第一节-水力发电基本原理

第一章水能开发利用第一节水力发电根本原理

第二节水能资源的开发方式

及水电站的根本类型

第三节水电站水工建筑物

及水电站特征参数

第四节我国水力资源及开发情况第一节水力发电根本原理一、水力发电的概念

二、水电站的出力和发电量的计算

石龙坝水电站云南昆明石龙坝水电站是我国大陆的第一座水电站，其装机容量仅为1440kW，1910年7月开工建设，1912年4月发电。一、水力发电的概念水力发电:利用河流中蕴藏的水能来生产电能。在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定方式将“载能水”输送到水轮机中，使：

水能→旋转机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户。水轮发电机组装置原理图建坝蓄水发电电站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水力发电的能量转换二、水电站的出力和发电量的计算P——水电站发出的〔出力〕电功率Q——通过水轮机的流量H——水轮机的工作水头η——水轮发电机组的效率，1.Hg→H：损失水头△h，据经验，一般为Hg〔毛水头〕的3%~10%，输水道短取小值。2.η：k=9.81η水电站出力系数。大中型水电站k=8.0~8.5；中小型水电站k=6.5~8.0。发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单位为kW·h二、水力发电特点优点：不耗燃料，本钱低廉水火互济，调峰灵活综合利用，多方得益取之不尽，用之不竭环境优美，能源洁净二、水力发电特点缺点：受自然条件限制；一次性投资大，移民多，工期长；事故后果严重；大型工程对环境、生态影响较大。第二节水能资源的开发方式及水电站的根本类型水能资源的开发方式由P=9.81QHη可知，发电必须有流量和水头。按水量来源来看，水电站的开发方式有：常规水电站抽水蓄能电站潮汐电站对于常规水电站按集中水头的方式分：坝式引水式混合式按流域开发级数分单级水电站梯级水电站按调节能力分成：无调节水电站有调节水电站一般坝后式水电站和混合式水电站都是有调节的；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。水能资源的开发方式对于抽水蓄能电站按其发电用水来源：纯抽水蓄能电站混合抽水蓄能电站调水式抽水蓄能电站纯抽水蓄能电站：上水库几乎没有天然径流来水，全靠抽水蓄存。混合抽水蓄能电站：是与常规水电站结合、有水轮发电机组的电站，既可以利用天然径流发电，也可以从下水库抽水蓄能。调水式抽水蓄能电站：上水库用水泵从分水岭一侧河流水库抽水，在另一侧常规水电站引水发电，尾水流入另一高程更低的河流。一、坝式水电站用坝集中水头的水电站称为坝式水电站其特点有：水头取决于坝高。 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。投资大，工期长。适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。类型：河床式、坝后式、坝内式、岸边式、地下式。一、坝式水电站1．河床式电站2．河床式电站特点：一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，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的上下。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的主要特征。河床式电站河床厂房富春江河床式电站泄洪闸葛州坝水电站河床厂房河床厂房开关站船闸泄洪闸2.坝后式水电站2.坝后式水电站特点：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，由大坝挡水。坝后式水电站一般修建在河流的中上游。库容较大，调节性能好。坝后厂房万家寨坝后式水电站〔山西、黄河〕向家坝水电站三峡水电站坝后厂房坝后厂房泄洪坝段二、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特点：水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。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。电站库容很小，根本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。二、引水式水电站一般修建于：河道有弯道；两条相近河流有较大水位差；有急滩或瀑布处。类型无压引水式(freeflow)：引水道是无压的有压引水式(pressureflow)：引水道是有压的1.无压引水电站引水建筑物是无压的:渠道或无压隧洞主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠(洞)，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，尾水渠。2.有压引水式电站引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressuretunnel)主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室〔井〕，压力水管，厂房，尾水渠。三、混合式水电站由坝和引水道分别集中一局部水头，电站的总水头等于这两局部之和。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。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。在工程中多称为引水式水电站三、混合式水电站四、常规抽水蓄能电站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调峰问题；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，采用双向机组抽水蓄能和放水发电两个过程低谷期：电能→水能；顶峰期：水能→电能黑麋峰抽水蓄能电站〔湖南〕下水库上水库发电系统黑麋峰抽水蓄能电站〔湖南〕下水库上水库发电系统五、潮汐水电站潮汐：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。潮汐发电原理：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、落潮的能量→机械能→电能(发电)的过程。流量大，水头低的水电站。潮汐发电原理最大的潮汐电站——法国朗斯电站浙江省江厦双向潮汐试验电站梯级电站布置示意图第三节水电站水工建筑物及水电站特征参数一、水工建筑物水电站水工建筑物是为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的受水作用的建筑物，包括：1、枢纽建筑物挡水建筑物：坝、闸泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢流坝过坝建筑物：过船、过木、过鱼2、发电建筑物进水建筑物：进水口、沉沙池〔将水平稳引入引水道、管〕引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：压力前池、调压室〔平稳流量和压力〕厂区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站等第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数二、水电站主要特征参数〔一〕水位与库容1、水库的特征水位：代表水库主要特征指标的水位。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔1〕正常蓄水位：也称正常高水位，是水库在正常运用情况下，满足兴利要求的允许充蓄并能保持的高水位。其值越高，那么蓄水越多，水头越高，发电量越大。但同时也要求坝身增高，淹没更广，投资更大。〔2〕死水位：又称垫底水位，是水库正常运用的情况下，允许消落的最低水位。其下的水量在正常情况下不能作为兴利之用。〔3〕设计洪水位：是遇大坝设计洪水时水库坝前到达的最高水位。〔4〕校核洪水位：是遇大坝校核洪水时水库坝前到达的最高水位。校核洪水比设计洪水大，校核洪水位也就比设计洪水位高。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔5〕防洪限制水位：是水库在汛期防洪时允许蓄水到达的上限水位。根据水库地区的自然条件和技术经济论证，可将防洪限制水位定得低于或等于正常蓄水位。还可根据洪水特性和防洪要求，在汛期的不同阶段规定不同的防洪限制水位。〔6〕防洪高水位：是遇下游防护对象的设计洪水时，水库控制下泄流量而拦蓄洪水，在坝前到达的最高水位。二、水库的特征水位和特征库容水库在不同时期有不同任务，为满足兴利要求和保证防洪平安，需要一些控制性的水位和库容。特征水位、库容：决定水库调节能力，起限定作用的水位和库容。

