电力生产概论-第3讲-水力发电.pptx
电力生产技术概论,华北电力大学程瑜,第3讲 水力发电,水电站实景三峡水电站,Three Gorges Dam in the Peoples Republic of China,the largest hydroelectric power station in the world.,水力发电厂,能量转换过程：水的位能和动能转换为电能。从河流较高处或水库内引水，利用水的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。,重庆电力高等专科学校,水力发电的转换过程,天然水能,可利用水能,旋转机械能,电能,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的差值流量：单位时间内通过断面的水的体积,3.1水能学的基本概念,水电站输出功率,3.1水能学的基本概念,Q：水轮机流量；H0:水电站静水头；H:水电站工作水头；H0H：损失水头h，据经验，一般为H0的3%10%，输水道短取小值。：水轮发电机组总效率。K：水电站出力系数，K=9.81。大中型水电站 k=8.08.5；中小型水电站k=6.58.0。,水电站输出功率理论输出功率的计算-不考虑效率损失水在重力作用下，减少的势能转化为动能（机械能守恒），动能再通过水轮机转化为转子的机械能，机械能再通过发电机转化为水电站输出的电能。,3.1水能学的基本概念,水电站输出功率理论输出功率的计算-不考虑效率损失重力做的功=水减少的势能=水增加的动能=电能=力移动的距离=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：输出功率计算的是单位时间的能量输出，体积用单位时间内的体积，即水电站的流量,3.1水能学的基本概念,水电站输出功率实际输出功率的计算-考虑效率损失水头损失局部损伤：因水流边界的急剧变化所受到阻力引起的损失沿途损失：因摩擦力做功而引起的损失。采用压力钢管可以集中水位差，减少水头损失。,3.1水能学的基本概念,水电站输出功率实际输出功率的计算-考虑效率损失水轮发电机组的损失 反映水流进入水轮机后，从水能变为电能过程中的能量损失。用百分数表示，包括水工建筑物的效率、水轮机效率和发电机效率。,3.1水能学的基本概念,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。单台机组的额定容量为机组的额定输出功率。水电厂的发电容量三峡水电站的装机容量是多少？单台机组的额定输出功率70万kW，共32台，另外还有2台5万kW的电源机组。,3.1水能学的基本概念,重庆电力高等专科学校,3.1水能学的基本概念,水电站发电量一定时段内水电站发出的电能总量，单位为kWh 年发电量多年平均发电量,挡水建筑物-各种坝、堤和海塘,3.2水工建筑物,The 22,500 MW Three Gorges Dam in the Peoples Republic of China,the largest hydroelectric power station in the world.重力坝：依靠自重维持稳定。,挡水建筑物-大坝,3.2水工建筑物,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。,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,小浪底大坝的泄水景观。,泄水建筑物-视频演示（2分钟）http:/,3.2水工建筑物,小浪底大坝的泄水景观。,水电开发中防洪和发电的关系建坝，除了发电外，其库容的大小还得考虑防洪的需求。水电站的正常水位如何受到下游防洪要求的影响？下游对防洪的要求愈高，洪水季节容许向下游排泄洪水的流量越小，水库需要拦蓄的洪水量越大，对水库在正常情况下所限制的水位就越低。正常水位的降低对发电能力的影响？水位降低，减少了水头高度，减少了发电能力,3.2水工建筑物,各类水位的的基本概念死水位：正常运行条件下，水库允许消落的最低水位，这个水位以下成为死库容；正常高水位：水库调节允许达到的最高水位；有效库容：正常高水位与死水位之间的水库容积；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：大坝所能承受的最高水位；,3.2水工建筑物,水工建筑物的主要特点：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。工作条件复杂，如挡水建筑物要承受相当大的水压力，由渗流产生的渗透压力对建筑物的强度和稳定不利；泄水建筑物泄水时，对河床和岸坡具有强烈的冲刷作用等。施工难度大，在江河中兴建水利工程，需要妥善解决施工导流、截流和施工期度汛，此外，复杂地基的处理以及地下工程、水下工程等的 施工技术都较复杂。大型水利工程的挡水建筑物失事，将会给下游带来巨大损失和灾难。,3.2水工建筑物,大坝建设的视频播放大坝的规划选址（5分钟）大坝的施工建设（15分钟）大坝与防洪（10分钟）,3.2水工建筑物,水轮机的作用：把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。,在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。,作用示意图：,三峡水电站水轮机部件,3.3水轮机,3.3水轮机,水轮发电机组工作原理简单示意图,水轮机的分类,水轮机按工作原理可分为：冲击式水轮机 反击式水轮机。,3.3水轮机,水轮机的分类,3.3水轮机,冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；将水流的动能转化为机械能。,水轮机的分类,3.3水轮机,反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能。,冲击式水轮机与反击式水轮机的基本区别两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，但效率较反击式水轮机低；冲击式转轮在同一时间内，只有部分区域同水流接触，直接接受水流作用力的转轮的斗叶；并且每一片斗叶的受力都是断续的冲击力；反击式水轮机的转轮是全部处在水流之中，通过转轮的轮叶接受水流的反作用力而做功，每片轮叶所受的作用力是连续的。冲击式水轮机多用于高水头电厂，反击式水轮机则更广泛用于中、低水头电厂。