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1、華北電力大學(xué)程瑜 第3講 水力發(fā)電 Three Gorges Dam in the Peoples Republic of China, the largest hydroelectric power station in the world. 能量轉(zhuǎn)換過程：水的位能和動能轉(zhuǎn)換為電能。從河流較高處或水庫內(nèi)引水，利用水的壓力或流速沖動水輪機旋轉(zhuǎn)，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；由水輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 重慶電力高等專科學(xué)校天然水能可利用水能旋轉(zhuǎn)機械能電能 建筑物和設(shè)備水輪機發(fā)電機水利系統(tǒng)機電系統(tǒng) 基本概念水位：河川中水平面實際海拔高度靜水頭：河川中上游側(cè)水位與下游側(cè)水位的差值流量：單位時
2、間內(nèi)通過斷面的水的體積 水電站輸出功率09.81tP QH理 論 出 力Q ： 水 輪 機 流 量 ；H 0:水 電 站 靜 水 頭 ； H :水 電 站 工 作 水 頭 ；H 0H ： 損 失 水 頭 h， 據(jù) 經(jīng) 驗 ， 一 般 為 H 0的 3%10%，輸 水 道 短 取 小 值 。 ： 水 輪 發(fā) 電 機 組 總 效 率 。K ： 水 電 站 出 力 系 數(shù) ， K =9.81。 大 中 型 水 電 站 k=8.08.5； 中 小 型 水 電 站 k=6.58.0。 KQHQHP 81.9實 際 出 力 水電站輸出功率理論輸出功率的計算-不考慮效率損失水在重力作用下，減少的勢能轉(zhuǎn)化為動
3、能（機械能守恒），動能再通過水輪機轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機械能，機械能再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為水電站輸出的電能。 水電站輸出功率理論輸出功率的計算-不考慮效率損失重力做的功=水減少的勢能=水增加的動能=電能=力移動的距離=重力水頭=重力加速度體積密度水頭=重力加速度流量水頭注：輸出功率計算的是單位時間的能量輸出，體積用單位時間內(nèi)的體積，即水電站的流量 水電站輸出功率實際輸出功率的計算-考慮效率損失水頭損失局部損傷：因水流邊界的急劇變化所受到阻力引起的損失沿途損失：因摩擦力做功而引起的損失。采用壓力鋼管可以集中水位差，減少水頭損失。KQHQHP 81.9實 際 出 力 水電站輸出功率實際輸出功率的計算-考慮效率
4、損失水輪發(fā)電機組的損失 反映水流進入水輪機后，從水能變?yōu)殡娔苓^程中的能量損失。用百分數(shù)表示，包括水工建筑物的效率、水輪機效率和發(fā)電機效率。KQHQHP 81.9實 際 出 力 水電站裝機容量水電站全部水輪發(fā)電機組額定容量之和，單位為kW。單臺機組的額定容量為機組的額定輸出功率。水電廠的發(fā)電容量三峽水電站的裝機容量是多少？單臺機組的額定輸出功率70萬kW，共32臺，另外還有2臺5萬kW的電源機組。 重慶電力高等?？茖W(xué)校 水電站發(fā)電量一定時段內(nèi)水電站發(fā)出的電能總量，單位為kWh 年發(fā)電量多年平均發(fā)電量TPE 擋水建筑物-各種壩、堤和海塘The 22,500 MW Three Gorges Dam
5、in the Peoples Republic of China, the largest hydroelectric power station in the world.重力壩：依靠自重維持穩(wěn)定。 擋水建筑物-大壩Hoover Dam, a concrete arch-gravity dam in Black Canyon of the Colorado River. Lake Mead in the background is impounded by the dam.拱形壩：主要依靠兩岸巖體來支撐，并不是靠壩體自重來維持穩(wěn)定。 泄水建筑物-如 各 種 溢 流 壩 、 岸 邊 溢 洪 道
