水力发电原理与设备(图文)

1、part 1,part 2,part 3,index,part 4,水力发电厂,part 5,水轮发电机,电气运行知识,电气科,水工建筑物,水力发电,水力发电简述 水力发电的特点 水力发电的分类 水力发电的历史,水力发电简述 前言 我国水力资源丰富，居世界第一，最新查明理论蕴藏量6.94亿千瓦、技术可开发量5.42亿千瓦、经济可开发量4.02亿千瓦，按技术可开发量至今仅开发利用20%。截止2005年底，我国发电装机达到50841亿千瓦。其中，水电11652万千瓦，占22.9%。以技术可开发量5.42亿千瓦为基数，中国目前水电资源开发程度不足25%。与世界水电开发先进水平相比，存在着巨大的差距。

2、加快水电资源开发，是提高中国水能资源利用效率的迫切需要，水电开发的前景是极其广阔的,part 1 水力发电,系统图,水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含之位能转换成水轮机之动能，再以水轮机为原动力，推动发电机产生电能。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位能转变成机械能，再转变成电能的过程。因水力发电厂所发出的电力电压较低，要输送给距离较远的用户，就必须将电压经过变压器增高，再由空架输电线路输送到用户集中区的变电所，

3、最后降低为适合家庭用户、工厂用电设备的电压，并由配电线输送到各个工厂及家庭,part 1 水力发电,水电常识 把天然水流蕴藏的力学能转换成电能的发电方式。是水能利用的主要形式。天然水流所蕴藏的力学能称为水力资源，是人类可以利用的重要能源之一。在自然状态下，河川水流的这种潜在能量以克服摩擦、冲刷河床、挟带泥沙等形式消耗掉。兴建水电站可利用这部分能量。 水电厂建设及发电过程 水电站是将水能转换为电能的综合工程设施 。一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。 水力发

4、电设备 水力发电主要是通过水头的冲力来带动转子的转动，再将机械能变为电能，因此水轮机是水力发电最重要的设备，在水工设计中占据很高的地位。 水电安全 由于水力发电厂大多建设中主要的河流上，水电站的安全直接关系到电站下游人民的生命安全，不容忽视。水力发电厂安全性评价内容包括生产设备、劳动安全和作业环境、安全管理三大方面,part 1 水力发电,水力发电的特点 水能是一种取之不尽、用之不竭、可再生的清洁能源。但为了有效利用天然水能，需要人工修筑能集中水流落差和调节流量的水工建筑物，如大坝、引水管涵等。因此工程投资大、建设周期长。但水力发电效率高，发电成本低，机组启动快，调节容易。由于利用自然水流，受

5、自然条件的影响较大。水力发电往往是综合利用水资源的一个重要组成部分，与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系。 水力发电是再生能源，对环境冲击较小。除可提供廉价电力外，还有下列之优点:控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的交通、电力供供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。美国田纳西河的综合发展计划，是首个大型的水利工程，带动整体的经济发展,part 1 水力发电,水力发电的分类 按照水源的性质，可分为：常规水电站，即利用天然河流、湖泊等水源发电。 抽水蓄能电站，利用电网负荷低谷时多余的电力，将低处下水库的水抽到高处上存蓄，待电网负荷高峰时放水发电，尾

6、水收集于下水库 按水电站的开发水头手段，可分为：坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站三种基本类型。 按水电站利用水头的大小，可分为： 高水头（70米以上）中水头（ 15-70米）和低水头（低于15米）水电站。 按水电站装机容量的大小，可分为： 大型中型和小型水电站。一般装机容量5 000kw以下的为小水电站，5 000至10万kw为中型水电站，10万kw或以上为大型水电站,或巨型水电站,part 1 水力发电,水力发电的历史 1878年法国建成世界第一座水电站。 美洲第一座水电站建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成,装机容量25kw,于1882年 9月30

