熱能與動力工程概論 呂太 第五章 水力發(fā)電新

2018/1/101第五章水力發(fā)電第一節(jié)水能利用和水電站基本類型1第二節(jié)水電廠水輪機(jī)設(shè)備2第三節(jié)水輪機(jī)工作原理及調(diào)節(jié)3第四節(jié)水電廠主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4第五章水力發(fā)電第五章水力發(fā)電2018/1/102第五章水力發(fā)電2018/1/103第五章水力發(fā)電第一節(jié)水能利用和水電站基本類型V一、水能資源V二、水能利用概述V三、水電站的基本類型2018/1/104第五章水力發(fā)電一、水能資源一切地面、地下水源也就成了一種重要的自然資源，稱之為水資源。其中，河川水流及沿海潮汐所蘊(yùn)藏的天然水能稱之為水能資源或水力資源，它是水電站生產(chǎn)電能的“原料”，和煤炭、石油一樣是國家寶貴的財(cái)富。第五章水力發(fā)電2018/1/105第五章水力發(fā)電一、水能資源我國能源探明總儲量的構(gòu)成2018/1/106第五章水力發(fā)電一、水能資源我國能源剩余可采總儲量的構(gòu)成2018/1/107第五章水力發(fā)電一、水能資源所謂常規(guī)能源資源通常包括煤炭、水能、石油和天然氣,我國能源資源探明總儲量約8450億噸標(biāo)準(zhǔn)煤其中水能為可再生資源,按使用100年計(jì)算,探明剩余可采總儲量為1590億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,分別約占世界總量的267和115。我國能源探明總儲量的構(gòu)成為原煤851、原油127、水能119、天然氣03,能源剩余可采總儲量的構(gòu)成為原煤514、水能446、原油29、天然氣11。由此可見，我國常規(guī)能源資源以煤炭和水能為主，水能僅次于煤炭，居十分重要的地位。2018/1/108第五章水力發(fā)電一、水能資源我國分地區(qū)的水能資源的理論蘊(yùn)藏量地區(qū)理論蘊(yùn)藏量/104KW年發(fā)電量/（108KWH）占全國的比例/華北地區(qū)東北地區(qū)華東地區(qū)中南地區(qū)西南地區(qū)西北地區(qū)全國1229931212663004886408374733118871469676047110774106232632356138414621737395922181818449570012510002018/1/109第五章水力發(fā)電一、水能資源我國分地區(qū)的水能資源地區(qū)裝機(jī)容量/104KW年發(fā)電量/（108KWH）占全國的比例/華北地區(qū)東北地區(qū)華東地區(qū)中南地區(qū)西南地區(qū)西北地區(qū)全國6919811994517902267534923234334193773785324232253849168794297365130503619049319233041220361556789910002018/1/1010第五章水力發(fā)電一、水能資源2018/1/1011第五章水力發(fā)電一、水能資源我國水能資源總量雖然十分豐富，但人均資源量并不高。例如，我國可開發(fā)的水能資源約占世界總量的15，但人均資源量卻只有世界平均值的70左右。另外，我國水資源的分布不均衡。從河流看，水能資源主要集中在長江、黃河中上游、雅魯藏布江中下游、珠江、瀾滄江、怒江和黑龍江上游。2018/1/1012第五章水力發(fā)電二、水能利用水能是自然界廣泛存在的一次能源。它可以通過水力發(fā)電站方便地轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)的二次能源電能。所以通常所說的“水電”既是被廣泛利用的常規(guī)能源，又是可再生能源。而且水力發(fā)電對環(huán)境無污染，因此水能是世界上眾多能源中永不枯竭的優(yōu)質(zhì)能源。2018/1/1013第五章水力發(fā)電V水力發(fā)電在重力作用下，由高處流往低處的水體具有一定的能量。利用從高處流到低處的水力，帶動水輪發(fā)電機(jī)組，將水能直接轉(zhuǎn)換成電能，輸送出去。二、水能利用2018/1/1014第五章水力發(fā)電在天然狀況下，在高處的水所具有的能量消耗于克服水流摩阻、河床表面的摩阻、挾帶泥沙、沖刷河床等。進(jìn)行水能開發(fā)就是采取人工措施，將這些分散的白白消耗掉的能量集中起來加以利用。針對天然水能落差分散和流量多變，開發(fā)利用水能時要解決的基本問題是集中落差和調(diào)節(jié)流量，尤其是集中落差必不可少。二、水能利用2018/1/1015第五章水力發(fā)電構(gòu)成河流水能的兩個基本要素二、水能利用1河段落差水面高程差2河中水量或流量2018/1/1016第五章水力發(fā)電二、水能利用水能資源綜合利用旅游水產(chǎn)TEXTTEXTTEXT灌溉航運(yùn)發(fā)電防洪養(yǎng)殖供水2018/1/1017第五章水力發(fā)電V我國水電發(fā)展概況建國初期，水電建設(shè)主要集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)展及用電增長較快的東部地區(qū),但大型水電站不多。20世紀(jì)50年代末,開始在黃河干流興建劉家峽等大型水電站,但仍以東部地區(qū)的開發(fā)建設(shè)為主,西南地區(qū)豐富的水力資源尚未得到大規(guī)模開發(fā),水電在電力工業(yè)中的比重逐步下降。近年來,國家把開發(fā)西部地區(qū)水力資源提到重要位置,尤其是提出“西電東送”戰(zhàn)略以后,西南地區(qū)豐富的水力資源逐步得到開發(fā)利用。