，再由C点经压力管道将水引入厂房内。很显然，这种布置方式是由明渠来造成水头的，坝的作用只是将水引入明渠中去，对增加水头不起显著作用。引水式水电站的布置方式，在坝的上游造成的淹没较小，但不能像堤坝式那样用水库来对河水进行调节。引水式水电站枢纽布置见图5。,图4引水式布置示意图,图5引水式水电站枢纽布置,引水式水电站适宜于山区河流，河道坡度较陡和流量较小的情况。由于这种水电站引用的流量不会太大，发电规模往往比堤坝式水电站要小，一般都属于中小型水电站。,2.3混合式水电站的布置方式,混合式水电站的布置方式如图6所示。这种布置方式具有堤坝式和引水式布置的优点。坝上游AB段的水头可由筑在B点的坝来集中，坝下游的集中水头可由引水渠道取得。同时这种布置方式可形成较大的水库来进行河流的水量调节。混合式布置方式最适合于上游坡降较小、下游有很大坡降的河流上。,图6混合式布置示意图,上述三种布置方式实际上是最常用的，同时也是最简单的。在复杂的自然条件下，为了充分利用能量，有时迫使采用更复杂的布置方式。但是引水渠道（或隧道）和坝在这些布置中仍是集中水头的主要建筑。,3水电站设备,水电站设备通常是指在机械和电气方面所必需具备的设备，主要包括水力机械设备、电气一次系统、电气二次系统、金属结构及一些辅助设施。3.1水力机械设备水力机械设备包括水轮机、水轮发电机、调速器、励磁装置和进水阀门，以及各种水泵、油泵、空气压缩机、起重设备、通风和采暖设备等。它的主体是水轮发电机组，其余都是围绕着主机正常运行、检修所需要的辅助设备。（1）水轮机是将水能转变为转动主轴的机械能。根据水电站的水头大小，可以设计安装混流式、轴流式、贯流式和水斗式等水轮机。（2）水轮发电机是将水轮机的机械能转化为电能，然后送入电力系统。由于水轮发电机通常是与水轮机同轴刚性连接，故整个机组的转速是一致的。,（3）调速器用于控制水轮机的转速，方法是：采用混流式水轮机时改变导叶的开度；采用轴流或贯流式水轮机时改变导叶和轮叶的开度；采用水斗式水轮机时改变针阀和折向器的开度。调速器包括油压装置、操作柜和输油管路等。（4）励磁装置用以向发电机提供磁场电流源。在正常情况下维持发电机电压水平，合理分配发电机的无功功率。事故时应进行强行励磁、强行减磁或灭磁，以提高电力系统的稳定性。（5）水轮机进水阀门多采用蝴蝶阀和球阀，一般安装在水轮机的分支压力管上。进水阀门的用途：在机组检修和长期停机时，关闭阀门以减少导叶缝隙漏水造成气蚀损坏；在导水机构因故障不能关闭时，关闭阀门以防止机组飞逸。,（6）水电站厂房内的起重机是主要起重设备，其起重量应根据机组的最重安装件（通常为发电机转子）的重量进行选定。有的厂房安装二台起重机，而在吊运转子和其他过重部件时由二台起重机联合作业。在安装过程中，除利用厂房内主起重机外，还应采用一些小型机械化起重运输工具。如在水轮机室内进行检修工作时往往需要安装沿环形轨道滑行的电葫芦，以保证水轮机室内全部范围内的起重作业。,3.2电气一次系统,电气一次系统是变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等设备通过母线、导线构成的整体。它的主要作用是发电、变电、灵活地汇集和分配电能，安全、经济地送电。电气一次系统与电力系统的稳定运行、绝缘配合、过电压和短路容量等均有密切关系，要求选用运行灵活、可靠的设备，其结构、性能、参数均能满足电力系统运行需要。同步水轮发电机的电压相对较低，一般为10.5kV至24kV。在这种情况下，由发电机输往变压器的输电电流必然很大，因此要求母线的断面相应增大。容量在10万kVA以下时可采用明式母线，容量更大时则采用封闭母线或特制电缆。鉴于母线造价很高，且其电能损失较大，故应力求使变压器靠近发电机，以缩短母线长度。由于SF6全封闭组合电器占地面积小，不受气候条件的影响，不产生无线电干扰、无静电感应问题，有良好的运行性能，因而有着广阔的发展前途。