能源科学导论3-4VIP

第三章常规能源,煤炭石油天然气水能二次能源,第四节,水能,一、水能资源水能是自然界广泛存在的一次能源。它可以通过水电厂方便地转换为优质的二次能源电能。所以通常所说的“水电”既是被广泛利用的常规能源，又是可再生能源。而且水力发电对环境无污染，因此水能是世界上众多能源中永不枯竭的优质能源。,水能利用是水资源综合利用的重要环节。水资源的利用（即通常所说的水利开发）就是要充分合理地利用江河水域的地上和地下水源，以获得最高的综合效益。,水能利用是一项系统工程，其任务是根据国民经济发展的需要和水资源条件，在河流规划和电力系统规划的基础上，拟定出最优的水资源利用方案。,三峡枢纽世界之最,1）世界防洪效益最为显著的水利工程。三峡水库总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力。2）世界上最大的水电站。三峡电站总装机容量1820万千瓦，年发电量846.8亿万千瓦时。,3）世界上建筑规模最大的水利工程。三峡大坝轴线长2309.74m，装有26台70万千瓦的水轮发电机组，双线5级船闸加升船机，无论单项、总体都是世界建筑规模最大的水利工程。,4）世界上工程量最大的水利工程。主体建筑土石方挖填量为1.34亿立方米，混凝土浇筑量2794万立方米，钢筋46.30万吨，金结25.65万吨。5）世界上施工难度最大的水利工程。2000年混凝土浇筑量为548.71万立方米，月浇筑量为55万立方米，创造了混凝土浇筑量的世界记录。,6）施工期流量最大水利工程。三峡工程截流流量为9010立方米/秒，施工导流最大洪峰流量达79000米/秒。7）世界泄洪能力最大的泄洪闸。三峡工程泄洪闸最大泄洪能力为10.25万立方米/秒。,8）世界级数最多、总水头最高的内河船闸。三峡工程双线5级船闸，总水头113m。9）世界上规模最大、难度最高的升船机。升船机有效尺寸为120183.5m，最大升程113m，船箱带水中量达11800吨，过船吨位3000吨。,10）世界上水库移民最多、工作最为艰巨的移民建设工程。三峡水库移民最终可达113万。,三峡工程的静态概算（1993年5月价格水平）为900.9亿元。预计到工程完工动态投资可控制在1800个亿元。比初期预测的2039亿少用200个亿。,三峡工程,三峡工程二期大坝全景,三峡工程导流明渠截流开始,世界水能资源最新数字,我国土地辽阔，河流众多，径流丰沛，落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源。据估计，我国河流水能资源的理论蕴藏量为6.76亿千瓦，年发电量为59200亿千瓦时，不论是水能资源的理论蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。,据估计,单机装机容量500kw及以上的可开发的水电站共11000余座,总装机容量可达37853万kw.按照目前统计，我国水能资源的可开发率，即可开发的水能资源的年发电量占水能资源的理论蕴藏量年电能之比为32%。,我国按地区可能开发的水能资源,我国水能资源,我国水资源分布,全国主要河流可开发水能资源表,（最新统计）,我国近期的水能开发目标到2010年，水电装机容量达1.5亿kW，使水电比重由现在的23.5提高到30。,随着华能小湾水电站4号机组的投产，我国水电装机已突破2亿千瓦，位居世界第一。水电比重提高到了35%左右。,发展目标：2020年水电装机需要实现3.5亿千瓦。,作为国家西电东送战略的标志性工程之一，华能小湾水电站被称作“除三峡水电站外全国最大”的在建世界级水电站。2001年，华能小湾电站建设正式动工；2009年9月25日，首台70万千瓦机组将正式投产发电。发出“首度电”。华能小湾电站全部投产后每年保证发出的约190亿千瓦时电量中，有一半“西电东送”到广东，另一半供给云南省内。总投资将超过300亿元。,二、水力资源的开发方式和水电站的基本类型水力资源的开发方式是按照集中落差而选定，大致有三种基本方式：即堤坝式、引水式和混合式等。但这三种开发方式还要各适用一定的河段自然条件。按不同的开发方式修建起来的水电站，其枢纽布置、建筑物组成等也截然不同，故水电站也随之而分为堤坝式、引水式和混合式三种基本类型。