7、日发电。 欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站，于1885年建成.装机65w. 世界上已建最大水电站为在巴西和巴拉圭两国界河巴拉那河上的伊泰普水电站，装机容量1260万kw. 中国大陆第一座水电站为建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站始建于1910年7月，1912年发电，当时装机480kw，以后又分期改建、扩建，最终达6000kw,part 1 水力发电,水工建筑物,水工建筑物的作用 水工建筑物的分类 水工建筑物的构成 水工建筑物的特点,水工建筑物的作用 控制和调节水流，防治水害. 开发利用水资源的建筑物。实现各项水利工程目标的重要组成部分。 水工建筑物涉及许多学科领域，除基础学科外，还与

8、水力学、水文学、工程力学、土力学、岩石力学、工程结构、工程地质、建筑材料 以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等密切相关。它的设计和研究方法，主要有理论分析、试验研究、原型观测和工程类比等,part 2 水工建筑物,水工建筑物的分类 水工建筑物可按使用期限和功能进行分类。 按使用期限可分为永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，后者是指在施工期短时间内发挥作用的建筑物，如围堰、导流隧洞、导流明渠等。按功能可分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类,part 2 水工建筑物,水工建筑物按其功能可分为： 通用性水工建筑物。主要有挡水建筑物，如各种坝、堤和海塘；泄水建筑物，如各种溢流坝、溢

9、洪道、泄水隧洞、分洪闸；进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、水泵站；输水建筑物，如引（供）水隧洞、渠道及输水管道；河道整治建筑物，如丁坝、顺坝、护岸、导流堤。 专门性水工建筑物。主要有水力发电专用建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房；灌溉和供水专用建筑物，如节制闸、沉沙池、冲沙闸；港口专用建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台；过坝专用建筑物及设施，如船闸、升船机、筏道及鱼道 等,水工建筑物的构成及特点,水工建筑物的主要特点是： 受自然条件制约多，地形、地质、水文、气象等对工程选址、建筑物选型、施工、枢纽布置和工程投资影响很大。 工作条件复杂，如挡水建筑物要承受相当大的水压力

10、，由渗流产生的渗透压力对建筑物的强度和稳定不利；泄水建筑物泄水时，对河床和岸坡具有强烈的冲刷作用等 。 施工难度大 ，在江河中兴建水利工程，需要妥善解决施工导流、截流和施工期度汛，此外，复杂地基的处理以及地下工程 、 水下工程等的 施工技术都较复杂,大型水利工程的挡水建筑物失事，将会给下游带来巨大损失和灾难,part 2 水工建筑物,水工建筑物的构成 通用性水工建筑物 挡水建筑物，如各种坝、水闸、堤和海塘； 泄水建筑物，如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸； 进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、泵站； 输水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、输水管道、渠道； 河道整治建筑物，如

11、丁坝、顺坝、潜坝、护岸、导流堤,part 2 水工建筑物,专门性水工建筑物 主要有：水电站建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房； 渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸； 港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道； 过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等,水工建筑物的构成,有些水工建筑物的功能并非单一，难以严格区分其类型，如各种溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；闸门既能挡水和泄水，又是水力发电、灌溉、供水和航运等工程的重要组成部分。有时施工导流隧洞可以与泄水或引水隧洞等结合,part 2 水工建筑物,水工建筑物的历史 水工建筑物历史悠久。早在公元前29

12、00年，埃及就在尼罗河上建造了一座高 15m、长240m的挡水坝。 在中国，从春秋时期开始，就在黄河下游沿岸修建堤防，经历代整修加固，形成长约1500km的黄河大堤。公元前256前251年兴建并延用至今的都江堰工程，利用鱼嘴分水，飞沙堰泄洪、排沙，宝瓶口引水，是引水灌溉工程的典范。从春秋时期开始兴建至公元1293年全线通航的京杭运河是世界上最长的运河. 世界最高的拱坝是苏联的英古里坝,高度已达272m。最大坝高272m，水库总库容11亿m3，下游设有引水式电站，装机130万kw 苏联的罗贡坝，高达335m，是20世纪80年代世界上最高的土石坝。 中国在岩溶地区成功地建成了高165m的乌江渡拱形