,3.3电气二次系统,电气二次系统包括由自动化元件、自动装置、继电器、仪表等组成的监测、控制和保护系统。它的主要作用是监视、控制电气一次系统的运行，保证电能质量，并在电气设备出现异常和故障时自动发出信号或切除故障，以缩小事故范围。此外，电气二次系统还包括保证水电站实现综合自动化所需的操作机构，如自动操作、自动保护、自动调整、自动检测和自动经济运行。电气二次系统的控制装置所用直流操作电源，由专门的变压器和备用蓄电池组供给。所有最重要的操作和控制机构均应接通中央控制室，从中央控制室实施电站机组的操纵。随着电力系统的发展和大容量水电站的建立，要求采用电子计算机，在基础自动化工作和自动化元件日臻完善的情况下，逐步实现全电站的综合自动化。现代化水电站的值班人员很少，甚至无人值班。,3.4金属结构,水电站的金属结构由拦污栅，工作闸门、检修闸门和压力输水管道等组成。它的主要作用是满足水工建筑物运行的需要，并保证在任何工作水位下供给电站必需的水量。水电站进水口上的拦污栅，用以阻拦污物进入输水管道，以防护水轮机、阀门、管道不受损坏。工作闸门多采用固定式启闭机，每扇闸门一套。检修闸门多采用活动式启闭机操作，门体平时存放于门库。几个孔口可共用一套检修闸门。压力输水管道多采用焊接压力钢管，它适用的水头范围很广，可由几十米至一千多米。,3.5辅助设施,为了使水电站正常、安全、经济运行，水电站还需配置技术供水系统、压缩空气系统、压力油系统、水轮机过流部件的排水系统、水力测量监视系统、通风和空气调节系统、采暖系统、通信系统以及机械修配设备等辅助设施。（1）技术供水系统用于向机组部件和热交换器（冷却器）及保证机组正常运行所必需的其他设备供水。它包括水轮机导轴承的水密封装置、水轮发电机空气冷却器、推力轴承、导轴承及变压器的油冷却器。技术供水系统的运转安全程度，决定着水电站的运行可靠性，因而往往需考虑主用和备用水源。主用水源一般可由压力水管或下游取水，当水头高时，自流供水；水头低时，以水泵供水。技术供水系统除所要求的流量和压力外，还应保证水质足够清洁。为此，应设置专门的滤水器，其滤网必须定期清污。,（2）压缩空气系统保证水电站水力机械设备和电气设备所需的压缩空气。在一般情况下，水电站均配置两套压缩空气系统：7kg/cm2的低压系统，主要用于机组制动闸、机组调相时压水、风动工具和吹扫及蝴蝶阀围带充气等；25kg/cm2的高压系统，主要用于调速器油压装置充气、空气断路器操作和灭弧用气等。压缩空气系统由空气压缩机、贮气罐和耐压风管组成。空气压缩机的数量一般不少于两台，其中一台备用。（3）压力油系统由贮油设备、油处理设备和管网组成。用以接受新油、贮存净油、向设备注油、运行油的贮存和监护、新油和劣质油处理、废油的收集、再生、贮存和发运。水电站用油以汽轮机油和变压器油用量最大。油系统内汽轮机油和绝缘油的贮油罐和油处理设备必须分开设置。绝缘油库一般布置在主厂房外，靠近主变压器或开关站。汽轮机油库可布置在电站厂房内，需有消防和防潮措施。,（4）排水系统用于机组检修时，需排除在压力水管、蜗壳、尾水管内的积水。该系统包括：排水管道及所附闭锁机构、排水廊道、集水井和水泵机组。计算水泵机组向下游排放积水的能力，以不超过48小时为限。此外，还应设计集流排水设施，以便排除室内的漏水和渗水。（5）为了安装、检修机组和其他设备，在设计水电站时应考虑配置机械修配设备，其品种、数量按电站装机容量、台数、水轮机直径等因素确定。一般，配置机械修配设备有以下几点基本要求：应能满足机组和其他设备易损零部件的修配。电站交通方便，据城市较近或附有协作厂时，设备可酌情减少。同一或相邻河流上有几个邻近的水电站时，应在其中一个设置梯级中心修配厂。,（6）为使电站安全，经济运行和收集科研资料，电站设有水力测量监视系统。一般测量项目有：全站测量：上、下游水位，电站毛水头，冰凌信号，水库水温测量。