6、 、 泄 水隧 洞 、 分 洪 閘小浪底大壩的泄水景觀。 泄水建筑物-視頻演示（2分鐘） http:/ 水電開發(fā)中防洪和發(fā)電的關(guān)系建壩，除了發(fā)電外，其庫容的大小還得考慮防洪的需求。水電站的正常水位如何受到下游防洪要求的影響？下游對防洪的要求愈高，洪水季節(jié)容許向下游排泄洪水的流量越小，水庫需要攔蓄的洪水量越大，對水庫在正常情況下所限制的水位就越低。正常水位的降低對發(fā)電能力的影響？水位降低，減少了水頭高度，減少了發(fā)電能力 各類水位的的基本概念死水位：正常運行條件下，水庫允許消落的最低水位，這個水位以下成為死庫容；正常高水位：水庫調(diào)節(jié)允許達到的最高水位；有效庫容：正常高水位與死水位之間的水庫容積；水
7、庫工作深度：正常高水位到死水位之間下落深度；防洪水位：大壩所能承受的最高水位； 水 工 建 筑 物 的 主 要 特 點 ： 受 自 然 條 件 制 約 多 ， 地 形 、 地 質(zhì) 、水 文 、 氣 象 等 對 工 程 選 址 、 建 筑 物 選 型 、施 工 、 樞 紐 布 置 和 工 程 投 資 影 響 很 大 。 工 作 條 件 復(fù) 雜 ， 如 擋 水 建 筑 物 要 承 受相 當(dāng) 大 的 水 壓 力 ， 由 滲 流 產(chǎn) 生 的 滲 透 壓 力對 建 筑 物 的 強 度 和 穩(wěn) 定 不 利 ； 泄 水 建 筑 物泄 水 時 ， 對 河 床 和 岸 坡 具 有 強 烈 的 沖 刷 作用 等
8、。 施 工 難 度 大 ， 在 江 河 中 興 建 水 利 工程 ， 需 要 妥 善 解 決 施 工 導(dǎo) 流 、 截 流 和 施 工期 度 汛 ， 此 外 ， 復(fù) 雜 地 基 的 處 理 以 及 地 下工 程 、 水 下 工 程 等 的 施 工 技 術(shù) 都 較 復(fù) 雜 。 大 型 水 利 工 程 的 擋 水 建 筑 物 失 事 ， 將會 給 下 游 帶 來 巨 大 損 失 和 災(zāi) 難 。 大壩建設(shè)的視頻播放大壩的規(guī)劃選址（5分鐘）大壩的施工建設(shè)（15分鐘）大壩與防洪（10分鐘） 水輪機的作用：把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械。在 水 電 站 中 ， 上 游 水 庫 中的 水 經(jīng) 引 水
9、管 引 向 水 輪 機 ，推 動 水 輪 機 轉(zhuǎn) 輪 旋 轉(zhuǎn) ， 帶動 發(fā) 電 機 發(fā) 電 。 作 完 功 的水 則 通 過 尾 水 管 道 排 向 下游 。 水 頭 越 高 、 流 量 越 大 ，水 輪 機 的 輸 出 功 率 也 就 越大 。 作用示意圖：三峽水電站水輪機部件 水輪發(fā)電機組工作原理簡單示意圖 水輪機的分類 水 輪 機 按 工 作 原 理 可 分 為 ： 沖 擊 式 水 輪 機 反 擊 式 水 輪 機 。 水輪機的分類沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；將水流的動能轉(zhuǎn)化為機械能。 水輪機的分類 反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的
10、反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。將水流的位能、壓能和動能轉(zhuǎn)換成固體機械能。 沖擊式水輪機與反擊式水輪機的基本區(qū)別兩者都是將水能變?yōu)闄C械能；沖擊式水輪機結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，但效率較反擊式水輪機低；v沖擊式轉(zhuǎn)輪在同一時間內(nèi)，只有部分區(qū)域同水流接觸，直接接受水流作用力的轉(zhuǎn)輪的斗葉；并且每一片斗葉的受力都是斷續(xù)的沖擊力；v反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪是全部處在水流之中，通過轉(zhuǎn)輪的輪葉接受水流的反作用力而做功，每片輪葉所受的作用力是連續(xù)的。沖擊式水輪機多用于高水頭電廠，反擊式水輪機則更廣泛用于中、低水頭電廠。目前，反擊式水輪機是應(yīng)用最為廣泛的水輪機。 反擊式水輪機工作過
