水力发电的原理和水电站的类型

1、水水 电电 站站2009年9月重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校/水水 电电 站站v在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生需要修建需要修建一系列水工建筑物。一系列水工建筑物。v包括：进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发包括：进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备的厂房和变电站，总体称为电机组及其附属设备的厂房和变电站，总体称为水电站。水电站。水电站是水、机、电的综合体水电站是水、机、电的综合体。水力发电的原理水力发电的原理和水电站的类型和水电站的类型重庆电力高等专科学校1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点q

2、我国水能资源的特点我国水能资源的特点v总量丰富，分布不均匀总量丰富，分布不均匀l 时间时间l 空间空间v开发率低，发展迅速开发率低，发展迅速v前景宏远，任重道远前景宏远，任重道远三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡水利枢纽 三峡工程采用三峡工程采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”方案。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长方案。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035m，坝顶高程，坝顶高程185m，正常蓄水位，正常蓄水位175 m，总库容，总库容393 亿亿m3，其中防洪库容，其中防洪库容221.5亿亿m3。泄洪坝段每秒泄洪能力为。泄洪坝段每秒泄洪能力为1

3、1万万m3/s，左岸通航建筑物，年单向，左岸通航建筑物，年单向通过能力通过能力500万万t。双线五级船闸，可通过万吨级船队；单线一级。双线五级船闸，可通过万吨级船队；单线一级垂直升船机，可快速通过垂直升船机，可快速通过3000t级客货轮。级客货轮。 三峡工程已基本竣工，已发挥防洪、发电、航运、养殖、旅三峡工程已基本竣工，已发挥防洪、发电、航运、养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！ 三峡工程装机容量是多少？三峡工程装机容量是多

4、少？三峡水利枢纽三峡水利枢纽 三峡工程初步设计报告为安装三峡工程初步设计报告为安装26台单机容量台单机容量70万千瓦的发电万千瓦的发电机组。有关方面根据三峡汛期来水丰富，机组。有关方面根据三峡汛期来水丰富，26台机组全部满发时仍台机组全部满发时仍有大量来水泄洪空放的实际，决定在大坝右岸山体中开挖建设一有大量来水泄洪空放的实际，决定在大坝右岸山体中开挖建设一座地下电站，在汛期增加发电、减少弃水。地下电站静态总投资座地下电站，在汛期增加发电、减少弃水。地下电站静态总投资73.75亿元，设计安装亿元，设计安装6台单机容量台单机容量70万千瓦的发电机组，年发电万千瓦的发电机组，年发电量量35.11亿千

5、瓦时，计划于亿千瓦时，计划于2011年至年至2012年建成投产。年建成投产。三峡电源电站，是保证三峡电站和大坝各种建筑物安全运行三峡电源电站，是保证三峡电站和大坝各种建筑物安全运行的主供电源和备用保安电源，安装的主供电源和备用保安电源，安装2台单机容量台单机容量5万千瓦发电机组万千瓦发电机组，年发电量，年发电量7.3亿千瓦时，总投资亿千瓦时，总投资3.7亿元。亿元。地下电站和电源电站的建设，将使三峡电站总装机容量由原地下电站和电源电站的建设，将使三峡电站总装机容量由原设计的设计的1820万千瓦扩大到万千瓦扩大到2250万千瓦，相当于增加一个半葛洲坝万千瓦，相当于增加一个半葛洲坝。 重庆电力高等

6、专科学校一、水力发电的基本原理一、水力发电的基本原理q水力发电水力发电:利用河流中蕴藏的水能来生产电能。利用河流中蕴藏的水能来生产电能。q在天然河流上，修建在天然河流上，修建水工建筑物水工建筑物，集中水头，通过一定，集中水头，通过一定的流量将的流量将“载能水载能水”输送到水轮机中，使输送到水轮机中，使水能水能旋转机旋转机械能械能带动发电机组发电带动发电机组发电输电线路输电线路用户用户1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校水轮发电机组装置原理图水轮发电机组装置原理图建坝建坝蓄水蓄水发电发电电站电站重庆电力高等专科学校水力发电的转换过程水力发电的转换过程天然水

7、能天然水能可利用水能可利用水能旋转机械能旋转机械能电能电能建筑物和设备建筑物和设备水轮机水轮机发电机发电机水利系统水利系统机电系统机电系统重庆电力高等专科学校二、水电站的出力和发电量的计算二、水电站的出力和发电量的计算1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校二、水电站的出力和发电量的计算二、水电站的出力和发电量的计算gtQHP81. 9理论出力KQHQHP81. 9实际出力能量损失：能量损失： 1.HgH：损失水头：损失水头h，据经验，一般为，据经验，一般为Hg的的3%10%，输水道短取小值。，输水道短取小值。 2. ：k=9.81水电站出力系数。大中型水电