二、水能利用2018/1/1018第五章水力發(fā)電V目前，我國水電建設(shè)技術(shù)已具有世界水平，一大批世界頂級的工程、一大批世界頂尖的技術(shù)已在中國興起。2008年底，世界矚目的三峽水利樞紐工程發(fā)電機(jī)組全部投產(chǎn)，總裝機(jī)容量達(dá)到1820萬千瓦，堪稱世界上最大的水電站。二、水能利用2018/1/1019第五章水力發(fā)電三峽工程世界之最V世界防洪效益最為顯著的水利工程三峽水庫總庫容393億M3，防洪庫容2215億M3，能有效地控制長江上游洪水，增強(qiáng)長江中下游抗洪能力。V世界上最大的水電站三峽電站總裝機(jī)容量1820萬KW，年發(fā)電量8468億萬KWH。V世界上建筑規(guī)模最大的水利工程三峽大壩軸線長230974M，裝有26臺70萬KW的水輪發(fā)電機(jī)組，雙線5級船閘加升船機(jī)，無論單項(xiàng)、總體都是世界建筑規(guī)模最大的水利工程。V世界上工程量最大的水利工程主體建筑土石方挖填量為134億M3，混凝土澆筑量2794萬M3，鋼筋4630萬噸，金結(jié)2565萬噸。V世界上施工難度最大的水利工程2000年混凝土澆筑量為54871萬M3，月澆筑量為55萬M3，創(chuàng)造了混凝土澆筑量的世界記錄。2018/1/1020第五章水力發(fā)電V施工期流量最大水利工程三峽工程截流流量為9010M3/S，施工導(dǎo)流最大洪峰流量達(dá)79000M3/S。V世界泄洪能力最大的泄洪閘三峽工程泄洪閘最大泄洪能力為1025萬M3/S。V世界級數(shù)最多、總水頭最高的內(nèi)河船閘三峽工程雙線5級船閘，總水頭113M。V世界上規(guī)模最大、難度最高的升船機(jī)升船機(jī)有效尺寸為120M18M35M，最大升程113M，船箱帶水中量達(dá)11800噸，過船噸位3000噸。V世界上水庫移民最多、工作最為艱巨的移民建設(shè)工程三峽水庫移民最終可達(dá)113萬。三峽工程世界之最2018/1/1021第五章水力發(fā)電三峽工程三峽工程2018/1/1022第五章水力發(fā)電2018/1/1023第五章水力發(fā)電三、水電站的基本類型水電站水電站類型類型BECDA壩式水電站引水式水電站混合式水電站抽水蓄能式水電站潮汐式水電站2018/1/1024第五章水力發(fā)電V壩式水電站在河道上修筑攔河大壩，抬高上游水位，以集中落差，并形成水庫調(diào)節(jié)流量，這種水能開發(fā)方式稱壩式開發(fā)。用壩集中水頭的水電站稱為壩式水電站。按照集中落差的大小和水電站廠房布置的特點(diǎn)又可分為壩后式水電站和河床式水電站兩種。1壩式水電站2018/1/1025第五章水力發(fā)電壩式水電站示意圖壩式水電站示意圖2018/1/1026第五章水力發(fā)電壩后式水電站廠房在壩的下游，不起擋水作用，發(fā)電用水經(jīng)壩式進(jìn)水口沿壩身壓力管道進(jìn)入廠房。一般適用于中、高水頭的情況。壩后式水電站丹江口水電站2018/1/1027第五章水力發(fā)電當(dāng)水頭較低，單機(jī)容量有較大時，廠房與整個進(jìn)水建筑物連成一體，廠房本身起擋水作用稱為河床式廠房。葛洲壩水利樞紐西津水電站閘墩式青銅峽水電站河床式水電站河床式水電站2018/1/1028第五章水力發(fā)電河床式水電站布置示意圖河床式水電站布置示意圖2018/1/1029第五章水力發(fā)電V壩式開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是建壩形成水庫，可用以調(diào)節(jié)流量，故壩式水電站引用流量大、電站規(guī)模也大，水能利用較充分；壩式水電站因有水庫，綜合利用效益高，可同時解決防洪和其他興利部門的水利問題。2018/1/1030第五章水力發(fā)電V壩式開發(fā)的不足由于壩的工程量較大，尤其是形成水庫會帶來淹沒問題，造成庫區(qū)土地、森林、礦產(chǎn)等的淹沒損失和城鎮(zhèn)居民搬遷安置工作的困難，要花淹沒損失費(fèi)，所以，壩式水電站一般投資較大、工期較長、單價較貴。2018/1/1031第五章水力發(fā)電2引水式水電站V引水式水電站在河流坡降較陡的山區(qū)河段上游,筑一低壩或無壩取水,通過修建的引水道明渠、隧洞、管道等引水到河段下游附近來集中落差,再經(jīng)壓力管道引水至水輪機(jī)發(fā)電，這種采用引水道集中水頭的水電站稱為引水道式水電站。按引水建筑物中水流流態(tài)的不同，引水式水電站可分為無壓引水式水電站和有壓引水式水電站兩種。2018/1/1032第五章水力發(fā)電采用無壓引水建筑物（如明渠、無壓隧洞,在無壓引水道與壓力水管的連接處設(shè)壓力前池，用明流的方式引水以集中落差的水電站，稱為無壓引水式水電站。無壓引水式水電站一般水頭較小、規(guī)模不大。無壓引水式水電站2018/1/1033第五章水力發(fā)電無壓引水式水電站無壓引水式水電站1河源；2明渠；3取水壩；4進(jìn)水口；5前池；6壓力水管；7水電站廠房；8尾水渠2018/1/1034第五章水力發(fā)電采用有壓引水建筑物如壓力隧洞、壓力水管，用壓力流的方式引水以集中落差的水電站，稱為有壓引水式水電站。有壓引水式水電站的水頭多為中高水頭，目前最高水頭達(dá)2000多米，如意大利勞累斯有壓引水式水電站最大水頭達(dá)2030M。有壓引水式水電站2018/1/1035第五章水力發(fā)電1高河（或河灣上游）；2低河（或河灣下游）；3進(jìn)水口；4有壓隧洞；5低壓室；6壓力鋼管；7水電站廠房有壓引水式水電站有壓引水式水電站2018/1/1036第五章水力發(fā)電引水式開發(fā)適用于河道坡降較陡、流量較小的山區(qū)性河段。尤其是適用于有下列天然地形條件的河段有瀑布或連續(xù)急灘的河段，用不長的引水道可獲得較大水頭。