水力发电原理及水电站概况

水力发电原理及水电站概况本课程主要内容为介绍水力发电的基本原理，以及概述性地介绍水电站各组成系统的设备的类型、作用。主要是让读者从总体上了解水电站是如何实现水能转化为电能？实现这个过程需要哪些设备的支撑？这些设备的具体分工是如何的？由于本课程为总体性概述，因此对于具体设备的工作原理和内部结构则不作具体性的阐述，若读者对这些问题感兴趣，可以参考其他水力专业性书籍。一. 水力发电基本原理及水电站在电力系统中的工作方式1. 水力发电基本原理水力发电过程其实就是一个能量转换的过程。通过在天然的河流上，修建水工建筑物，集中水头，然后通过引水道将高位的水引导到低位置的水轮机，使水能转变为旋转机械能，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现从水能到电能的转换。发电机发出的电再通过输电线路送往用户，形成整个水力发电到用电的过程。如图1-1所示，高处水库中的水体具有较大的势能，当水体经由压力管道流进安装在水电站厂房内的水轮机而排至水电站的下游时，水流带动水轮机的转轮旋转，使得水动能转变为旋转的机械能，水轮机带动同轴的发电机转子切割磁力线，在发电机的定子绕组上产生感应电动势，当定子绕组与外电路接通时，发电机就向外供电了。如此，水轮机的选择机械能就通过发电机转变为电能。2. 水电站的出力和发电量的计算水电站在某时刻输出的功率，称为水电站在该时刻的出力。水电站的理论出力公式如下：上式中的Q为水轮机的引用流量，Hg为水电站上、下游的高程差，称为水电站的毛水头。水电站的实际出力公式如下：上式中H称为水轮机的工作水头，h为水头损失；为水轮发电机组的总效率；K=水电站的出力系数，对于大中型水电站，K值可取为8.08.5，对于小型水电站，K值一般取为6.58.0。3. 水电站的运行特点目前，在我国的电力系统中，主要是火电厂与水电站以及少数的核电厂、风力发电厂、地热能发电厂联合工作。为了使得各类电厂合理分担电力系统的负荷，各种类型的电厂在电力系统中承担着不尽相同的作用。以下图2-1为电力系统日负荷曲线图：一般来说，由于火电和核电机组在机组性能上的特点，它们一般在电力系统中主要承担基荷和腰荷的负荷，而结合水电机组的特点以及不同的季节，水电机组在承担电力负荷上选择性更为灵活。下面我们先了解一下水电站的运行特点：（1） 水电站的工作情况随河川径流的多变而变化。水电站的出力和发电量受到天然径流来水量的影响，虽然水库具有调节径流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度调节（水库库容越大，调节的作用就越明显），导致水电站在枯水季节出力和发电量得不到保证，丰水季节又往往由于库容不足弃水而导致水能难以利用。（2） 水电站的运行费用与实际发出的电量多少无关。建成后的水电站，其发电量的多少主要与其来水径流量的多少有关，而其运行费用却基本不会因此而有所增减。因此，应当尽量使水电站多发电，而减少系统中火电厂的发电量，从而减低火电厂相应燃料的消耗，提高整个电力系统的经济性。（3） 水轮发电机组操作灵活，启停迅速，通常只需要几分钟就可以启动或停机，增减负荷十分方便。因此利用水库调节，水电站适宜在电力系统中承担调峰、调频和事故备用等任务。（4） 由于水资源及其水库具有综合利用的性质，水利系统各部门对水电站及其水库会提出各种综合利用要求，因而水电站及其水库的运行调度方式必然会受到他们的制约。4. 水电站在系统中工作方式的一般原则决定水电站在系统中的工作方式的原则是尽量使得电力系统供电的可靠性和经济型最大化。具体的基本原则有以下几条：（1） 为了充分利用水能，无调节水电站适宜全年担负系统基荷工作，有调节水电站在枯水期宜在峰荷工作，随着来水增多，可从峰荷逐步过渡到担任丰水期的基荷工作。（2） 为了节省煤耗或油耗，火电厂宜担负较为均匀的负荷，所以最好在基荷工作。