13、重力坝，灌浆帷幕深达260m,part 2 水工建筑物,水轮机,水轮机的作用 水轮机的分类 水轮机的构成及特点 水轮机调速器系统 油、水、气等辅助系统,水轮机的作用 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械,part 3 水轮机,早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。 现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大,作用示意图,三峡水电站水轮机部件,水

14、轮机的分类,水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。 冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换； 反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换,冲击式示意图,反击式示意图,part 3 水轮机,冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用

15、于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91,冲击式水轮机外形,水轮机内部构造,part 3 水轮机,反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。 在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮； 在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮； 在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮； 在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。 轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运

16、行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化,典型混流式机组,几种转轮形式,part 3 水轮机,各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳,蜗壳外形,内部形状,安装现场,part 3 水轮机,反击式水轮机工作过程 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效

17、率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响,导水机构,过程示意图,part 3 水轮机,引水机构 水轮机蜗壳,整机示意图,导水机构 水导叶,工作机构 转轮,泄水机构 尾水管,调速器,飞轮,发电机,part 3 水轮机,发电示意图,part 3 水轮机,水轮机调速器系统,调速器 国民经济各部门对电能生产的要求：（1）供电可靠性；（2）保证电能质量（电能质量的指标频率和电压）。 调速器的主

18、要作用是调节发电机频率和有功负荷。 具体说，水轮机调节的基本任务，就是根据电网负荷的变化，不断地相应调节水轮发电机组有功功率的输出，以维持机组转速或频率在规定范围内,外形图1,外形图2,part 3 水轮机,水轮机调速器的类型： 根据水轮机类型的不同，有单调和双调两种。 （1）混流式、轴流定浆式、和贯流定浆式都是靠导水机构调节进入水轮机的流量，为单调。 （2）转浆式、斜流式机组，除有除有调节流量的导水机构外，还有按导叶开度和水头变化而改变转轮叶片转角的调节机构，可使水轮按最优效率运行。有两套调节机构，为双调,调节对象为水导叶,调节对象 冲击式机组的调节对象为 喷针开度,part 3 水轮机,冲

19、击式的流量调节不是采用导叶式，而是利用喷嘴和喷针相对位置的改变，以调节冲向水轮机转轮射流的大小。 为了防止高水头、长管道在调节时引起的管道水锤，喷针的关闭速度不能太快，为此在喷嘴出口处装有可改变射流方向的折向器。 当线路或设备发生故障，发电机需甩掉部分和全部负荷而要快速调节流量时，折向器可快速改变射流方向，从而使冲射到轮上的射流减小，喷嘴内的喷针便按规定的速度移到相应的位置,工作示意图,执行机构,part 3 水轮机,油、水、气系统 油系统 油系统是水电站必不可少的辅助系统之一，它分为透平油和绝缘油。油系统的配置视水电站的规模而有不同，在一般的小型水电站中，它的作用是：绝缘、冷却、润滑，调速系

20、统液压操作及立式机组的电站中还有开机前顶转子之用。 水系统 水系统主要作为水冷式发电机的冷却循环用水，用冷水来带走发电机产生的热量，防止过热和降低损耗。另外还包括消防用水和部分生活用水，一般在尾水取得。 气系统 a 用于开机之前顶起转子. b 用于机组检修和清扫工作 . c 在调速器系统中创造适合的油气比例，用于操作和自动控制,part 3 水轮机,发电机,发电机的工作原理（作用） 发电机的结构（构成） 发电机的基本参数 发电机的励磁系统,转子转动转子中由励磁电流产生的按正弦分布的旋转磁场切割定子三相对称绕组定子三相绕组中产生三相正弦交变电动势定子三相绕组与负载连通后，电路在电动势的作用下有电