在河道有大彎段的頸部，可用截彎取直引水方式，獲得相當(dāng)?shù)乃^。當(dāng)相鄰河流高差很大而又相隔不遠(yuǎn)時，可在兩河相距最近處采取跨河引水方式，獲得較大水頭。2018/1/1037第五章水力發(fā)電3混合式水電站在一個河段上，同時用壩和有壓引水道結(jié)合起來共同集中落差的開發(fā)方式，叫混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后，再通過有壓引水道隧洞集中壩下河段的另一部分落差，形成電站總水頭，這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。2018/1/1038第五章水力發(fā)電3混合式水電站1壩；2進(jìn)水口；3隧洞；4調(diào)壓井；5斜進(jìn)；6鋼管；7地下廠房；8尾水洞；9交通洞；10蓄水庫2018/1/1039第五章水力發(fā)電4潮汐式水電站利用海洋漲潮落潮所形成的水位差引海水（即潮汐能）發(fā)電而建成的水電站，稱潮汐式水電站。分類1單庫單向發(fā)電2單庫雙向發(fā)電2018/1/1040第五章水力發(fā)電潮汐水能發(fā)電示意圖2018/1/1041第五章水力發(fā)電4潮汐式水電站世界最大的潮汐電站法國朗斯電站2018/1/1042第五章水力發(fā)電5抽水蓄能式水電站建筑物組成包括上下兩個水庫,用引水建筑物相連,蓄能電站廠房建在下水庫處,采用雙向機(jī)組（如下圖）抽水蓄能放水發(fā)電包括兩個過程（實(shí)物圖如下）2018/1/1043第五章水力發(fā)電抽水蓄能式水電站實(shí)物圖2018/1/1044第五章水力發(fā)電5抽水蓄能式水電站V抽水蓄能系統(tǒng)負(fù)荷低時，利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機(jī)組將下庫的水抽到上庫電動機(jī)水泵，以水的勢能形式貯存起來；V放水發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中電能的不足。V抽水蓄能式水電站一般可以分為兩類純抽水蓄能水電站；混合式抽水蓄能電站2018/1/1045第五章水力發(fā)電純抽水蓄能式水電站V純抽水蓄能水電站是指上水庫無天然的徑流量，全憑動力從下水庫抽取水量。水在上下水庫之間循環(huán)使用，但由于蒸發(fā)與滲漏要損失水量，所以下水庫必須有徑流補(bǔ)充。純抽水蓄能水電站純粹是為了滿足電力系統(tǒng)調(diào)峰填谷的需要而興建的。V特點(diǎn)是站址選擇自由，要求靠近用電負(fù)荷中心或電源點(diǎn)，水頭高，水源充沛，地質(zhì)條件優(yōu)越；相應(yīng)的水工建筑物及引水系統(tǒng)規(guī)模??；造價低，投資少。它以日、周調(diào)節(jié)為主。西方國家已大量發(fā)展這種純抽水蓄能水電站。2018/1/1046第五章水力發(fā)電混合式抽水蓄能電站V是利用河流上常規(guī)水電站水庫作低庫，另建高庫，在電站廠房內(nèi)裝有水泵水輪機(jī)組可逆式和常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組，既可進(jìn)行水流的能量轉(zhuǎn)換，又能利用天然徑流發(fā)電，可以調(diào)節(jié)發(fā)電和抽水的比例以增加發(fā)電量。V在混合式抽水蓄能電站內(nèi)，發(fā)電用水來源一部分靠徑流，一部分靠抽儲的水量。它在電力系統(tǒng)中兼有常規(guī)水電站和純抽水蓄能水電站的雙重功能，對于解決發(fā)電用水與其他季節(jié)性用水之間的矛盾特別有用。2018/1/1047第五章水力發(fā)電2018/1/1048第五章水力發(fā)電第二節(jié)水電廠水輪機(jī)設(shè)備V一、水輪機(jī)發(fā)展概況V二、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)類型V三、水輪機(jī)的工作參數(shù)與特性V四、水輪發(fā)電機(jī)組的其他設(shè)備2018/1/1049第五章水力發(fā)電一、水輪機(jī)發(fā)展概況V1951年哈爾濱電機(jī)廠開始生產(chǎn)第一臺800KW的混流式機(jī)組，到今天，已能制造出單機(jī)容量為700MW轉(zhuǎn)輪直徑世界最大的三峽水電站的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。V1979年由東方電機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的用于葛洲壩電站的單機(jī)容量為17萬KW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，其轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)113M，是目前世界上最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。V至今全國有20多個水輪機(jī)制造廠納入國家計(jì)劃，可生產(chǎn)出多種型號和品種的水輪機(jī)。另外各地區(qū)縣還有許多小型水輪機(jī)制造廠，它們是發(fā)展農(nóng)村小水電，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化的生力軍。