目前，反击式水轮机是应用最为广泛的水轮机。,3.3水轮机,反击式水轮机工作过程 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它的最高效率也高于冲击式水轮机。,过程示意图,3.3水轮机,反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般采用蜗壳引水方式。蜗壳的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,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,水轮机功率调整的实现 调速器的主要作用是调节发电机频率和有功负荷，就是根据电网负荷的变化，不断地相应调节水轮发电机组有功功率的输出，以维持机组转速或频率在规定范围内。,3.3水轮机,水轮机调速器的原理：根据反击式水轮机类型的不同，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节进入水轮机的流量，为单调。（2）转浆式、斜流式机组，除有除有调节流量的导水机构外，还有按导叶开度和水头变化而改变转轮叶片转角的调节机构，可使水轮按最优效率运行。有两套调节机构，为双调。,调节对象为水导叶,3.3水轮机,冲击式水轮机调速器的流量调节不是采用导叶式，而是利用喷嘴和喷针相对位置的改变，以调节冲向水轮机转轮射流的大小。,3.3水轮机,重庆电力高等专科学校,3.4 水电厂的分类,由P=9.81QH可知，发电必须有流量和水头。形成水头方式水电站的开发方式。按其集中水头的方式不同分为：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的重要型式。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。,3.4 水电厂的分类,堤坝式水电站,3.4 水电厂的分类,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，并有筑坝建库的条件,3.4 水电厂的分类,堤坝式水电站水电厂房在水利枢纽中的位置不同，又主要有：河床式水电厂坝后式水电厂,重庆电力高等专科学校,河床式电站,一般修建在在河流中下游,重庆电力高等专科学校,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，为避免大量淹没，建低坝或闸。适用水头：大中型：25米以下，小型：810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的主要特征。,河床式葛州坝水电站,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,坝后式水电站,一般修建在河流的中上游,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。,坝后式景洪水电站,重庆电力高等专科学校,万家寨水电站（山西、黄河）,重庆电力高等专科学校,三峡水电站,重庆电力高等专科学校,向家坝水电站,3.4 水电厂的分类,引水式水电站,3.4 水电厂的分类,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，没有水库调节，水量利用率较低，综合利用价值较差。适用：河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。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。,引水式水电站,类型无压引水式(free flow)：引水道是无压的有压引水式(pressure flow)：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。,引水式水电站（无调节）,引水式水电站（日调节）,2.有压引水式电站,引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressure tunnel)主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。,我国最早的水电站,石龙坝水电站位于滇池出水口的螳螂川，距昆明40公里，发电容量从开始的2240千瓦发展到7360 千瓦。1908年开始建设，1912年投产发电。由爱国商人投资建设、采用德国技术迄今仍在发电运行（国家重点文物单位）,3.混合式水电站,由坝和引水道分别集中一部分水头，电站的总水头等于这两部分之和。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,3.4 水电厂的分类,混合式水电站,3.4 水电厂的分类,按径流调节的程度分无调节水电厂有调节水电厂多年调节年调节季调节日调节等,3.4水电厂的分类,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。,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,1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机24台，每台1万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米。,重庆电力高等专科学校,最大的潮汐电站法国朗斯电站,重庆电力高等专科学校,浙江省江厦双向潮汐试验电站,抽水蓄能电厂,抽水蓄能电厂,负荷低谷期：利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上库(电动机+水泵)，以水的势能形式贮存起来负荷高峰期：将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机)发电，以补充系统中电能的不足,效率：75：“4度电换3度电”,水力发电的原理水力发电的特点水电站输出功率与哪些因素有关？水电站的输出功率如何计算？水头、流量，各类水位的基本概念死水位，正常高水位，有效库容，水库工作深度，防洪水位重力坝与拱形坝的坝体的稳定性如何维持？坝式水电站与引水式水电站的区别，适合修建的地理条件；各类型水电站的图示辨别。冲击式水轮机和反击式水轮机的工作原理的差别水电站的调节能力概念的理解,本讲知识点小结,