21、流通过向负载输出电能,part 4 发电机,水轮发电机时指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。是水电站生产电能的主要动力设备,水轮发电机由水轮机驱动。它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活,发电机,发电机工作原理,交流电的产生,交流电源,频率的测量,水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证这个频率的稳定，就必须稳定转子的转速。为了稳定转速，可采用闭环控制的方式对原动机（水轮机）转速进行控制，即将发出的交流电的频率信号采样，并将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中

22、，去控制水轮机的输出功率，通过反馈控制原理，就可以让发电机的转速稳定了,part 4 发电机,发电机的结构（构成,part 4 发电机,机组的布置形式 水轮发电机按轴线位置可分为立式与卧式两类。 大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型发电机组和贯流式机组。 立式水轮发电机按导轴承支持方式又分为悬式和伞式两种。 伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站,立式机组

23、,卧式机组,part 4 发电机,发电机的结构,水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构,水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组,定子部分,转子部分,part 4 发电机,水轮发电机铭牌上标示的主要参数有型号、容量、电压、电流、转速各温升。标示的型号以定子铁芯外径、磁极个数及额定容量等用一定的格式排列表示的；而标示的容量、电压、电流、转速和温升等都是该台发电机

24、的额定值。即能保证发电机正常连续运行的最大限值。 型号：国产发电机型号的含义是-/ 其中：第1、2、3个框为型式（sf为立式空冷，sfs为立式水内冷，sfw为卧式，sfg为贯流式水轮发电机，sfd为水轮机-电动机）；第4个框为额定容量（mw）；第5个框为磁极个数；第6个框为定子铁芯外径（cm,水力发电机基本参数,part 4 发电机,额定电压：常用符号ue表示，系指发电机正常运行时长期安全工作的最高定子绕组线电压，单位是kv。 额定电流：常用符号ie表示，系指发电机正常工作连续运行的最大工作电流，即指额定情况下发电机以此电流运行其温升不会超过允许范围，其单位是a或ka。 额定功率：常用符号pe

25、表示，指发电机在额定运行情况下输出的有功功率，单位是kw。 额定转速：常用符号ne表示，转子正常运行时的转速，单位为r/min。 额定温升：常用符号t表示，指发电机某部分的最高温度与额定冷却介质温度差值，额定温升的确定与发电机绝缘的等级以及测量温度的方法有关，我国规定的额定冷却介质温度为40。 额定频率：我国规定的额定频率为50hz,part 4 发电机,发电机励磁系统,励磁系统供给发电机励磁电流的直流电源及其附属部件，统称为水轮发电机的励磁系统。励磁系统是水轮发电机的重要组成部分，它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性和稳定性。其主要作用是调节发电机电压和无功功率。具体说，在电力系统中

26、，自动调节励磁装置的主要作用有以下几种：保持电压恒定；实现并列运行机组间无功功率的合理分配；提高电力系统工作的稳定性及输电线路的输电能力；提高带时限继电保护装置的灵敏性和可靠性；限制水轮发电机突然甩负荷时电压上升；根据电力系统需要，实现对同步发电机不同的励磁控制方式,由励磁系统供给,发电机,part 4 发电机,励磁系统外形图,励磁调节柜,励磁功率柜,part 4 发电机,电气运行知识,电力系统运行的基本要求 电气运行组织 电气运行技术 电力调度 附：典型技术性问答,part 5 电气运行知识,电力系统的运行必须满足下列基本要求： 保证完成国家的生产计划（发电量和热能供应），满足规定的最大负荷