2018/1/1050第五章水力發(fā)電二、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)類型混流式HL軸流定漿式ZD軸流式ZL軸流轉(zhuǎn)漿式ZZ斜流定漿式XD反擊式斜流式XL斜流轉(zhuǎn)漿式XZ貫流定漿式GD貫流式GL貫流轉(zhuǎn)漿式GZ切擊式CJ沖擊式斜擊式XJ雙擊式SJ2018/1/1051第五章水力發(fā)電反擊式水輪機(jī)V反擊式水輪機(jī)根據(jù)水流在轉(zhuǎn)輪中流動形式的特征，又可分為混流式、軸流式、貫流式和斜流式等幾種主要型式的水輪機(jī)。V反擊式水輪機(jī)利用水流的位能、壓能和動能進(jìn)行工作。上游水庫中的水，在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前已大部分轉(zhuǎn)化成壓能，動能僅是一小部分。水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時，由于受轉(zhuǎn)輪葉片的作用改變了速度大小和方向，因而對轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生了反作用力，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作功。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)輪處于壓力水流的包圍之中，不與大氣接觸。2018/1/1052第五章水力發(fā)電混流式水輪機(jī)混流式水輪機(jī)是水流開始進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片時為徑向，流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時改變了方向，最后為軸向從葉片流出。水流從壓力鋼管進(jìn)入水輪機(jī)以后，先經(jīng)過蝸殼1，然后通過活動導(dǎo)葉2進(jìn)入轉(zhuǎn)輪3。蝸殼和活動導(dǎo)葉控制著進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流速度的大小和方向。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)推動轉(zhuǎn)輪做功以后，從尾水管4排入下游河道。2018/1/1053第五章水力發(fā)電V混流式結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，效率高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)之一。V大型混流式水輪機(jī)一般應(yīng)用于50700M水頭范圍，單機(jī)容量由幾十干瓦到幾十萬千瓦?；炝魇剿啓C(jī)2018/1/1054第五章水力發(fā)電軸流式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)是水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片和流出轉(zhuǎn)輪葉片的水流方向均為軸向。右圖為軸流式水輪機(jī)簡圖。其中，蝸殼1、活動導(dǎo)葉2、轉(zhuǎn)輪3以及尾水管4等主要組成部分都與混流式水輪機(jī)相同。不同的只是轉(zhuǎn)輪的形狀。2018/1/1055第五章水力發(fā)電軸流式水輪機(jī)軸流式又分定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式葉片不能轉(zhuǎn)動，但結(jié)構(gòu)簡單。當(dāng)水頭和出力變化時，效率變化較大，運(yùn)行平均效率較低。所以定槳式適用于功率不大，水頭變化不大的電站，目前適用水頭為350M。轉(zhuǎn)槳式葉片相對于轉(zhuǎn)輪體可以轉(zhuǎn)動。在運(yùn)行中根據(jù)不同的負(fù)荷和水頭，葉片與導(dǎo)葉相互配合，形成一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉與葉片的雙重調(diào)節(jié)，獲得較高的水力效率和穩(wěn)定的運(yùn)行特性。它適用于水頭變化較大，特別是出力變化較大的電站。適用水頭為380M，廣泛用于低水頭、大容量的電站。2018/1/1056第五章水力發(fā)電貫流式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)是水流進(jìn)入和流出水輪機(jī)的方向均與主軸方向一致，直貫整個水輪機(jī)流道。水流從上游直接通過活動導(dǎo)葉3進(jìn)入轉(zhuǎn)輪4。上游管路、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管5，總體上就是一根管路，提高了過流能力和水力效率。發(fā)電機(jī)2裝置于這個管路之內(nèi)，用一個鋼制殼體1保護(hù)起來。2018/1/1057第五章水力發(fā)電這種結(jié)構(gòu)由于水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運(yùn)動不拐彎，提高了過流能力和水力效率,是目前貫流式水輪機(jī)的主流結(jié)構(gòu)形式。貫流式水輪機(jī)適用于225M水頭，廣泛用于平原河流上的電站和潮汐電站。貫流式水輪機(jī)2018/1/1058第五章水力發(fā)電斜流式水輪機(jī)斜流式水輪機(jī)是水流進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪葉片時的方向均與水輪機(jī)主軸傾斜一定角度。斜流式水輪機(jī)適用于水頭變幅大的電站,一般應(yīng)用于40200M水頭范圍。