机组测量：拦污栅前后水位差及堵塞信号、钢管爆破保护、水轮机流量、净水头测量，水轮机流道的压力、气蚀测量等。试验性测量：在个别机组，装设专用测量管道，以测量机组效率等,（7）水电站厂房的通风、空气调节与采暖系统，是保证机电设备安全运行与保护运行检修人员身体健康的必要措施。一般应按有关设计标准、规范要求，并结合水电站厂房的特点进行合理的设计。如水电站厂房发电机层余热量较大，应以降温为主；水轮机层及以下各层湿度较大，应以去湿为主。中央控制室应采用比主厂房标准高的通风设施。（8）通信系统是保证水电站安全运行、生产管理和经济调度的重要手段，主要包括厂内通信和系统通信。厂内通信包括生产调度和生产管理通信，系统通信用于对外通信及防汛通信等，一般由电力线载波、架空地线载波和微波中继通信等几种方式构成。,第三章水轮发电机组及其选择,1水轮机1.1水轮机类型由于水流对水轮机转轮的水力作用不同，水轮机可分成反击式和冲击式两大类型。1.1.1反击式水轮机反击式水轮机主要是利用水流的压力能（位能）来做功。在水流流入水轮机转轮叶片流道前，流速较小，压力较大；水流流处叶片流道后，流速较大，压力较小。这样使转轮叶片的正背面形成了压力差，构成转动力矩的条件，促进转轮转动。由于水流进入转轮的方向不同，反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式（如图1）。,图1反击式水轮机示意图,1）混流式水轮机其水流是从水平方向（径向）流进转轮，经过叶片，转为垂直方向（轴向）流出。这种型式水轮机在1849年由美国人法兰西斯研究成功，国外常称为Francis式。混流式水轮机应用普遍，运行稳定，效率较高，多用于中水头和中等流量的水电站，一般适用净水头30-700m。2）轴流式水轮机其水流是从垂直方向（轴向）进入转轮，经过叶片，仍从垂直方向流出。这种型式水轮机在1912年由捷克人卡普兰首次采用定桨式水轮机，1916年卡普兰研制成功转桨式水轮机，所以在国外也称为Kaplan式。轴流式水轮机过水能力大，适用于大流量、低水头水电站，一般适用净水头30-80m。,3）斜流式水轮机其水流是与水平方向成一定角度流入转轮，经叶片后再以垂直方向流出。这种水轮机在1952年由当时在英国电力公司工作的瑞士人代里阿兹研制成功的，国外也称为Deriaz式。斜流式水轮机适用净水头在40-120m。4）贯流式水轮机其水流由水平方向流入转轮，经过叶片后仍由水平方向流出。这种型式水轮机过流量大，效率较高，水力损失小，但对密封、绝缘要求高，一般适用净水头小于20m。,1.1.2冲击式水轮机,冲击式水轮机是利用水流的动能来做功的。水流从喷嘴射出，形成一股呈水柱状的高速射流，冲击转轮使之转动。它不需要尾水管、蜗壳和复杂的导水机构，因此结构比较简单，操作维护方便。根据水流喷射条件和转轮结构的不同，冲击式水轮机可分为水斗式、斜击式和双击式三种型式（如图2）。,图2冲击式水轮机示意图,1）水斗式水轮机其高速水流垂直喷射在转轮的斗叶上，推动转轮旋转后水流跌落入尾水渠中。尾水渠的水面为大气压力。这种型式的水轮机在1880年由美国人贝尔登研制成功，国外也称Pelton式。水斗式水轮机多用于小流量、高水头的水电站，适用净水头300-1700m。2）斜击式水轮机其高速水流斜向喷射在转轮上。水流从斗叶一侧进入，由另一侧流出。斜击式和水斗式主要区别是射流的角度不同。水斗式的喷嘴与转轮是在同一平面上，而斜击式的喷嘴与转轮的回转平面形成一个角度，一般为22.5度。斜击式水轮机过流能力比水斗式大，适用净水头20-300m。,3）双击式水轮机其高速水流喷射在转轮的上部叶片，进行第一次射击，水流经过上部叶片流向中心再流入转轮下部叶片，对下部叶片进行第二次射击，故称为双击式。这种型式水轮机效率较低，但结构简单，一般用于小型水电站，适用净水头5-100m。