但在丰水期，水电站还是应以全部装机容量在基荷工作，此时火电厂应担负峰荷，虽然单位煤耗有所增加，但可由于水电站减少弃水，从而在总体上节约了煤耗总量，使得电力系统的总成本下降。（3） 应尽量使得各水电站机组在高效率区内运行，避免长时期在低水头、低负荷下运行。（4） 由于核电机组调节困难，若过于频繁地大幅度调整负荷，核电机组的安全性将受到影响，所以应优先保证核电机组在基荷位置运行。根据水电站水库的调节能力，水电站可分为无调节水电站、日调节水电站、年调节水电站以及多年调节水电站。水库的调节能力不同，导致水电站在系统中的工作方式也不一样，但总体原则是尽量减少水库不必要的弃水，若水库库容不具备调节能力，应使水电站运行在基荷位置，充分利用水资源；若水库库容尚具备调节空间，应使水电站运行在峰荷或腰荷位置，以充分发挥水电机组调节能力强、运行灵活的特点。二. 水电站的基本类型1. 河床式水电站一般修建在河流中下游河道纵坡平缓的河段上，为了避免大量淹没，坝建得较低，故水头较小。河床式水电站的引用流量一般较大，属于低水头大流量型水电站。其特点是：厂房与坝一起建在河床上，厂房本身承受上游水压力，并成为挡水建筑物的一部分，一般不设专门的引水管道，水流直接从厂房上游进水口进入水轮机。2. 坝后式水电站坝后式水电站一般修建在河流中上游的山区峡谷地段，受水库淹没限制相对较小，所以坝可建得较高，水头也较大。由于水头较高，厂房不能承受上游过大水压力而建在坝后（坝下游）。其特点是：水电站厂房布置在坝后，厂坝之间常用缝分开，上游水压力全部由坝承担。3. 坝内式水电站坝内式水电站是指将厂房布置在拦河坝体内部，采用如此布置主要是由于河谷狭窄不足以布置坝后式厂房，而坝高足够允许在坝内留出一定大小的空腔布置厂房。由于坝内式水电站的厂房布置在溢流坝内，坝体内部的空腔削弱了坝体强度，并使得坝体应力复杂化。由于厂房尺寸受到坝体尺寸的限制，因此此类水电站的机电设备选择在尺寸上也受到相应的限制。另外坝内式水电站要特别注意防渗、防潮、通风、照明等问题。4. 引水式水电站发电用水来自较长的引水道，厂房远离挡水和进水建筑物，厂房上游不承受水压力，厂房布置在引水系统末端的的河岸上。由于厂房布置在地面的河岸上，因此称为引水河岸式水电站。当由于河谷狭窄，岸坡陡峻，或者其它原因，布置地面厂房有困难时，将厂房建在地下的山体内，则此类可称为引水地下式厂房。5. 抽水蓄能电站抽水蓄能电站可认为是一种特殊类型的水电站。水电机组具备启停迅速、运行灵活，适宜担任调峰、调频和事故备用负荷等特点，而抽水蓄能机组可将水电机组上述特点发挥到极致。抽水蓄能电站不是为了开发水能资源向系统提供电能，而是以水体为贮能介质，对电力系统起到调节作用。抽水蓄能电站包括抽水蓄能和放水发电两个过程，它有上下两个水库，一般用压力管道相连，蓄能电站厂房建在离下水库不远的地下山体内。在系统负荷低谷时，利用系统多余的电能带动泵站机组（电动机+水泵）将下库的水抽到上库，以水的势能形式储存起来；当系统负荷高峰时，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。由于抽水蓄能电站较之常规水电站可运行的工况更多，因此其在对电力系统的调节功能上更为灵活。三. 水电站建筑物简介为了控制水流，实现水力发电而修建的一系列水工建筑物，称为水电站建筑物。水电站枢纽一般由以下建筑物组成。1. 挡水建筑物用以拦截河流，集中落差，形成水库的拦河坝、闸或河床式水电站的厂房等水工建筑物，如混凝土重力坝、拱坝、土石坝、堆石坝及拦河闸等。2. 泄水建筑物用以宣泄洪水，供下游用水，放空水库的建筑物，如开敞式河岸溢洪道、溢流坝、溢洪洞及放水底孔等。3. 进水建筑物用以从河道或水库按发电要求引进发电流量的引水道首部建筑物，如有压、无压进水口等。4. 引水建筑物用以集中水头，输送流量到水轮发电机组或将发电后的水排往下游河道的建筑物，如渠道、隧洞、压力管道、尾水渠等。5. 