目前由于它的制造工藝較復(fù)雜,技術(shù)要求較高,在一定程度上限制了它的推廣和應(yīng)用。1蝸殼；2導(dǎo)葉；3轉(zhuǎn)輪葉片；4尾水管2018/1/1059第五章水力發(fā)電斜流式水輪機(jī)斜流式轉(zhuǎn)輪葉片布置在與主軸同心的圓錐面上,葉片軸線與水輪機(jī)主軸中心線形成交角，角隨水頭不同而異，一般水頭在4080M時60，水頭在60130M時45，水頭在120200M時30。2018/1/1060第五章水力發(fā)電反擊式水輪機(jī)沖擊式水輪機(jī)利用水流的動能進(jìn)行工作。由壓力水管引來的高壓水流，經(jīng)噴嘴把全部水流的能量均轉(zhuǎn)化成速度能的形式，并以高速的自由射流沖向轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動作功。沖擊式水輪機(jī)，按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式可分為切擊式又稱水斗式、斜擊式和雙擊式三種型式。2018/1/1061第五章水力發(fā)電切擊式水輪機(jī)切擊式水輪機(jī)是水流從噴嘴射出后，沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向沖擊水斗。在沖擊式水輪機(jī)中，高壓的水流從噴嘴1中高速噴出，形成一股自由射流。該射流作用于轉(zhuǎn)輪葉片2，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功。噴嘴、射流和轉(zhuǎn)輪的相互關(guān)系用該圖右上角的局部放大圖作了進(jìn)一步的說明。噴嘴中有噴針3，前后移動噴針,就可以改變噴嘴的出口面積，從而改變流量和水輪機(jī)的功率。2018/1/1062第五章水力發(fā)電斜擊式水輪機(jī)斜擊式水輪機(jī)的主要部件與切擊式水輪機(jī)大致相同，但其水流從噴嘴射出方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一斜角一般225，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)噴射斗葉，從另一側(cè)流出。斜流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭為25400M，適用在中小型水電站上。2018/1/1063第五章水力發(fā)電雙擊式水輪機(jī)雙擊式水輪機(jī)是從噴嘴射出的水流首先噴射在轉(zhuǎn)輪上部葉片，對葉片進(jìn)行第一次沖擊；然后水流穿過轉(zhuǎn)輪中心進(jìn)入轉(zhuǎn)輪下部，再對下部葉片進(jìn)行第二次沖擊。雙擊式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭為580M，因效率較低，只適用于小型水電站。2018/1/1064第五章水力發(fā)電水輪機(jī)的類型、適用范圍及其特點(diǎn)類型代號適用水頭M比轉(zhuǎn)速NS機(jī)型特點(diǎn)反擊式混流式HL70050300結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，效率高，多用于中等水頭和中等流量的電站，是目前應(yīng)用最廣泛的水輪機(jī)之一軸流式定漿ZD轉(zhuǎn)漿ZZ350380250700200850過水能力大，適用于大流量、低水頭電站。用轉(zhuǎn)槳式ZX能克服定槳式ZD在流星變化時造成的運(yùn)行不穩(wěn)定和低負(fù)荷運(yùn)行時效率低的缺點(diǎn)。貫流式定漿GD轉(zhuǎn)漿GZ203023010001000過水能力大，流道通暢，水利損失小，效率高，土建投資少，但密封止水相絕緣要求高。適用于平原地區(qū)低水頭、大流量的電站和潮汐電站。斜流式XL40200100350多數(shù)為轉(zhuǎn)槳式的，運(yùn)行時高效率區(qū)較寬，對水頭和流量變化較大的情況能適應(yīng)。但其制造工藝較復(fù)雜，技術(shù)要求較高。2018/1/1065第五章水力發(fā)電沖擊式切擊式CJ200335適用于高水頭、小流量電站，是唯一使用在700M以上的高水頭水輪機(jī)。小型機(jī)組多用于水頭在50M以上、流量在1M3/S以下的電站。斜擊式XJ254003070與切擊式水斗式相比，轉(zhuǎn)輪較簡單，過水能力大，制造容易，使用流量較切擊式大，適用在中小型水電站上。雙擊式SJ58035150水流從噴嘴射出后，先沖擊轉(zhuǎn)輪的上部葉片；然后水流通過轉(zhuǎn)輪中心再沖擊下部葉片。因效率較低，主要用于小型電站。類型代號適用水頭M比轉(zhuǎn)速NS機(jī)型特點(diǎn)水輪機(jī)的類型、適用范圍及其特點(diǎn)2018/1/1066第五章水力發(fā)電三、水輪機(jī)的工作參數(shù)與特性水頭流量功率、效率水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速（一）工作參數(shù)2018/1/1067第五章水力發(fā)電1水輪機(jī)的工作水頭水輪機(jī)的水頭H是指水輪機(jī)的進(jìn)口斷面1和出口斷面2的單位重量水流所具有的能量差2018/1/1068第五章水力發(fā)電2水輪機(jī)的流量每秒鐘流進(jìn)或流出水輪機(jī)的水流體積，叫做水輪機(jī)的流量，以Q作代號，以M3S作單位。把一個直徑為D1，工作水頭為H的水輪機(jī)的實(shí)際流量Q折算為直徑1M，工作水頭1M的水輪機(jī)流量，叫做水輪機(jī)的“單位流量”，以作代號2018/1/1069第五章水力發(fā)電3水輪機(jī)的功率和效率水流流進(jìn)水輪機(jī)每單位時間付出的能量叫做“水功率”，用表示，單位為KW或MW。