（a）兴利与防洪不结合

（b）兴利与防洪部分结合正常蓄水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死水位V死防洪限制水位V兴V防V拦V调大坝溢洪道放水口大坝溢洪道放水口闸门正常蓄水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死水位V死防洪限制水位V兴V防V拦V调V结死水位水库特征水位及库容死库容▽在正常运行时，满足兴利需求，允许水库消落的最低水位.Z死〔V死〕泥沙淤积；另一方面自流灌溉、发电、航运、渔业及旅游等各用水部门，也要求水库水位不能低于某一高程。死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位死库容兴利库容▽▽水库在正常运行的情况下，满足兴利要求,允许充蓄并能保持的最高水位。Z正〔V兴〕V兴〔或调节库容〕作用：发电、供水、灌溉。消落深度：Z正与Z死之间的深度死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位死库容兴利库容▽▽▽是指汛期为防洪要求而限制水库兴利蓄水的上限水位。Z限Z限〔也叫洪水起调水位〕以上的库容作为滞蓄洪水的库容。只有在出现洪水时，水位才允许超过Z限，当洪水消退时，水位应回降到Z限死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位死库容兴利库容▽▽▽汛期为防洪要求而限制水库兴利蓄水的上限水位。Z限Z限根据洪水特性、防洪要求和水文预报条件，在汛期不同时段分期拟定。例如按主汛期、非主汛期等分别拟定不同的Z限。死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位防洪高水位死库容兴利库容防洪库容▽▽▽▽水库承担下游防洪任务，从防洪限制水位起调，在调节下游防护对象的防洪标准洪水时，坝前到达的最高水位。Z防V防死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位防洪高水位死库容兴利库容防洪库容▽▽▽▽Z限与Z正的库容为结合库容，又称共用库容、重迭库容。当V共为零时〔常见于溢洪道上不设闸门的小型水库〕，防洪和兴利不相结合，兴利库容无法参与拦蓄洪水；当V共不为零时〔常见于溢洪道上设立闸门的大中型水库〕，V共在非汛期用来蓄水兴利，而在汛前将其腾空，用于防洪，此时防洪和兴利相结合。共用库容Z限=Z正死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位防洪高水位设计洪水位死库容兴昨库容防洪库容拦洪库容▽▽▽▽▽水库从防洪限制水位起调，在拦蓄大坝设计标准洪水时，坝前到达的最高水位。Z设V拦Z设不仅决定了设计洪水情况下的上游洪水淹没范围，又影响到泄洪建筑物尺寸、型式〔包括溢流堰、泄洪孔、泄洪隧洞〕的选择。共用库容死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死库容兴利库容防洪库容调洪库容▽▽▽▽▽▽水库从防洪限制水位起调，遇到大坝校核标准洪水时，坝前水库到达的最高水位。Z校V调共用库容拦洪库容死库容死水位水库特征水位及库容正常蓄水位防洪限制水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死库容兴利库容防洪库容调洪库容总库容▽▽▽▽▽▽校核洪水位加上风浪高及平安超高就是大坝的坝顶高程。共用库容拦洪库容