8、站水电站出力系数。大中型水电站k=8.08.5；中小型水电站；中小型水电站k=6.58.0。q出力：（功率）出力：（功率）1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校二、水电站的出力和发电量的计算二、水电站的出力和发电量的计算q发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单位为位为kWh TPE 1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校q优点：优点：v(1) 不耗燃料，成本低廉不耗燃料，成本低廉v(2) 水火互济，调峰灵活水火互济，调峰灵活v(3) 综合利用，多方得益综合利用，多方得益v(

9、4) 取之不尽可，用之不竭取之不尽可，用之不竭v(5) 环境优美，能源洁净环境优美，能源洁净三、水力发电特点三、水力发电特点1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校q缺点：缺点：v (1) 受自然条件限制受自然条件限制v (2) 一次性投资大，工期长一次性投资大，工期长v (3) 事故后果严重事故后果严重v (4) 大型工程对环境、生态影响较大大型工程对环境、生态影响较大三、水力发电特点三、水力发电特点1.1 水力发电的基本原理及特点水力发电的基本原理及特点重庆电力高等专科学校1.2水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型 重

10、庆电力高等专科学校水电站的基本类型水电站的基本类型q由由P = 9.81QH可知，发电必须有流量和水头。可知，发电必须有流量和水头。q形成水头方式形成水头方式水电站的开发方式。水电站的开发方式。 v按其集中水头的方式不同分为：按其集中水头的方式不同分为：坝式、引水式和混合式坝式、引水式和混合式三三种基本方式。种基本方式。v抽水蓄能电站和潮汐电站抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。也是水能利用的重要型式。q按调节能力分成：按调节能力分成：v无调节水电站、有调节水电站无调节水电站、有调节水电站v一般坝后式水电站和混合式水电站都是有调节的；河床式一般坝后式水电站和混合式水电站都是有调节的；

11、河床式和引水式水电站常是无调节的，或者只有较小的调节能力。和引水式水电站常是无调节的，或者只有较小的调节能力。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校一、一、 坝式水电站坝式水电站q用坝集中水头的水电站称为坝式水电站用坝集中水头的水电站称为坝式水电站q其其特点特点有：有：v水头取决于坝高。水头取决于坝高。v引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利用效益高。用效益高。v投资大，工期长。投资大，工期长。q适用适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。：河道坡降较缓，流

12、量较大，并有筑坝建库的条件。 1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1河床式电站河床式电站1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1河床式电站河床式电站q特点：特点：v一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。淹没，建低坝或闸。v适用水头：大中型：适用水头：大中型：25米以下，小型：米以下，小型：810米以下。米以下。v厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水，故厂房也有抗滑厂房和挡水坝并排建在河床

13、中，共同挡水，故厂房也有抗滑稳定问题；稳定问题；v厂房高度取决于水头的高低。厂房高度取决于水头的高低。v引用流量大、水头低。引用流量大、水头低。q注：注：厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校河 床 厂 房河 床 厂 房富春江河床式电站富春江河床式电站泄 洪 闸泄 洪 闸重庆电力高等专科学校葛州坝水电站葛州坝水电站河床厂房河床厂房河床厂房河床厂房开 关 站开 关 站船 闸船 闸泄 洪 闸泄 洪 闸重庆电力高等专科学校2.坝后式水电站坝后式水电站1.

14、2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校2.坝后式水电站坝后式水电站q特点：特点：v当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，房移到坝后，由大坝挡水由大坝挡水。v坝后式水电站一般修建在河流的中上游。坝后式水电站一般修建在河流的中上游。v库容较大，调节性能好。库容较大，调节性能好。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校坝后厂房坝后厂房重庆电力高等专科学校向家坝水电站向家坝水电站重庆电力高等专科学校三峡水电站三峡水电站坝后厂

15、房坝后厂房坝后厂房坝后厂房泄洪坝段泄洪坝段重庆电力高等专科学校二、引水式水电站二、引水式水电站q用引水道集中水头的电站称为引水式水电站用引水道集中水头的电站称为引水式水电站q特点特点：v水头相对较高，目前最大水头已达水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。米以上。v引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。利用价值较差。v电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。价较低。q适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。适用条件：适合河道坡降

16、较陡，流量较小的山区性河段。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校二、引水式水电站二、引水式水电站q一般修建于：一般修建于：v河道有弯道；河道有弯道；v两条相近河流有较大水位差；两条相近河流有较大水位差；v有急滩或瀑布处。有急滩或瀑布处。q类型类型v无压引水式无压引水式(free flow)：引水道是无压的：引水道是无压的v有压引水式有压引水式(pressure flow)：引水道是有压的：引水道是有压的 1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1.无压引水电站无压引水电站

17、q引水建筑物是无压的引水建筑物是无压的:渠道或无压隧洞渠道或无压隧洞q主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠(洞洞)，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，尾水渠。尾水渠。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1-坝坝;2-进水口进水口;3-沉沙池沉沙池;4-引水渠道引水渠道;5日调节池日调节池;6-压力前池压力前池;7-压力管道压力管道;8-厂房厂房; 9-