,1.2水轮机基本工作参数,水轮机基本工作参数是表明水轮机对水流能量利用的特性值，包括7个有因次量：出力N(kW)、流量Q(m3/s)、水头H(m)、额定转速n(r/min)、飞逸转速np(r/min)、转轮名义直径D1(m)和允许吸出高度hs(m)。2个无因次量：水轮机效率和气蚀系数。,1）出力水轮机出力是水轮机轴上向外输出的机械功率，用N表示，一般采用单位为kW，可由下式求得：NQH/102=9.81QH(kW)式中水轮机效率2）流量单位时间内通过水轮机的水流体积，称为水轮机流量，用Q表示，一般采用单位为m3/s。水轮机在设计水头时达到额定出力所需流量称为设计流量。,3）水头水电站上游水位与下游水位之差，称毛水头。水电站毛水头减去自上游至水轮机蜗壳入口处管道内的水头损失，称净水头，一般采用单位为m。根据电站自然条件不同，水轮机工作净水头在一定范围内变化，有的水电站最大与最小净水头变幅可达2倍或更大。设计水轮机时，一般给定最大净水头、最小净水头和设计净水头。设计净水头是水轮机达到额定出力时最小净水头。在个别情况下，设计水轮机时还给出加权平均净水头（表示长时间出现的净水头）和初期运行净水头（水库还未蓄满水时，水轮机初期运行的净水头）。,4）转轮名义直径,水轮机的几何尺寸是以转轮的名义直径（D1）为表征的，一般采用单位为m。我国水轮机制造厂所采用的转轮名义直径D1，如图3表示。,5）额定转速额定转速是水轮机轴每分钟旋转的次数，用n表示,一般采用单位为转/分。6）飞逸转速当甩去全负荷,水轮机轴输出功率为零，导水机构不关闭，水流通过转轮产生的最大转速称为飞逸转速。7）效率水轮机效率等于水轮机轴上的出力与进入水轮机的水流出力之比。由于水轮机工作过程中产生能量消耗，效率恒小于1.0。8）气蚀系数水轮机的汽蚀性能用气蚀系数表示，它是转轮叶片动力真空与工作水头的比值。水轮机气蚀系数在实验室由模型试验确定，由水轮机模型综合特性曲线上查取。,（9）允许吸出高度反击式水轮机在转轮叶片背面接近出口的区域会发生气蚀，因为在此位置压力最低。为避免叶片气蚀的发生，可通过选择适宜的吸出高度来控制该区域的真空值。允许吸出高度hs是水轮机转轮叶片压力最低点与下游水位间的高度差，计算公式如下：hs10.0/900KHr(m)式中水轮机装置高程（m）气蚀系数，从水轮机模型综合特性曲线上查取。k气蚀修正系数，一般取1.21.5。在工程实践中，通常将各型式水轮机的标高统一定在水轮机的中心线。因此，实际吸出高度Hs=hs下游水位至转轮叶片旋转轴线的距离。采用这种起算点计算水轮机允许吸出高度，还有一定的安全裕度。,1.3水轮机单位参数与比转速,1.3.1水轮机单位参数水轮机运行工况和水流运动情况复杂。目前，水轮机设计以理论计算为基础，通过试验研究予以验证和补充。在试验中，要使模型水轮机和原型水轮机呈几何相似、运动相似和动力相似。为便于比较，可将各种水轮机各种工况的基本工作参数换算成水轮机转轮名义直径为1m、工作水头为1m的参数，这些参数称为单位参数。计算公式如下：,单位转速n1=nD1/H(r/min)单位流量Q1=Q/D12H(m/s)单位功率N1=N/D12H3(kW),单位参数由模型试验求出。几何相似、尺寸不同的水轮机构成系列，同系列水轮机在相似工况下工作时单位参数相同。为反映系列水轮机参数的相互关系，分别以单位转速n1和单位流量Q1为纵横坐标，绘制成水轮机模型综合特性曲线图。图4为混流式水轮机模型综合特性曲线。,图4混流式水轮机模型综合特性曲线,该图表示不同工况的模型水轮机效率、气蚀系数、导叶开度。和水轮机5的出力限制线。轴流式和斜流式水轮机还表示出转轮叶片开度0。近年来，随着大容量、大尺寸水轮机的迅速发展，为保证水轮机的稳定运行，要求测定模型转轮出口尾水管的压力脉动值H/H，并要求此值小于10。,1.3.2水轮机比转速,水轮机在1m水头下，发出1HP的功率时所具有的转速，即为水轮机的比转速，用ns表示，此时单位为r/min。