27、。 保证供电的可靠性。 保证电能质量。电压和频率应在允许的范围内变化。 保证运行的最大经济性。 保证运行人员和设备的安全,电力系统运行基本要求,什么叫电气运行 系统的运行指组成系统的所有环节都处于执行其功能的状态。系统运行中，由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰（如雷击等）会影响电力系统的稳定，导致系统电压与频率的波动，从而影响系统电能的质量，严重时会造成电压崩溃或频率崩溃。 电气运行的组织 电力系统是一个有机的整体，系统中任一个重要设备运行情况的改变，均将影响整个电力系统。因此设置调度机构和调度员来统一指挥电力系统的运行；值班调度员是系统运行中技术上的领导人。他直接对管辖系统内发电厂、变

28、电所的运行领导人发布指令。 发电厂中，燃料、锅炉、汽机、化学和电气都有值班人员，各班设有班长，同一个值内负责领导各运行班的是值长（值班工程师）。 电气运行的值班人员有班长、副班长、值班电工、厂用值班电工值班员以及副值班员。 电气运行的主要任务 保证电力生产的安全运行和经济运行,电气运行组织,part 5 电气运行知识,电力系统的运行状态 系统运行分为正常运行状态与异常运行状态。其中，正常状态又分为安全状态和警戒状态；异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。各种运行状态之间的转移需通过不同控制手段来实现。 电力系统的负荷曲线 按种类分为有功和无功负荷曲线

29、，按时间长短分为日负荷曲线和年负荷曲线，按描述负荷范围分为用户的、地区的和电力系统的负荷曲线 电力系统的负荷 电力系统负荷是指电力系统所有用电设备消耗功率的综合用电负荷；综合用电负荷是指工业、农业、交通运输业、市政生活等各方面消耗的功率之和；供电负荷是指电力系统的综合用电负荷加上网损，即发电厂供出的负荷；发电负荷是指供电负荷再加上发电厂厂用电就是发电机应发出的功率,电气运行技术,part 5 电气运行知识,系统调度 电能生产、供应、使用是在瞬间完成的，并需保持平衡。因此，它需要有一个统一的调度指挥系统。这一系统实行分级调度、分层控制。其主要工作有： 预测用电负荷； 分派发电任务，确定运行方式，

30、安排运行计划； 对全系统进行安全监测和安全分析； 指挥操作，处理事故。完成上述工作的主要工具是电子计算机,电力调度,part 5 电气运行知识,一 调度管理 调度管理：调度业务和专业管理。 调度管辖：电网设备运行和操作指挥权限，简称调管。 调度指令:调度机构值班调度员对其下级值班调度员或调管厂站运行值班人员发布的有关运行和操作的指令。调度指令包括单项令、综合令和逐项令。 单项令：是指值班调度员下达的单一项目操作的调度指令。 综合令：是指值班调度员按照操作目的和要求，用标准术语说明操作对象的起始和终结状态以及注意事项的调度指令。受令人按照综合令确定的操作规范和现场规程，自行拟定具体操作步骤和操作

31、顺序，一次性完成所有操作后向发令人汇报。 逐项令：是指值班调度员根据一定的逻辑关系，按照顺序下达的调度指令。逐项令由一系列单项令组成。 调度许可：值班调度员对下级值班调度员或厂站运行值班人员提出的操作申请予以许可（同意,part 5 电气运行知识,二、设备状态 一次设备状态 运行：是指设备或电气系统带有电压，其功能有效。母线、线路、开关、变压器、电抗器、电容器及电压互感器等一次设备的运行状态，是指从该设备电源至受电端的电路接通并有相应电压（无论是否带有负荷），且控制电源、继电保护及自动装置按运行状态投入。开关的运行是指开关及其两侧刀闸在合闸位置，开关与电源相连通。 备用：是指该设备已具备运行条件，其继电保护及自动装置满足运行要求，开关的控制、合闸及信号电源投入，经一次合闸操作即可转为运行状态的状态。开关的热备用是指开关本身在分闸位置，两侧刀闸在合闸位置，二次设备按要求投入。线路、母线、变压器、电抗器、电容器等电气设备的热备用是指连