,三、水库径流调节利用水库控制和调节径流，在时间上进行重新分配，借以满足各用水部门的需要，提高水量的利用率。洪水调节径流调节,日调节：是指一昼夜内进行的径流重新分配，即调节周期为24小时。周调节：调节周期为一周(7天)。年调节：对径流在一年内重新分配，当汛期洪水到来发生弃水，仅能存蓄洪水期部分多余水量的径流调节，称不完全年调节(或季调节)；能将年内来水完全按用水要求重新分配，又不需要弃水的径流调节称完全年调节。,多年调节：当水库容积足够大的可把多年期间的多余水量存在水库中，然后以丰补欠，分配在若干枯水年才用的年调节，称多年调节。,四、水力发电1.水电站的基本类型水电站是水能利用中的主要设施。由于河道地形、地质、水文等条件不同，水电站集中落差、调节流量、引水发电的情况也不相同，按集中河道落差的方式水电站可以分为堤坝式水电站、引水式水电站、混合式水电站和抽水蓄能水电站等四种基本类型。,堤坝式水电站是在河道上修筑拦河大坝，抬高上游水位，以集中落差，并形成水库调节流量，然后建电厂。根据坝基地形、地质条件的差别，坝和电厂相对布置位置也不同，因此堤坝式水电厂又可分为河床式和坝后式两种基本型式。,河床式多建在平原地区河床中下游、河床纵向坡度比较平坦的河段上。因受地形限制，为避免淹没面积过多，只能修筑不高的拦河坝。由于水头不高，电厂的厂房可以直接和大坝并排建在河床中。厂房本身的重量足以承受上游的水压力。在这种电厂中，引用的流量均较大，多选用大直径、低转速的轴流式水轮发电机组。它是一种低水头、大流量的水电站，葛洲坝水电站就是我国目前最大的河床式水电站。,坝后式多建在河流中、上游的峡谷中。由于淹没相对较小，坝可以建得较高，以获得较大的水头。此时上游水压力大厂房重量不足以承受水压，因此不得不将厂房与大坝分开，将电厂移到坝后，让大坝来承受上游的水压。坝后式水电站不仅能获得高水头，而且能在坝前形成可调节的天然水库，有利于发挥防洪、灌溉、发电、水产等几方面的效益，因此是我国目前采用最多的一种厂房布置方式。,长江三峡水利枢纽工程采用坝后式，分设左岸及右岸厂房，分别安装l4台及l2台水轮发电机组。水轮机为混流式，单机容量均为70万kW。,引水式水电站是在地势险峻、水流湍急的河流中上游，或坡度较陡的河段上，采用人工修建引水建筑物（如明渠、隧道、管道等），引水以集中落差发电。这种水电站就称之为引水式水电站。,电站的装机容量主要取决于水头和流量的大小。山区河流的特点是流量不大，但天然河道的落差一般较大，这样，发电水头可通过修造引水明渠或引水隧洞来取得，适合于修建引水式水电站。世界上已建成的引水式水电站，最大水头达1767m（奥地利赖瑟克山水电站）；引水道最长的达39km（挪威考伯尔夫水电站）。中国已建成的引水式水电站，最大水头为629m（云南以礼河第三级盐水沟水电站）；引水隧洞最长的为8601m（四川渔子溪一级水电站）。,混合式水电站的水头是由筑坝和引水道共同形成。它多建在上游地势平坦宜于筑坝，形成水库，而下游坡度又较陡或有较大河湾的地方。鲁布格水电站（装机60万千瓦，水头372m）就是目前我国最大的混合式水电站。,抽水蓄能式水电站则是一种特殊的水电站，它是利用电力系统负荷低谷时的剩余电能，把水从下池（库）由抽水蓄能机组抽到上池（库）中，以位能形式储存起来，当系统负荷超出总的可发电容量时，将存水用于发电，供电力系统调峰之用。,世界最大的抽水蓄能电站,2000年3月14日，广东省广州抽水蓄能电站8号机组移交生产，标志着该电站的建设已全面完成，成为世界上最大的抽水蓄能电站。总装机容量240万千瓦的广蓄电站，一期工程总投资约27亿元，二期工程总投资近30亿元。,广州抽水蓄能电站,我国已查明抽水蓄能水电站站址247座，规模约3.1亿kW。截至2001年6月，我国已在9个省、市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约570万kW，占全国装机容量的1.8%.因此根据我国电力工业飞速发展的需要，在电网中配备一批大、中、小型抽水蓄能电站是十分必要的。,2.水力发电的特点1）水力发电的发电量易受河流的天然径流量的影响。这是因为河流的天然径流量在年内和年际间常有较大的变化，水库的调节能力常不足以补偿天然水量对水力发电的影响。因此水电站在丰水年发电多，在枯水年发电少。