电力生产概论第讲水力发电

电力生产技术概论

华北电力大学程瑜judychengyu@163.com电力生产概论第讲水力发电第1页第3讲水力发电电力生产概论第讲水力发电第2页水电站实景——三峡水电站ThreeGorgesDaminthePeople'sRepublicofChina,thelargesthydroelectricpowerstationintheworld.电力生产概论第讲水力发电第3页

水力发电厂能量转换过程：水位能和动能转换为电能。从河流较高处或水库内引水，利用水压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变为机械能；由水轮机带动发电机旋转，将机械能转换为电能。电力生产概论第讲水力发电第4页重庆电力高等专科学校水力发电转换过程天然水能可利用水能旋转机械能电能建筑物和设备水轮机发电机水利系统机电系统电力生产概论第讲水力发电第5页基本概念水位：河川中水平面实际海拔高度静水头：河川中上游侧水位与下游侧水位差值流量：单位时间内经过断面水体积§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第6页电力生产概论第讲水力发电第7页水电站输出功率§3.1水能学基本概念Q：水轮机流量；H0:水电站静水头；

H:水电站工作水头；H0→H：损失水头△h，据经验，普通为H03%~10%，输水道短取小值。η

：水轮发电机组总效率。K：水电站出力系数，K=9.81η。大中型水电站k=8.0~8.5；中小型水电站k=6.5~8.0。电力生产概论第讲水力发电第8页水电站输出功率理论输出功率计算-不考虑效率损失水在重力作用下，降低势能转化为动能（机械能守恒），动能再经过水轮机转化为转子机械能，机械能再经过发电机转化为水电站输出电能。§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第9页水电站输出功率理论输出功率计算-不考虑效率损失重力做功=水降低势能=水增加动能=电能=力×移动距离=重力×水头=重力加速度×体积×密度×水头=重力加速度×流量×水头注：输出功率计算是单位时间能量输出，体积用单位时间内体积，即水电站流量§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第10页水电站输出功率实际输出功率计算-考虑效率损失水头损失局部损伤：因水流边界急剧改变所受到阻力引发损失沿途损失：因摩擦力做功而引发损失。采取压力钢管能够集中水位差，降低水头损失。§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第11页电力生产概论第讲水力发电第12页水电站输出功率实际输出功率计算-考虑效率损失水轮发电机组损失η

反应水流进入水轮机后，从水能变为电能过程中能量损失。用百分数表示，包含水工建筑物效率、水轮机效率和发电机效率。§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第13页水电站装机容量水电站全部水轮发电机组额定容量之和，单位为kW。单台机组额定容量为机组额定输出功率。水电厂发电容量三峡水电站装机容量是多少？单台机组额定输出功率70万kW，共32台，另外还有2台5万kW电源机组。§3.1水能学基本概念电力生产概论第讲水力发电第14页重庆电力高等专科学校§3.1水能学基本概念水电站发电量一定时段内水电站发出电能总量，单位为kW·h年发电量多年平均发电量

电力生产概论第讲水力发电第15页挡水建筑物--各种坝、堤和海塘§3.2水工建筑物The22,500MW

ThreeGorgesDaminthePeople'sRepublicofChina,thelargesthydroelectricpowerstationintheworld.重力坝：依靠自重维持稳定。电力生产概论第讲水力发电第16页挡水建筑物-大坝§3.2水工建筑物HooverDam,aconcretearch-gravitydaminBlackCanyonoftheColoradoRiver.LakeMeadinthebackgroundisimpoundedbythedam.拱形坝：主要依靠两岸岩体来支撑，并不是靠坝体自重来维持稳定。电力生产概论第讲水力发电第17页泄水建筑物--如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸§3.2水工建筑物小浪底大坝泄水景观。电力生产概论第讲水力发电第18页泄水建筑物-视频演示（2分钟）/0921/n404501049.shtml§3.2水工建筑物小浪底大坝泄水景观。电力生产概论第讲水力发电第19页水电开发中防洪和发电关系建坝，除了发电外，其库容大小还得考虑防洪需求。水电站正常水位怎样受到下游防洪要求影响？下游对防洪要求愈高，洪水季节允许向下游排泄洪水流量越小，水库需要拦蓄洪水量越大，对水库在正常情况下所限制水位就越低。正常水位降低对发电能力影响？水位降低，降低了水头高度，降低了发电能力§3.2水工建筑物电力生产概论第讲水力发电第20页电力生产概论第讲水力发电第21页各类水位基本概念死水位：正常运行条件下，水库允许消落最低水位，这个水位以下成为死库容；正常高水位：水库调整允许到达最高水位；有效库容：正常高水位与死水位之间水库容积；水库工作深度：正常高水位到死水位之间下落深度；防洪水位：大坝所能承受最高水位；§3.2水工建筑物电力生产概论第讲水力发电第22页水工建筑物主要特点：