WKW水輪機(jī)通過主軸輸出的功率稱為水輪機(jī)的功率（用N表示），因?yàn)橛袚p失，所以它比“水功率”要小一些，兩者之比（輸出能量與輸入能量的比值）就叫做水輪機(jī)的效率2018/1/1070第五章水力發(fā)電4水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速是指當(dāng)工作水頭H1M、發(fā)出的功率N1KW時，水輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速。式中，N是水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)分鐘；N是水輪機(jī)的功率KW；H是水輪機(jī)的工作水頭M。2018/1/1071第五章水力發(fā)電水輪機(jī)參數(shù)參數(shù)關(guān)系反映水輪機(jī)特性。1結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)輪直徑D1，導(dǎo)葉高度B0，導(dǎo)葉開度A0，葉片轉(zhuǎn)角2工作參數(shù)H、Q、N、H3、N、3綜合參數(shù)2018/1/1072第五章水力發(fā)電（二）水輪機(jī)特性曲線2018/1/1073第五章水力發(fā)電1水輪機(jī)線型特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線2018/1/1074第五章水力發(fā)電當(dāng)N0時，因?yàn)樗啓C(jī)不轉(zhuǎn)動，故不能輸出有功功率，則N0、0。當(dāng)N達(dá)最高轉(zhuǎn)速時，由于流入水輪機(jī)的水流能量全部消耗在因水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨擦損失上，故出力N0和0。水輪機(jī)出力N和效率的最大值，發(fā)生在轉(zhuǎn)速N從零到最大值，或力矩M從最大值至零之間的某一點(diǎn)，并且最大出力和最高效率一般發(fā)生在兩個不同的工況點(diǎn)。轉(zhuǎn)速特性曲線2018/1/1075第五章水力發(fā)電工作特性曲線工作特性曲線2018/1/1076第五章水力發(fā)電A是載點(diǎn)，即水輪機(jī)維持額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)時，消耗的功率NX此時軸功率為零，故效率曲線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)；C點(diǎn)是效率最高點(diǎn)，即最優(yōu)工況點(diǎn)，切線為水平線；D點(diǎn)是極限出力點(diǎn)，是水輪機(jī)可能發(fā)生的最大出力NMAX點(diǎn)。過D點(diǎn)以后，即使導(dǎo)葉開度A0再增大，由于水力損失急劇加大，效率下降超過流量增加對出力的影響，故出力反而下降。因此，水輪機(jī)在這一區(qū)域內(nèi)不能穩(wěn)定運(yùn)行；B點(diǎn)是出力限制點(diǎn)，把水輪機(jī)限制在最大出力的95以內(nèi)運(yùn)行，保證水輪機(jī)有5NMAX的出力儲備，防止水輪機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。工作特性曲線2018/1/1077第五章水力發(fā)電不同型式水輪機(jī)工作特性曲線不同型式水輪機(jī)工作特性曲線2018/1/1078第五章水力發(fā)電曲線1為高比轉(zhuǎn)速軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),因轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動,它的效率變化最小,高效率區(qū)寬廣,只有當(dāng)出力很大時效率才稍有下降。曲線2為中比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)，效率變化較大，高效率區(qū)較窄，但最高效率較高。曲線3為低比轉(zhuǎn)速的沖擊式水輪機(jī)，效率變化小，高效率區(qū)寬，而最高效率最低。曲線4為高比轉(zhuǎn)速軸流定槳式水輪機(jī)，效率變化最大，高效率區(qū)最窄，特性曲線出現(xiàn)尖蜂，末端有鉤子區(qū)。不同型式水輪機(jī)工作特性曲線2018/1/1079第五章水力發(fā)電2水輪機(jī)綜合特性曲線模型綜合特性曲線能全面地反映出模型水輪機(jī)的效率、汽蝕、導(dǎo)葉開度等綜合性能的大小，有利于各種不同型式水輪機(jī)的性能比較，所以是分析比較水輪機(jī)性能的依據(jù)，是代表同系列水輪機(jī)的總特性曲線。運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線能反映出水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行水頭H和出力N時水輪機(jī)的效率和吸出高度，所以可用它來指導(dǎo)水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和正確地選擇水輪機(jī)。2018/1/1080第五章水力發(fā)電四、水輪發(fā)電機(jī)組的其它設(shè)備1發(fā)電機(jī)2調(diào)速器3水輪機(jī)進(jìn)水閥4油、水、氣系統(tǒng)5電能輸送裝置2018/1/1081第五章水力發(fā)電1水輪發(fā)電機(jī)由水輪機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)。