这种发电量受自然条件的制约是水力发电的最重要的特点。为了克服水力发电出力的变化，电网中必须有一定数量的火电厂与之配套。,2）电站在运行中不消耗燃料，天然经流量多时，发电量多。但运行费用并不因此增加。此外水电站厂用电少。根据这一特点，对电网而言，应让水电机组在丰水期多发电，以节约火力发电煤耗，提高电网的经济性。,3）水电机组启停方便，机组从静止状态到满负荷运行仅需几分钟。因此宜在电网中担负调峰、调频、调相任务，并作为事故备用电源。4）水电站主要动力设备简单，辅机数量少，易于实现自动化。因此运行和管理人员少，运行成本低。5）电站因不消耗燃料，没有有害气体、粉尘和废渣排放。,3.水工建筑物水能利用中的水工建筑物包括拦河坝，泄水、进水、输水建筑物，发电厂房和过坝设施等。拦河坝是堤坝式水电站的主要水工建筑物。,坝的种类和形式很多按建筑材料可分为：混凝土坝、土石坝按坝顶可否泄洪分为：溢流坝、非溢流坝按坝轴线形状分为：直线形坝、拱坝按坝体静作用的情况分为：重力坝、拱坝,重力拱坝。,黄河小浪水利枢纽工程拦河大坝为粘土斜心墙堆石坝。最大坝高154m、坝顶长度为l667m、坝顶宽度l5m，坝底最大宽度864m。,大多数大中型水电站都是采用混凝土坝。混凝土坝的优点是结构简单，施工容易，耐久性好，便于设置泄水建筑物。但体积大，水泥用量多，施工温度控制要求高，施工期长。,泄水建筑物的功能是：当水库容纳不下汛期洪水时，使多余的水量从泄水建筑物排走；非常时期用于放空水库或降低水库水位以清理和维护水下建筑物；用于某些特殊用途，如冲沙、排放漂木、排冰等。,进水建筑物主要是指进水口处的拦污栅和闸门。拦污栅的作用是阻拦污物进入输水道，以防水轮机、阀门、管道受损或堵死。水电站的闸门有工作闸门和检修闸门。进水口工作闸门在平压状态下开启，在动水中关闭，它们都由启闭机控制。,输水建筑有明渠、渡槽、隧洞，还有联结压力引水道与高压管道之间的调压井，以及连结尾水管出口与下游河道的尾水建筑物。,发电厂房的型式取决于水电站的机组参数（水头、流量、装机容量、机组台数、机型等）和自然条件（水文、气象、地形、地质）常见的厂房型式有岸边式、河床式、坝下式、地下式、坝内式等。,岸边式是发电厂房位于河道的岸边，发电用水用隧洞和管道自水库引来，发电以后水流回到下游河道中去。河床式是将厂房建于河床上，厂房本身作为整个壅水建筑物的一部分。坝下式是最常见的一种布置型式，引水钢管自坝体内穿出，发电厂房紧靠挡水重力坝后面。地下式是将厂房全部或部分布置在地下，适于在山区峡谷河流上修建。坝内式的厂房布置在挡水坝（或溢流坝）体的空腔内，不占据河床前沿长度，特别适合流量大、河床窄的水电枢纽。,广东飞来峡水利枢纽工程厂房类型为河床式，安装4台单机容量为3.5万kW的灯泡贯流式机组，该机组的转轮直径和单机容量为全国之首。,水电站的拦河建筑物截断了天然河道，使上游水位高于下游水位，给航运和鱼类溯游带来困难，为此需设置船闸、过木设施和鱼道等过坝设施。船闸由上、下游闸门、闸室、导航墙等组成。船只进入闸室以后，关闭上、下游闸门，开动输水孔阀门使闸室水位与上游（或下游）水位持平，打开闸门，船只即可驶出。鱼道是拦河坝上专门为鱼类通过而设的建筑物。进、出口都有灯光诱鱼装置，鱼类进入鱼梯内，通过道板蜿蜒而行。,4.水轮机水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的势能变成机械能，又变成电能的转换过程。,水轮机是将水能转换成机械能的水力原动机，主要用于带动发电机发电，是水电站厂房中主要的动力设备。通常将它与发电机一起统称为水轮发电机组。水流的能量包括动能和势能，而势能又包括位置势能和压力势能。根据水轮机利用水流能量的不同，可将水轮机分为两大类，即单纯利用水流动能的冲击式水轮机和同时利用动能和势能的反击式水轮机。,HydroelectricGenerators,KaplanTurbine,Computersimulationofflowthroughturbine,冲击式水轮机主要由喷嘴和转轮组成。来自压力钢管的高压水流通过喷嘴变为极具动能的自由射流。它冲击转轮叶片，将动能传给转轮而使转轮旋转。按射流冲击转轮方式的不同，又可分为水斗式、斜击式和双击式三种。后两种形式结构简单，易于制造，但效率低，多用于小水电站中。