①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。

②工作条件复杂，如挡水建筑物要承受相当大水压力，由渗流产生渗透压力对建筑物强度和稳定不利；泄水建筑物泄水时，对河床和岸坡含有强烈冲刷作用等。

③施工难度大，在江河中兴建水利工程，需要妥善处理施工导流、截流和施工期度汛，另外，复杂地基处理以及地下工程、水下工程等施工技术都较复杂。

④大型水利工程挡水建筑物失事，将会给下游带来巨大损失和灾难。

§3.2水工建筑物电力生产概论第讲水力发电第23页大坝建设视频播放大坝规划选址（5分钟）大坝施工建设（15分钟）大坝与防洪（10分钟）§3.2水工建筑物电力生产概论第讲水力发电第24页水轮机作用：把水流能量转换为旋转机械能动力机械。在水电站中，上游水库中水经引水管引向水轮机，推进水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功水则经过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机输出功率也就越大。作用示意图：三峡水电站水轮机部件§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第25页§3.3水轮机水轮发电机组工作原理简单示意图电力生产概论第讲水力发电第26页水轮机分类

水轮机按工作原理可分为：

冲击式水轮机

还击式水轮机。

§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第27页水轮机分类§3.3水轮机冲击式水轮机转轮受到水流冲击而旋转，工作过程中水流压力不变，主要是动能转换；将水流动能转化为机械能。电力生产概论第讲水力发电第28页水轮机分类

§3.3水轮机还击式水轮机转轮在水中受到水流反作用力而旋转，工作过程中水流压力能和动能都有改变，但主要是压力能转换。将水流位能、压能和动能转换成固体机械能。电力生产概论第讲水力发电第29页冲击式水轮机与还击式水轮机基本区分二者都是将水能变为机械能；冲击式水轮机结构简单、性能稳定，但效率较还击式水轮机低；冲击式转轮在同一时间内，只有部分区域同水流接触，直接接收水流作用力转轮斗叶；而且每一片斗叶受力都是断续冲击力；还击式水轮机转轮是全部处于水流之中，经过转轮轮叶接收水流反作用力而做功，每片轮叶所受作用力是连续。冲击式水轮机多用于高水头电厂，还击式水轮机则更广泛用于中、低水头电厂。当前，还击式水轮机是应用最为广泛水轮机。§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第30页还击式水轮机工作过程

在还击式水轮机中，水流充满整个转轮番道，全部叶片同时受到水流作用，所以在一样水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它最高效率也高于冲击式水轮机。

过程示意图§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第31页还击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴还击式水轮机进水装置普通采取蜗壳引水方式。蜗壳作用是把水流均匀分布到转轮周围。

蜗壳外形内部形状安装现场§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第32页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§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第33页水轮机功率调整实现调速器主要作用是调整发电机频率和有功负荷，就是依据电网负荷改变，不停地对应调整水轮发电机组有功功率输出，以维持机组转速或频率在要求范围内。§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第34页水轮机调速器原理：依据还击式水轮机类型不一样，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整进入水轮机流量，为单调。（2）转浆式、斜流式机组，除有除有调整流量导水机构外，还有按导叶开度和水头改变而改变转轮叶片转角调整机构，可使水轮按最优效率运行。有两套调整机构，为双调。调整对象为水导叶§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第35页