18、尾水渠尾水渠;10-配电所配电所;10-泄水道泄水道重庆电力高等专科学校 2. 有压引水式电站有压引水式电站q引水建筑物是有压的：引水建筑物是有压的：压力隧洞压力隧洞(pressure tunnel) q主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。管，厂房，尾水渠。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校石龙坝水电站石龙坝水电站云南昆明石龙坝云南昆明石龙坝水电站是我国大水电站是我

19、国大陆的第一座水电陆的第一座水电站，其装机容量站，其装机容量仅为仅为1440kW，1910年年7月开工月开工建设，建设，1912年年4月发电。月发电。重庆电力高等专科学校三、三、 混合式水电站混合式水电站q由由坝坝和和引水道引水道分别集中一部分水头，电站的总水分别集中一部分水头，电站的总水头等于这两部分之和。头等于这两部分之和。q适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。q同时兼有坝式和引水式水电站的优点。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。q在工程中多称为引水式水电站在工程中多称为

20、引水式水电站1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校四、抽水蓄能电站四、抽水蓄能电站q抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的主要解决电力系统的调峰调峰问题；问题；q建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机组组 q抽水蓄能抽水蓄能和和放水发电放水发电两个过程两个过程 q低谷期低谷期：电能：电能水能；水能；高峰期高峰期：水能：水能电能电能 1.2

21、 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）下水库下水库上水库上水库发电发电系统系统重庆电力高等专科学校五、潮汐水电站五、潮汐水电站 q潮汐潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。期性升降运动，即海水的潮涨潮落。 q潮汐发电原理潮汐发电原理：利用潮水涨、落产生的水位差所：利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量量机械能机械能电能电能(发电发电)的过程

22、。的过程。q流量大，水头低流量大，水头低的水电站。的水电站。1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型重庆电力高等专科学校潮汐发电原理重庆电力高等专科学校法国朗斯潮汐电站法国朗斯潮汐电站1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机机24台，每台台，每台1万千瓦，共万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发万千瓦。设计年平均发电量电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米。米。 重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校浙江省江厦双向潮汐试验电站浙江省江厦双向潮汐试验电站 重庆电力

23、高等专科学校沙溪河流域梯级电站布置示意图沙溪河流域梯级电站布置示意图1.2 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型湖南闽江湖南闽江重庆电力高等专科学校一、枢纽建筑物一、枢纽建筑物 挡水建筑物：挡水建筑物：坝、闸坝、闸 泄水建筑物：泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢溢洪道、泄水洞、溢 流坝流坝 过坝建筑物：过坝建筑物：过船、过木、过鱼过船、过木、过鱼二、发电建筑物二、发电建筑物 进水建筑物：进水建筑物：进水口、沉沙池进水口、沉沙池 引水建筑物：引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：平水建筑物：前池、调压室前池、调压室 厂区枢纽：厂

24、区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站主厂房、副厂房、变电站、开关站等等1.3水电站的组成建筑物水电站的组成建筑物重庆电力高等专科学校本课程的内容概况本课程的内容概况第一部分第一部分 水轮机水轮机 水流能量转换为机械能的设备水流能量转换为机械能的设备q主要内容：主要内容：基本类型、构造、基本类型、构造、工作原理、合理选型。工作原理、合理选型。重庆电力高等专科学校q布置设计布置设计: 建筑物建筑物位置、线路、型式选择、配位置、线路、型式选择、配套设备设计。套设备设计。q水力计算水力计算: 恒定流：确定水头损失及建筑物尺寸；恒定流：确定水头损失及建筑物尺寸；非恒定流：引水系统的调节保证计算、非恒定

25、流：引水系统的调节保证计算、调压室水位波动计算。调压室水位波动计算。q结构计算：结构计算：引水管道的强度、稳定计算。引水管道的强度、稳定计算。第二部分第二部分 引水建筑物引水建筑物重庆电力高等专科学校第三部分第三部分 厂房枢纽厂房枢纽 布置设计布置设计q厂区枢纽的布置：主厂房、副厂房、变压器、厂区枢纽的布置：主厂房、副厂房、变压器、开关站及交通道路相互位置的按排。开关站及交通道路相互位置的按排。q厂房布置：主、副厂房的尺寸确定、主要机电厂房布置：主、副厂房的尺寸确定、主要机电设备的布置。设备的布置。q其他类型的厂房其他类型的厂房q地下厂房。地下厂房。q河床厂房等。河床厂房等。重庆电力高等专科学校本本 章章 小小 结结q1 1水电站的基本类型有水电站的基本类型有坝式、引水式及混合式坝式、引水式及混合式。坝式水电站分为坝式水电站分为河床式、坝后式河床式、坝后式；引水式水电站；引水式水电站分分有压引水式和无压引水式有压引水式和无压引水式电站；混合式开发多电站；混合式开发多为有压引水式电站。这部分是水电站建筑物最