（a）兴利与防洪不结合

（b）兴利与防洪部分结合正常蓄水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死水位V死防洪限制水位V兴V防V拦V调大坝溢洪道放水口大坝溢洪道放水口闸门正常蓄水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位死水位V死防洪限制水位V兴V防V拦V调V结第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔二〕尾水位尾水位是指水电站厂房尾水管出口处的水面高程，是确定水电站工作水头的参数之一，与电站过机流量和水库泄水流量相关。〔1〕最高尾水位，指在水电站校核洪水流量时，尾水管出口断面处出现的最高水位。〔2〕设计尾水位，是确定水轮机安装高程所用的尾水管出口断面处出现的水位。〔3〕最低尾水位，为相应水电站给定最小流量时，尾水管出口断面处出现的水位。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔三〕水库库容水库容积，简称库容，是水库用于存蓄水量的容积第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔1〕总库容，指水库校核洪水位至库底间所能储存水量的总容积。〔2〕调节库容，亦称兴利库容，指水库正常蓄水位至死水位〔或枯季消落低水位〕之间的库容，是有效库容的一局部，可供径流调节，以满足发电、灌溉、供水、航运等部门的需求。〔3〕死库容，指水库死水位以下的库容，正常情况下不用于径流调节，通常只用于淤沙。〔4〕有效库容，指水库校核洪水位至死水位之间的库容容，是水库用来进行径流调节以满足防洪租兴利需要的库容。〔5〕防洪库容，指水库防洪高水位至防洪限制水位之间的库容，专门留作滞蓄洪水、削减洪峰流量以防止下游河道泛滥。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔6〕拦洪库容，是指水库设计洪水位至防洪限制水位之间的库容，可调蓄大坝的设计标准洪水，确保大坝平安。钾〕调洪库容，是指水库校核洪水位至防洪限制水位之间的库容，可调蓄大坝的设计校核洪水，确保大坝平安。〔8〕共用库容，亦称重叠库容，是防洪限制水位低于正常蓄水位时，正常蓄水位与防洪限制水位之间的库容，为防洪与兴利所共用。〔9〕库容系数，水库调节库容与入库多年平均年水量之比。库容系数大，水库有较大的调节能力。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔四〕水电站水头和引用流量1、水头：是任意断面处单位重量水的能量，单位为m。包括三个组成局部：位置水头：到水平基准面的高度表示的重力势能；压力水头：产生所具压力〔强〕的水柱高度表示的压力势能；速度水头：转化为所具流速需要的水柱高度表示的动能毛水头:指上、下游水位的高程差;总水头:指引水管进口与尾水管出口测量断面的水位高程差与速度水头差之和;净水头:水轮机进口与尾水管出口侧量断面的位置水头差、压力水头差和速度水头差之和。净水头是总水头扣除引水系统发生的水头损失，用于水轮机做功的有效水头。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数水电站特征水头：〔1〕额定水头，是水轮发电机组能在额定转速下发出额定功率所需的最小净水头。〔2〕最大水头，指水电站上下游水位在一定组合下出现的最大净水头。〔3〕最小水头，指水电站上下游水位在一定组合下出现的最小净水头。〔3〕加权平均水头，指水电站按电能加权平均值计算的净水头，通常作为确定水轮机设计水头的依据〔即水轮机最高效率应尽可能在此水头附近〕。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数2、引用流量：水电站发电流量是指水电站在某一时刻流过各水轮机的流量之和，以m3／s为单位。水电站在额定水头、出力等于水电站装机容量时，引用流量常达最大值。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔五〕水电站装机容量指水电站全部水力发电机组额定功率总和，有时简称为水电站容量。它是电站建设规模和电力生产的主要指标。一个水电站的装机容量选得大，水能利用愈充分，对有调节能力的水电站那么可有愈大的调峰能力，但设备利用率低，装机年利用小时数少，投资也增大。水电站装机容量，一般包括：水电站最大工作容量水电站备用容量重复容量第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔1〕水电站最大工作容量，亦称保证工作容量，指电力系统负荷紧张时刻水电站所能担负投入的那局部容量，即符合设计保证率要求的工作容量。〔2〕水电站备用容量，是保证对用户的正常供电，分担最大负荷需要容量外增设的富裕容量，补充因各种原因而引起工作容量缺乏的局部。一般分为负荷备用容量、事故备用容量和检修备用容量三类。〔3〕重复容量，装设在调节性能较差的水电站上，利用洪水季节丰富的天然水量发出季节性电能的容量。这局部容量在枯水季节因缺乏水量而不能发电，不能使枯水季节火电站装机容量有所减少，对电力系统而言是重复的容量。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔六〕水电站保证出力与设计保证率水电站保证出力是水电站的一种主要动能指标，指水电站在长期运行过程中，符合设计保证率要求的一定时段内的平均出力。所取时段的长短，视水电站的调节性能而定：对无调节水电站、日调节水电站，是与设计保证率相应的平均流量所能产生的出力。对年调节水电站，是符合设计保证率的相应设计枯水年供水期的平均出力。水电站设计保证率是水电站运行期间到达预想设计要求的正常运行时间与预期总运行时间的比值，以百分数表示，通常为75%-98%。它可以理解为，是水电站在投产后的长期运行期间,平均每百年中水电站出力不小于保证出力的年数。第三节水电站水工建筑物及水电站主要特征参数〔七〕多年平均年发电量与装机容量年利用小时数1、多年平均发电量：水电站多年平均年发电量指水电站多年工作期间平均