冲击式水轮机调速器流量调整不是采取导叶式，而是利用喷嘴和喷针相对位置改变，以调整冲向水轮机转轮射流大小。§3.3水轮机电力生产概论第讲水力发电第36页重庆电力高等专科学校§3.4水电厂分类由P=9.81ηQH可知，发电必须有流量和水头。形成水头方式——水电站开发方式。按其集中水头方式不一样分为：坝式、引水式和混合式三种基本方式。抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用主要型式。按调整能力分成：无调整水电站、有调整水电站普通坝后式水电站和混合式水电站都是有调整；河床式和引水式水电站常是无调整，或者只有较小调整能力。电力生产概论第讲水力发电第37页§3.4水电厂分类堤坝式水电站电力生产概论第讲水力发电第38页§3.4水电厂分类堤坝式水电站：水头取决于坝高优点：引用流量较大，电站规模较大水能利用较充分，综合利用效益高缺点：投资大，工期长，土地淹没和人口迁移适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库条件电力生产概论第讲水力发电第39页§3.4水电厂分类堤坝式水电站水电厂房在水利枢纽中位置不一样，又主要有：河床式水电厂坝后式水电厂电力生产概论第讲水力发电第40页电力生产概论第讲水力发电第41页重庆电力高等专科学校河床式电站普通修建在在河流中下游电力生产概论第讲水力发电第42页重庆电力高等专科学校河床式电站特点：普通修建在河道中下游河道纵坡平缓河段上，为防止大量淹没，建低坝或闸。适用水头：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水，故厂房也有抗滑稳定问题；厂房高度取决于水头高低。引用流量大、水头低。注：厂房本身起挡水作用是河床式水电站主要特征。电力生产概论第讲水力发电第43页河床式——葛州坝水电站河床厂房河床厂房开关站船闸泄洪闸电力生产概论第讲水力发电第44页重庆电力高等专科学校河床厂房富春江河床式电站泄洪闸电力生产概论第讲水力发电第45页坝后式水电站普通修建在河流中上游电力生产概论第讲水力发电第46页重庆电力高等专科学校坝后式水电站特点：当水头较大时，厂房本身抵抗不了水推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。坝后式水电站普通修建在河流中上游。库容较大，调整性能好。电力生产概论第讲水力发电第47页坝后式——景洪水电站电力生产概论第讲水力发电第48页重庆电力高等专科学校万家寨水电站（山西、黄河）电力生产概论第讲水力发电第49页重庆电力高等专科学校三峡水电站厂房厂房泄洪坝段电力生产概论第讲水力发电第50页重庆电力高等专科学校向家坝水电站电力生产概论第讲水力发电第51页§3.4水电厂分类引水式水电站电力生产概论第讲水力发电第52页§3.4水电厂分类引水式水电站优点：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。缺点：引用流量较小，没有水库调整，水量利用率较低，综合利用价值较差。适用：河道坡降较陡，流量较小山区性河段。普通修建于：河道有弯道；两条相近河流有较大水位差；有急滩或瀑布处。电力生产概论第讲水力发电第53页引水式水电站类型无压引水式(freeflow)：引水道是无压有压引水式(pressureflow)：引水道是有压电力生产概论第讲水力发电第54页1.无压引水电站引水建筑物是无压:渠道或无压隧洞主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠(洞)，日调整池，压力前池，压力水管，厂房，尾水渠。电力生产概论第讲水力发电第55页引水式水电站（无调整）电力生产概论第讲水力发电第56页引水式水电站（日调整）电力生产概论第讲水力发电第57页2.有压引水式电站引水建筑物是有压：压力隧洞(pressuretunnel)主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。电力生产概论第讲水力发电第58页电力生产概论第讲水力发电第59页我国最早水电站石龙坝水电站位于滇池出水口螳螂川，距昆明40公里，发电容量从开始2×240千瓦发展到7360千瓦。19开始建设，19投产发电。由爱国商人投资建设、采取德国技术迄今仍在发电运行（国家重点文物单位）电力生产概论第讲水力发电第60页3.混合式水电站由坝和引水道分别集中一部分水头，电站总水头等于这两部分之和。适合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转弯。同时兼有坝式和引水式水电站优点。在工程中多称为引水式水电站电力生产概论第讲水力发电第61页§3.4水电厂分类混合式水电站电力生产概论第讲水力发电第62页§3.4水电厂分类按径流调整程度分无调整水电厂有调整水电厂多年调整年调整季调整日调整等电力生产概论第讲水力发电第63页§3.4水电厂分类电力生产概论第讲水力发电第64页重庆电力高等专科学校潮汐水电站潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生周期性升降运动，即海水潮涨潮落。