由于水電站自然條件的不同，水輪發(fā)電機(jī)組的容量和轉(zhuǎn)速的變化范圍很大。通常小型水輪發(fā)電機(jī)和沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動的高速水輪發(fā)電機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)，而大、中型代速發(fā)電機(jī)多采用立式結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)的外型與汽輪發(fā)電機(jī)不同，它的轉(zhuǎn)子直徑大而長度短。水輪發(fā)電機(jī)組起動、并網(wǎng)所需時間較短，運(yùn)行調(diào)度靈活，它除了一般發(fā)電以外，特別適宜于作為調(diào)峰機(jī)組和事故備用機(jī)組。2018/1/1082第五章水力發(fā)電2調(diào)速器調(diào)速器是依據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速的快慢，通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度來改變進(jìn)入水輪機(jī)的流量以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)供求平衡的。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增大，機(jī)組發(fā)出的電能不能滿足要求，轉(zhuǎn)速因而降低時，由永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速降低信號，通過調(diào)速器開大導(dǎo)葉開度增大電能輸出使電力系統(tǒng)的供求達(dá)到平衡，相反，當(dāng)機(jī)組發(fā)出的電能超過系統(tǒng)需要時，轉(zhuǎn)速會升高，通過調(diào)速器來關(guān)小導(dǎo)葉的開度，減小電能輸出，使系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。2018/1/1083第五章水力發(fā)電調(diào)速器的基本作用是1能自動調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使其保持在額定轉(zhuǎn)速允許偏差內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，以滿足電網(wǎng)對頻率質(zhì)量的要求。2能使水輪發(fā)電機(jī)組自動或手動快速啟動，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的增減，正常停機(jī)或緊急停機(jī)的需要。3當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行時，調(diào)速器能自動承擔(dān)預(yù)定的負(fù)荷分配，使各機(jī)組能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。4能滿足轉(zhuǎn)槳式、沖擊式水輪機(jī)雙重協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)的需要。2調(diào)速器2018/1/1084第五章水力發(fā)電3水輪機(jī)進(jìn)水閥在壓力管道末端，水輪機(jī)蝸殼或引水管之前所設(shè)的閥門稱為水輪機(jī)進(jìn)水閥。進(jìn)水閥只有全開及全關(guān)兩種工作位置，不調(diào)節(jié)進(jìn)水的流量。作用為機(jī)組檢修提供安全工作條件停機(jī)時減少機(jī)組漏水量，開機(jī)時縮短起動所需要的時間防止機(jī)組飛逸事故擴(kuò)大2018/1/1085第五章水力發(fā)電3水輪機(jī)進(jìn)水閥蝴蝶閥球閥閘閥2018/1/1086第五章水力發(fā)電4油系統(tǒng)油系統(tǒng)包括油泵、貯油、凈油設(shè)備和管路。作用1接受新油，并以自流或以油泵壓送的方法將新油送入貯油桶。2貯備凈油，以供發(fā)生事故需要更換污油或正常運(yùn)行補(bǔ)充損耗之用。3在設(shè)備大修后或新安裝機(jī)組運(yùn)行前，給設(shè)備充凈油。4向運(yùn)行設(shè)備添油，補(bǔ)充用油設(shè)備在運(yùn)行中的損耗。5檢修時，通過油泵或自流方式，從設(shè)備中排出污油并送到油庫的污油桶或運(yùn)行油桶中。6將貯存在污油桶運(yùn)行油桶中的污油通過壓力過濾或真空過濾進(jìn)行凈化處理。7油的監(jiān)督與維護(hù)。2018/1/1087第五章水力發(fā)電4水系統(tǒng)水系統(tǒng)包括水泵、閥門和管路等組成的供水和排水系統(tǒng)。水電站中需要排出的水可以概括為生產(chǎn)排水，滲漏排水和檢修排水三大類。水電站的供水包括技術(shù)用水、消火用水和生活用水。2018/1/1088第五章水力發(fā)電4氣系統(tǒng)氣系統(tǒng)包括空壓機(jī)、貯氣罐及管道等。用途1油壓裝置壓力油罐充氣。2機(jī)組停機(jī)過程中制動裝置用氣。3水輪發(fā)電機(jī)作調(diào)相運(yùn)行時，反擊型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室及尾水管的壓水充氣。4主閥圍帶止水充氣。5水輪機(jī)主軸的圍帶止水充氣。