平水建筑物用以平稳由于水电站负荷变化在引水或尾水系统中引起的流量及压力的变化，保证水电站调节稳定的建筑物，如有压引水式水电站的调压塔或调压井，无压引水式水电站渠道末端的压力前池。6. 厂区枢纽建筑物水电站厂区枢纽建筑物主要是指水电站的主厂房、副厂房、变压器场、高压开关站、交通道路及尾水渠等建筑物。这些建筑物一般集中布置在同一局部区域内形成厂区。厂区是发电、变电、配电的中心，是电能生产的中枢。7. 过坝建筑物用以通船、过木及过鱼等的建筑物，如船闸、鱼道等。四. 水电站厂房的组成及布置水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，是水能转变为电能的生产场所，也是运行人员进行生产和活动的场所。因此厂房内各种机电设备安装布置是否合理，厂房内的环境是否良好对于是否便于生产人员开展工作，生产人员工作状态是否良好影响是非常大的。1. 水电站厂房的组成水电站厂房根据设备布置和运行要求的空间可划分为以下几大区域：（1） 主厂房。用来安装水轮发电机组及各种辅助设备的房间成为主厂房，是水电站厂房的主要组成部分。（2） 副厂房。布置各种运行控制设备和检修管理设备的房间，以及运行管理人员工作和生活的用房，统称为副厂房。（3） 主变压器场。安装升压变压器的地方成为主变压器场。水电站发出的电能经变压器升压后，再经输电线路送给用户。（4） 开关站。安装高压配电装置的地方成为开关站。发电机侧（低压侧）的配电装置，通常装设在厂房内，而其高压侧的配电装置一般在户外，称为高压开关站。开关站装设高压开关、高压母线和保护装置，高压输电线由此将电能送给电网和用户。水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站以及厂区交通等，组成水电站厂区枢纽建筑物，一般称为厂区枢纽。厂区是完成发电、变电和配电的主体。2. 水电厂厂房的布置根据大轴布置方向的不同，水轮发电机组可分为立式机组和卧式机组，一般大中型的水力发电机组所采用的都为立式机组，下面所讨论的水电厂厂房布置均指立式机组的厂房布置。（一） 主厂房设备的布置水电厂主厂房是安装水轮发电机组及其辅助设备的场所，根据设备布置的需要通常在高度方向上分为数层，如图4-1所示。通常以发电机层楼板高程为界，将主厂房分为上部结构和下部结构两部分。上下部结构高度之和（即由尾水管基底至屋顶的高度）就是主厂房的总高度。水轮机轴中心的连线称为主厂房的纵轴线，与之垂直的机组中心线称为横轴线。每台机组在纵轴线上所占的范围为一个机组段，各机组段和安装间长度的总和，就是主厂房的总长度，厂房在横轴型上所占的范围，就是主厂房的宽度。发电机层设备布置。发电机层为安放水轮发电机组及辅助设备和仪表盘柜的场地，也是运行人员巡回检查机组、监视仪表的场所。如图4-2所示，发电机层楼板上一般布置有发电机上机架、调速器操作柜、油压装置、机旁盘、励磁盘、桥式吊车等主要设备以及主阀孔、楼梯、吊物孔等厂内交通设施。水轮机层设备布置。水轮机层是指发电机层以下，蜗壳大块混凝土以上的这部分空间。如图4-3所示，在水轮机层一般布置有发电机转子和定子、水轮机顶盖、调速器的接力器、水力机械辅助设备（如油、气、水管路）、电气设备（如发电机主引出线、中性点接线、接地、灭磁装置等）、厂用电的配电设备等。蜗壳尾水管层的布置。如图4-4所示，蜗壳尾水管层除了过流部分外，大多为大体积混凝土，布置相对简单。一般布置有进水主阀、蜗壳、供水泵、排水泵、空气压缩机等设备。安装间的布置。由于大中型水电站的机电部件大而重，因此一般要求对外公路运输通道能直达安装间，以便于利用主厂房内桥吊装卸设备，所以安装间一般布置在主厂房有对外道路的一侧。如图4-5所示，安装间的面积可按一台机组扩大性检修的需要确定，一般考虑放置四大部件，即发电机转子带轴、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。同时需要考虑桥吊主钩的工作范围，预留运输通道和工作人员工作空间等其它相关因素。（二） 副厂房