11、程 在 反 擊 式 水 輪 機 中 ， 水 流 充 滿 整 個 轉(zhuǎn) 輪 流 道 ， 全 部 葉 片同 時 受 到 水 流 的 作 用 ， 所 以 在 同 樣 的 水 頭 下 ， 轉(zhuǎn) 輪 直 徑 小 于沖 擊 式 水 輪 機 。 它 的 最 高 效 率 也 高 于 沖 擊 式 水 輪 機 。 過程 示意圖 反 擊 式 水 輪 機 都 設(shè) 有 進 水裝 置 ， 大 、 中 型 立 軸 反 擊式 水 輪 機 的 進 水 裝 置 一 般采 用 蝸 殼 引 水 方 式 。 蝸 殼的 作 用 是 把 水 流 均 勻 分 布到 轉(zhuǎn) 輪 周 圍 。蝸殼外形內(nèi)部形狀安裝現(xiàn)場 引水機構(gòu)水輪機蝸殼整機示意圖導(dǎo)水機構(gòu)
12、水導(dǎo)葉工作機構(gòu)轉(zhuǎn)輪泄水機構(gòu)尾水管調(diào)速器飛輪發(fā)電機 水 輪 機 功 率 調(diào) 整 的 實 現(xiàn) 調(diào) 速 器 的 主 要 作 用 是 調(diào) 節(jié) 發(fā) 電 機 頻 率 和 有 功 負 荷 ，就 是 根 據(jù) 電 網(wǎng) 負 荷 的 變 化 ， 不 斷 地 相 應(yīng) 調(diào) 節(jié) 水 輪 發(fā) 電機 組 有 功 功 率 的 輸 出 ， 以 維 持 機 組 轉(zhuǎn) 速 或 頻 率 在 規(guī) 定范 圍 內(nèi) 。 水輪機調(diào)速器的原理： 根 據(jù) 反 擊 式 水 輪 機 類型 的 不 同 ， 有 單 調(diào) 和 雙 調(diào)兩 種 。 （ 1） 混 流 式 、 軸 流 定 漿式 、 和 貫 流 定 漿 式 都 是 靠導(dǎo) 水 機 構(gòu) 調(diào) 節(jié) 進 入 水
13、輪 機的 流 量 ， 為 單 調(diào) 。 （ 2） 轉(zhuǎn) 漿 式 、 斜 流 式 機組 ， 除 有 除 有 調(diào) 節(jié) 流 量 的導(dǎo) 水 機 構(gòu) 外 ， 還 有 按 導(dǎo) 葉開 度 和 水 頭 變 化 而 改 變 轉(zhuǎn)輪 葉 片 轉(zhuǎn) 角 的 調(diào) 節(jié) 機 構(gòu) ，可 使 水 輪 按 最 優(yōu) 效 率 運 行 。有 兩 套 調(diào) 節(jié) 機 構(gòu) ， 為 雙 調(diào) 。調(diào)節(jié)對象為水導(dǎo)葉 沖擊式水輪機調(diào)速器的 流 量 調(diào) 節(jié) 不 是 采 用 導(dǎo) 葉 式 ，而 是 利 用 噴 嘴 和 噴 針 相 對 位 置 的 改 變 ， 以 調(diào) 節(jié) 沖 向 水輪 機 轉(zhuǎn) 輪 射 流 的 大 小 。 重慶電力高等?？茖W(xué)校 由P = 9.81QH可
14、知，發(fā)電必須有流量和水頭。形成水頭方式水電站的開發(fā)方式。 按其集中水頭的方式不同分為：壩式、引水式和混合式三種基本方式。抽水蓄能電站和潮汐電站也是水能利用的重要型式。按調(diào)節(jié)能力分成：無調(diào)節(jié)水電站、有調(diào)節(jié)水電站一般壩后式水電站和混合式水電站都是有調(diào)節(jié)的；河床式和引水式水電站常是無調(diào)節(jié)的，或者只有較小的調(diào)節(jié)能力。 堤壩式水電站 堤壩式水電站：水頭取決于壩高優(yōu)點：引用流量較大，電站規(guī)模較大水能利用較充分，綜合利用效益高缺點：投資大，工期長，土地淹沒和人口遷移適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫的條件 堤壩式水電站水電廠房在水利樞紐中的位置不同，又主要有：河床式水電廠壩后式水電廠 重慶電力高等專