6設(shè)備維護(hù)及檢修工作中風(fēng)動工具、吹掃等用氣。2018/1/1089第五章水力發(fā)電5電能輸送裝置水電站運(yùn)行后，發(fā)出的電能經(jīng)配電后再送至輸電線路，最終到達(dá)用戶。下圖是水電站電能傳輸過程示意圖。水輪發(fā)電機(jī)組1發(fā)出的電能經(jīng)戶內(nèi)配電裝置上的斷路器2、隔離開關(guān)3送給戶內(nèi)母線4，母線匯集各發(fā)電機(jī)的電能，經(jīng)升壓變壓器5升壓后，通過戶外開關(guān)站內(nèi)的斷路器6、隔離開關(guān)7輸送給戶外高壓母線8，高壓輸電線XL從母線8上獲得電能向遠(yuǎn)方輸送。2018/1/1090第五章水力發(fā)電5電能輸送裝置1水輪發(fā)電機(jī)；2戶內(nèi)斷路器；3戶內(nèi)隔離開關(guān)；4戶內(nèi)母線；5升壓變壓器；6戶外斷路器；7戶外隔離開關(guān)；8戶外高壓母線；9絕緣子；10母線支持桿2018/1/1091第五章水力發(fā)電2018/1/1092第五章水力發(fā)電第三節(jié)水輪機(jī)工作原理及調(diào)節(jié)V一、水輪機(jī)工作原理V二、水輪機(jī)的調(diào)節(jié)2018/1/1093第五章水力發(fā)電一、水輪機(jī)工作原理U水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動是復(fù)雜的空間非恒定流1是轉(zhuǎn)輪的流通形狀復(fù)雜；2轉(zhuǎn)輪本身又是旋轉(zhuǎn)的。因此，在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流，既隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，同時又沿著轉(zhuǎn)輪葉片的彎曲表面作相對運(yùn)動，所以實(shí)際上是一種復(fù)雜的空間流動。2018/1/1094第五章水力發(fā)電（一）水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動反擊式轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動速度可分解水流相對于轉(zhuǎn)輪的速度，稱相對速度，以W表示；水流與轉(zhuǎn)輪一起繞主軸旋轉(zhuǎn)時在圓周切線方向的牽連速度，稱圓周速度，以U表示；水流質(zhì)點(diǎn)所具有的速度對地球而言，稱絕對速度，以V表示。2018/1/1095第五章水力發(fā)電（二）水輪機(jī)的基本方程式動量矩定理單位時間內(nèi)水流對轉(zhuǎn)輪的動量矩改變，應(yīng)等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即其中M為水流對轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達(dá)了水輪機(jī)中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。2018/1/1096第五章水力發(fā)電水流傳給轉(zhuǎn)輪的功率為（二）水輪機(jī)的基本方程式實(shí)質(zhì)上就是恒定流時水能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的能量平衡方程式，是能量守恒原理在水輪機(jī)中的應(yīng)用。它對反擊式和沖擊式水輪機(jī)都適用。2018/1/1097第五章水力發(fā)電水輪機(jī)的基本方程式也可用環(huán)量表示其中，（二）水輪機(jī)的基本方程式2018/1/1098第五章水力發(fā)電水輪機(jī)工作原理水流在轉(zhuǎn)輪葉片上流動時，由于葉片流道迫使水流動量矩改變，而水流動量矩的改變又反作用于轉(zhuǎn)輪的葉片上，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)形成了旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這就是水輪機(jī)的工作原理。2018/1/1099第五章水力發(fā)電水輪機(jī)的最優(yōu)工況U水輪機(jī)的最優(yōu)工況是指最高的工況。U一般情況下，對起主要作用的是水力損失，流量損失和機(jī)械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。2018/1/10100第五章水力發(fā)電（三）水輪機(jī)效率和能量損失水力損失HEADLOSS和水力效率容積損失WATERLOSS與容積效率機(jī)械損失FRICTIONLOSS和機(jī)械效率主要內(nèi)容主要內(nèi)容2018/1/10101第五章水力發(fā)電1水力損失和水力效率天然水流經(jīng)過蝸殼，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪及尾水管等過流部件時產(chǎn)生水力摩擦、撞擊、渦流、脫壁等引起能量損失。水力效率水力效率水力損失水力損失2018/1/10102第五章水力發(fā)電2容積損失和容積效率進(jìn)入水輪機(jī)的水流，有一部分會從這些間隙中漏掉，這樣就會造成一部分不對轉(zhuǎn)輪做功，這能量損失稱為容積損失。容積效率容積效率容積損失容積損失2018/1/10103第五章水力發(fā)電3機(jī)械損失和機(jī)械效率水輪機(jī)的一些部件之間存在一定的摩擦,這些摩擦消耗一定的能量的簡稱，用N表示。機(jī)械效率機(jī)械效率機(jī)械損失機(jī)械損失2018/1/10104第五章