水斗式水轮机是目前应用最广的一种冲击式水轮机，其结构特点是在转轮周向布置有许多勺形水斗。这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，其应用水头范围大多在4001000m。,反击式水轮机的转轮是由若干具有空间曲面形状的刚性叶片组成。当压力水流过转轮时，弯曲叶片迫使水流改变流动方向和流速，水流的动能和势能则给叶片以反作用力，迫使转轮转动作功。按转轮区的水流相对于水轮机主轴方位的不同，反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。,混流式水轮机是一种广泛应用的反击式水轮机。水流沿辐向从四周进入转轮，而后沿轴向流出。它的结构简单，运行稳定，效率高，其水头适用范围为2670m。,混流式水轮机,混流式水轮机,轴流式水轮机是另一种采用较多的反击式水轮机，其特点是水流从转轮的轴向进和出。根据转轮的特点，轴流式水轮机又可分为转桨式和定桨式两种。定桨式水轮机运行时叶片是固定不动的，其结构简单，但水头和流量变化时其效率相差较大，不适宜于水头和负荷变化较大的水电站，多用于负荷变化不大，流量和水头比较固定的小水电站。水头适用范围为350m。转桨式水轮机在运行时叶片可以转动，故能适应负荷的变化，且平均效率比混流式水轮机高，适用水头范围为288m。它多用在低水头和负荷变化大的水电站。我国葛洲坝水电站的12.5万千瓦和17万千瓦的机组就是采用这种水轮机。,适用于低水头水电站的另一类反击式水轮机是贯流式水轮机。当轴流式水轮机主轴水平或倾斜放置，且没有蜗壳，使水能直贯转轮，这种形式的水轮机就是贯流式水轮机。根据水轮机与发电机的装配方式，它又可分为全贯流式和半贯流式。全贯流式发电机转子安装在转轮外缘，由于转轮外缘线速度大，且密封困难，目前已较少采用。在半贯流式水轮机中以所谓灯泡贯流式应用最广。它是将发电机布置在灯泡形壳体内，并与水轮机直接连接。这种形式结构紧凑，流道平直，效率高。贯流式水轮机的适用水头一般在25m以下，潮汛电站因为水头低也多采用贯流式。,斜流式水轮机也是一种新型水轮机。它的叶轮轮叶轴线与主轴线斜交，进出叶轮的水流与叶轮主轴线也是斜交的。其转轮结构可做成转桨式或定桨式。它兼有轴流式水轮机运行效率高和混流式水轮机强度高、抗汽蚀的优点，适于高水头下工作。其适用水头范围为40200m，而且斜流式水轮机是可逆机组，既能作为水轮机，又能作水泵，因此特别适宜于在抽水蓄能电站中应用。,斜击式水轮机,在生产和使用中常按照水轮机的单机出力及转轮直径大小，将水轮机分为小型、中型和大型。大型水轮机一般是指出力大于30MW的水轮机，大型混流式水轮机和大型轴流式水轮机的转轮直径在2.253m以上；单机出力小于30MW的水轮机一般称作中、小型机组，其中混流式水轮机的转轮直径为1.02.25m，轴流式水轮机的转轮直径为1.23.0m。,5.水电站运行与水库调度水电站运行以安全经济为前提，水库调度则要综合考虑防洪、发电、灌溉、航运、供水等方面的要求。水库调度包括发电调度和洪水调度，水电站的运行则是依据水库调度图以及电力系统运行调度命令进行。,发电调度电力法明确电力生产和电网运行应当遵循安全、优质、经济的原则。电网调度的首要任务是保障电网安全、稳定、正常运行和对电力用户安全可靠供电。调度的另一重要任务是，保证电能质量，保持频率、电压、波形合格。,洪水调度汛期的洪水调度是根据洪水调度计划和短期预报对每次实际洪水进行具体调度。其原则是在确保大坝安全和满足上、下游防洪标准的前提下，最大限度地减少放泄流量，充分利用水库，保障上、下游安全。,调度大楼,调度室,华东,华中,武汉东湖之滨,五、小水电小水电是指容量为120.5MW的小水电站，容量小于0.5MW的水电站又称农村小水电。,1.小水电特点运行寿命长，坚固耐用，价格稳定，并且水资源是可再生的。对于用电规模较小的边远地区来说，所有这些优点使水力电站成为最具有吸引力的选择对象；拥有连接电厂和用电中心的输电网的地区并不多。许多地区，特别是在发展中国家，还必须依赖就地的小型电厂供电；几乎处处都有可以用来发电的小河流；,一般来说，小型水电站造成的环境影响较小；当把河水用于其他目的时，如灌溉和供水等，如能同时加上小水电发电系统，往往会更有吸引力；在工业化国家，常常把小型水电站作为局部地区工业的