15、科學(xué)校 一般修建在在河流中下游 重慶電力高等?？茖W(xué)校 特點：一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：810米以下。廠房和擋水壩并排建在河床中，共同擋水，故廠房也有抗滑穩(wěn)定問題；廠房高度取決于水頭的高低。引用流量大、水頭低。注：廠房本身起擋水作用是河床式水電站的主要特征。 河床廠房河床廠房開關(guān)站船閘泄洪閘 重慶電力高等?？茖W(xué)校 河床廠房泄洪閘 一般修建在河流的中上游 重慶電力高等專科學(xué)校 特點：當(dāng)水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大，調(diào)節(jié)性能好。 重慶電力高
16、等?？茖W(xué)校 重慶電力高等?？茖W(xué)校 廠房廠房泄洪壩段 重慶電力高等?？茖W(xué)校 引水式水電站 引水式水電站優(yōu)點：電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失；工程量較小，單位造價較低。缺點：引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)，水量利用率較低，綜合利用價值較差。適用：河道坡降較陡，流量較小的山區(qū)性河段。一般修建于：河道有彎道；兩條相近河流有較大水位差；有急灘或瀑布處。 類型無壓引水式(free flow)：引水道是無壓的有壓引水式(pressure flow)：引水道是有壓的 引水建筑物是無壓的:渠道或無壓隧洞主要建筑物：低壩，進水口，沉沙池，引水渠(洞)，日調(diào)節(jié)池，壓力前池，壓力水管，廠房，尾水渠。 引水建筑物是有壓的
17、：壓力隧洞(pressure tunnel) 主要建筑物：低壩，有壓隧洞，調(diào)壓室，壓力水管，廠房，尾水渠。 石龍壩水電站位于滇池出水口的螳螂川，距昆明40公里，發(fā)電容量從開始的2240千瓦發(fā)展到7360 千瓦。 1908年開始建設(shè)，1912年投產(chǎn)發(fā)電。由愛國商人投資建設(shè)、采用德國技術(shù)迄今仍在發(fā)電運行（國家重點文物單位） 由壩和引水道分別集中一部分水頭，電站的總水頭等于這兩部分之和。適用于上游有優(yōu)良壩址，適宜建庫，而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉(zhuǎn)彎。同時兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點。在工程中多稱為引水式水電站 混合式水電站 按徑流調(diào)節(jié)的程度分無調(diào)節(jié)水電廠有調(diào)節(jié)水電廠多年調(diào)節(jié)年調(diào)節(jié)季調(diào)節(jié)
18、日調(diào)節(jié)等 重慶電力高等?？茖W(xué)校 潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運動，即海水的潮漲潮落。 潮汐發(fā)電原理：利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量機械能電能(發(fā)電)的過程。流量大，水頭低的水電站。 重慶電力高等?？茖W(xué)校 重慶電力高等專科學(xué)校 1966年投入運行，是第一個商業(yè)化電站。該電站裝機24臺，每臺1萬千瓦，共24萬千瓦。設(shè)計年平均發(fā)電量5.44億度。機組為燈泡貫流式，轉(zhuǎn)輪直徑5.3米。 重慶電力高等?？茖W(xué)校 重慶電力高等專科學(xué)校 負荷低谷期：利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水泵)， 以水的勢能形式貯存起來負荷高峰期：將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電，以補充系統(tǒng)中電能的不足效率：75：“4度電換3度電” 水力發(fā)電的原理水力發(fā)電的特點水電站輸出功率與哪些因素有關(guān)？水電站的輸出功率如何計算？水頭、流量，各類水位的基本概念死水位，正常高水位，有效庫容，水庫工作深度，防洪水位重力壩與拱形壩的壩體的穩(wěn)定性如何維持？壩式水電站與引水式水電站的區(qū)別，適合修建的地理條件；各類型水電站的圖示辨別。沖擊式水輪機和反擊式水輪機的工作原理的差別水電站的調(diào)節(jié)能力概念的理解
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