比转速与运转时的水轮机转速、水头和出力有关，当水头不是1m，出力不是1HP时，其比转速的单位将变成mHP。由相似律的关系可以得出下列两个公式：nNhpnNhpns=(mHP)或ns=0.857(mkW)H4HH4H将上述表达式作变换，可导出用单位参数表示比转速的关系式：ns=3.65n1(Q1)(mHP)或ns=3.13n1(Q1)(mkW)由上述公式看出，ns为单位转速n1和单位流量Q1的函数.,对于几何相似的水轮机,在相似工况下的比转速ns是相等的。通常以下列两种工况的ns来表征某一系列的水轮机：设计水头和额定转速与额定出力相对应工况点的比转速，称为设计比转速。最优效率对应的最优工况下的比转速，称为最优比转速。现代水轮机的设计比转速范围：轴流式水轮机ns=200850（mkW）混流式水轮机ns=50300（mkW）水斗式水轮机（单喷嘴）ns=1035（mkW）,在一定水头下，提高反击式水轮机的比转速，可以缩小水轮机尺寸，提高发电机转速，从而减轻机组重量，提高经济性。但比转速的提高，受到水轮机气蚀强度以及稳定性的限制。提高水斗式水轮机的比转速，在于增加喷嘴数目。目前水斗式水轮机喷嘴数最多为6个。我国水轮机型谱推荐的设计转速与水头的关系为：2300轴流式水轮机ns=（mkW）H2000混流式水轮机ns=20（mkW）H,1.4水轮机选择,1.4.1水轮机基本参数选择的原始资料选择水轮机基本参数的原始资料包括：（1）现场资料a)水电站主要水工建筑物（水库、进水口、引水道、厂房等）的标高及位置，并标明地质条件。b)厂房布置型式，引水方式和引水管长度、直径及材质。c)水电站综合利用特征、运行条件（如调峰、调相、调频运行要求等）和允许最大挖深值。d)极限气温、湿度、发生过的强风暴及地震等。e)在极限温度下的水质分析和泥沙的浓度、成分及硬度等。f)各类运输或道路限制。,2）水文资料a)流量与时间变化的曲线，并表明限制流量。b)设计流量及年利用小时。c)上游和下游的的极限水位。d)上下游水位与流量的关系曲线。e)水头变化范围（最大、设计、最小和加权平均净水头）。f)水电站装机容量和建议机组台数。以上这些原始资料，一般都由业主委托勘测设计单位提供。,1.4.2机组容量和台数选择在水电站装机容量确定的前提下，机组容量和台数的选择，需考虑水电站枢纽布置、电力系统的运行要求、设备制造和运输条件，以及水电站运行管理和造价等因素，通过技术经济比较确定。机组容量应与电力系统负荷及其增长速度相适应，在保证电力系统运行安全灵活的条件下，采用单机容量较大，机组台数较少的方案，则机组效率高，并可简化水电站枢纽布置，有利于加快施工进度和节约水电站总投资，但一般不少于两台。,1.4.3型式选择按水电站水头，参照水轮机类型选择水轮机型式。在某些水头段，可选用两种型式水轮机时，需通过技术经济比较确定。在相同水头下，各种类型水轮机相互比较时，有以下特点：混流式与水斗式相比，前者最优效率高，比转速高，容量相同时尺寸小、转速高、重量轻，厂房面积小。但开挖较深，部分负荷时效率较低，结构复杂。斜流式或轴流式与混流式相比，前者平均效率高，适应水头和负荷变幅较大，单位转速高，可节约发电机材料，但结构工艺复杂，气蚀系数大，要求开挖较深。贯流式与轴流式相比，前者由于流道通顺，过流能力大，效率较高，比转速也高，但适用水头低。目前，各型式水轮机都在不断改进，分别向适应更高水头进展，并为降低机组造价而努力。,1.4.4参数计算,1）反击式水轮机根据转轮特性参数和模型水轮机综合特性曲线，可按以下公式计算水轮机基本工作参数。Nt=Ng/g(kW)NtD1=（m）9.81Q1HrHrtn1Hrn=（r/min）D1Qr=D12HrQ1(m3/s)hs10kHr（m）900,式中：Nt水轮机额定功率（kW）Ng发电机额定功率（kW）g发电机额定效率（通常在0.960.98范围内，大功率取大值）D1转轮名义直径（m）Hr设计净水头（m）t水轮机额定效率n水轮机额定转速（r/min）Qr水轮机在设计水头，发出额定功率时的流量(m3/s)hs允许吸出高度(m)气蚀系数k气蚀修正系数水轮机装置高程(m),例：土耳其卡拉乔伦水电站装机容量223600kW，设计水头101.95m，水轮机装置高程77.3m。试求利用上述计算公式选择水轮机型号、转轮直径、转速、流量及允许吸出高度。,根据设计水头可采用混流式水轮机HL160型，由该转轮综合特性曲线上查出单位流量Q1=0.84m3/s，单位转速n1=67r/min，模型效率m0.88，气蚀系数0.08。在初步计算中，取tm，取k=1.5，g=0.973，水轮机额定功率Nt=23600/0.973=24255kW2425524255转轮直径D1=1.8m9.81101.95101.950.840.887464.6967101.95转速n=375.83,取发电机相近的同期转速375r/min1.8额定流量Qr=1.82101.950.84=27.48m3/s允许吸出高度hs1077.3/9001.50.08101.95=-2.23m,因此取-2.5m。水轮机型号HL160LJ180,（2）水斗式水轮机,按以下公式计算水轮机基本工作参数NtQr=(m3/s)9.81HrtQrd0=0.545(m)Z0HrD1=K0d0(m)，K01018，水头高时取大值。n1Hrn=(r/min)，D1通常n1为39r/min,式中Nt水轮机额定功率（kW）Hr设计净水头（m）t水轮机额定效率Qr水轮机在设计水头，发出额定功率时的流量(m3/s)D1转轮节圆直径(m)d0射流直径(m)z0喷嘴数n水轮机额定转速(r/min),例：厄瓜多尔奥卡那水电站设计净水头373m，装机容量26000kW，安装2台13000kW立轴水斗式水轮机。试求利用上述计算公式选择水轮机流量、射流直径、转轮直径和转速（拉美系统频率60HZ）。,根据设计水头可采用水斗式水轮机CJA237型，由其转轮特性曲线上查得：单位转速N139r/min，模型效率m0.9，在初步计算中，取g=0.97,t=m0.9，Z0=4，K0=12水轮机额定功率Nt=13000/0.97=13402kW13402额定流量Qr=4.07m3/s9.813730.94.07射流直径d0=0.545=0.124m取0.125m(12.5cm)4373转轮节圆直径D1=120.125=1.5m(150cm),39373转速n=502.14r/min,取发电机相近的1.5同期转速514.3r/min水轮机型号：CJA237L150/412.5,1.4.5水轮机参数选择,1)反击式水轮机参数选择单位流量Q1混流式水轮机应选用相应于设计水头的单位转速n1与5%出力限制线相交点处的单位流量Q1。若因基础开挖所限或建在多泥沙河流上时,为了减少水轮机磨损，或电站长期在电力系统承担基荷运行，可考虑选取小于5出力限制线上的单位流量Q1值。但应大于最优效率的单位流量Q10值。轴流式水轮机综合特性曲线图中未表示出力限制线。理论上，机组最大功率受单位流量和效率乘积（Q1）最大值限制。实际采用时，按允许的吸出高度hs(相应的气蚀系数)、平均效率等因素选定。偏离最优工况较大时，效率低、振动大，一般不超过推荐使用最大单位流量Q1max值。,导叶开度按水轮机最大流量的相应开度，并留有5裕度选取。水库调节性能差的水电站，在洪水期，水头大于设计水头时，为了多发电，发电机可提高功率因素运行。低水头电站，汛期弃水量大，下游水位抬高，水头显著降低，为增大小于设计水头时水轮机功率，均需考虑增大导叶开度。单位转速n1单位转速n1按最优工况n10或稍高于最优工况的n10选取。计算出的转速应取接近的同期转速，若介乎两同期转速之间，应比较机组重量、造价、效率，经分析后确定。需分期开发和提前发电的电站，如前期或施工期长，应选用偏低的转速。,水轮机装置高程水轮机装置高程按下式计算: