第一章 水力发电原理基础水力发电的原理基础水力发电的原理基础水电站的类型水轮机的主要类型水轮机的型号和装置形式水轮机的基本工作参数水轮机的工作原理水水 电电 站站v水电站是将水能转换成水轮旋转的机械能，再由水电站是将水能转换成水轮旋转的机械能，再由发电机最终将旋转的机械能转换成电能的场所。发电机最终将旋转的机械能转换成电能的场所。v在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生需要修建需要修建一系列水工建筑物。一系列水工建筑物。包括：进水、引水、包括：进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备的厂房和变电站，总体称为水电站。的厂房和变电站，总体称为水电站。水电站是水、机、电的综合体水电站是水、机、电的综合体。一、水力发电的概念一、水力发电的概念v水力发电水力发电: :利用河流中蕴藏的水能来生产电能。利用河流中蕴藏的水能来生产电能。v在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定方式将过一定方式将“载能水载能水”输送到水轮机中，使：输送到水轮机中，使：水能水能水轮机旋转的机械能水轮机旋转的机械能带动发电机组发电带动发电机组发电输电线路输电线路用户。用户。水轮发电机组装置原理图水轮发电机组装置原理图建坝建坝蓄水蓄水发电发电电站电站水力发电的转换过程水力发电的转换过程天然水能天然水能可利用水能可利用水能旋转机械能旋转机械能电能电能建筑物和设备建筑物和设备水轮机水轮机发电机发电机水利系统水利系统机电系统机电系统 水力发电的几个要素水力发电的几个要素vN 水电站装机容量或水轮机的功率水电站装机容量或水轮机的功率vQ 通过水轮机的流量通过水轮机的流量vH 水轮机的水头水轮机的水头v水轮机的效率水轮机的效率（一）水力发电特点（一）水力发电特点优点：优点：不耗燃料，成本低廉不耗燃料，成本低廉水火互济，调峰灵活水火互济，调峰灵活综合利用，多方得益综合利用，多方得益取之不尽，用之不竭取之不尽，用之不竭环境优美，能源洁净环境优美，能源洁净（一）水力发电特点（一）水力发电特点缺点：缺点：受自然条件限制；受自然条件限制；一次性投资大，移民多，工期长；一次性投资大，移民多，工期长；事故后果严重；事故后果严重；大型工程对环境、生态影响较大。大型工程对环境、生态影响较大。（二）我国水电事业的发展（二）我国水电事业的发展1.我国的水能资源状况我国的水能资源状况v水能资源是河川径流所具有的天然资源、是能源水能资源是河川径流所具有的天然资源、是能源的重要组成部分。的重要组成部分。v国家发展改革委国家发展改革委2005年发布的全国水力资源复查年发布的全国水力资源复查结果，我国水电资源理论蕴藏量年电量结果，我国水电资源理论蕴藏量年电量6.08万亿万亿千瓦时，理论蕴藏量装机千瓦时，理论蕴藏量装机6.94亿千瓦；技术可开亿千瓦；技术可开发装机发装机5.42亿千瓦，技术可开发年电量亿千瓦，技术可开发年电量2.47万亿万亿千瓦时；经济可开发装机千瓦时；经济可开发装机4.02亿千瓦，经济可开亿千瓦，经济可开发年电量发年电量1.75万亿千瓦时。万亿千瓦时。特点一：总量丰富，开发不足特点一：总量丰富，开发不足特点一：总量丰富，开发不足特点一：总量丰富，开发不足 n可开发总量世界第一，占世界总量可开发总量世界第一，占世界总量可开发总量世界第一，占世界总量可开发总量世界第一，占世界总量16.716.7。n到到到到20082008年底，水电装机容量达到了年底，水电装机容量达到了年底，水电装机容量达到了年底，水电装机容量达到了1.651.65亿千瓦，亿千瓦，亿千瓦，亿千瓦，按技术可开发量计算占可开发量按技术可开发量计算占可开发量按技术可开发量计算占可开发量按技术可开发量计算占可开发量30%30%，低于发达国，低于发达国，低于发达国，低于发达国家家家家6060的平均水平。的平均水平。的平均水平。的平均水平。n东部，已开发东部，已开发东部，已开发东部，已开发70%70%以上以上以上以上( (可开发的大型水电站只可开发的大型水电站只可开发的大型水电站只可开发的大型水电站只剩下剩下剩下剩下3 3座，共座，共座，共座，共1611610MW0MW，即浙江摊坑电站即浙江摊坑电站即浙江摊坑电站即浙江摊坑电站(60(600MW0MW，目前在建目前在建目前在建目前在建) )、大均电站大均电站大均电站大均电站(46(46万万万万kW)kW)和福建街面电站和福建街面电站和福建街面电站和福建街面电站(30(30万万万万kW)kW)；西部，开发率仅西部，开发率仅西部，开发率仅西部，开发率仅7.5%7.5% 大有可为！大有可为！大有可为！大有可为！2.我国水能资源的特点我国水能资源的特点特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配 东部地区东部地区东部地区东部地区(13(13个省市个省市个省市个省市) )水水水水电资源占全国总量的电资源占全国总量的电资源占全国总量的电资源占全国总量的8%8%，中部地区，中部地区，中部地区，中部地区(6(6个省个省个省个省) )占占占占11%11%，而西部地区，而西部地区，而西部地区，而西部地区(12(12个个个个省、市、自治区省、市、自治区省、市、自治区省、市、自治区) )高达高达高达高达8181；但但但但5151用电量在东部。用电量在东部。用电量在东部。用电量在东部。雅鲁藏布江雅鲁藏布江 西电东送西电东送西电东送西电东送地地 区区水能蕴藏量水能蕴藏量可能开发的水能资源可能开发的水能资源装机容装机容量量(MW)年发电年发电量亿量亿(kW.h/a)占全国占全国比重比重(%)装机容量装机容量(MW)年发电量年发电量(亿亿kW.h/a)占全国占全国比重比重(%)华北华北12299.31077.41.8691.98232.251.2东北东北12126.61062.31.81199.45383.912.0华东华东30048.82632.34.41790.22687.943.6中南中南64083.75613.89.56743.492973.6515.5西南西南47331241462.170.023234.3313050.3667.8西北西北841777373.912.54193.771904.939.9全全国国67604759221.8100.037853.2419233.04100.0年内降雨集中在汛期；年内降雨集中在汛期；年内降雨集中在汛期；年内降雨集中在汛期；年际间江河来水量变化大。年际间江河来水量变化大。年际间江河来水量变化大。年际间江河来水量变化大。 特点三：江河来水量时间分布不均特点三：江河来水量时间分布不均 汛期70%30%30% 非汛期 须建设（年调节、多年调须建设（年调节、多年调须建设（年调节、多年调须建设（年调节、多年调节）大型水库。节）大型水库。节）大型水库。节）大型水库。 特点四：我国水电资源相对集中在一些高山大特点四：我国水电资源相对集中在一些高山大特点四：我国水电资源相对集中在一些高山大特点四：我国水电资源相对集中在一些高山大河地区，不少水电站的装机容量超过河地区，不少水电站的装机容量超过河地区，不少水电站的装机容量超过河地区，不少水电站的装机容量超过1000100010001000MWMWMWMW。 v 三峡三峡( (长江长江) 1820) 1820万万kWkW，溪落渡溪落渡( (金沙江金沙江) ) 超过超过10001000万万kWkW。雅鲁藏布江下游的墨脱电站，计划开雅鲁藏布江下游的墨脱电站，计划开凿凿3535kmkm长的隧洞，引水长的隧洞，引水20002000m m3 3/s/s以上，落差可超过以上，落差可超过20002000m m，电站装机可达电站装机可达45004500万万kWkW。v大型电站，水头高、单机容量大，带来很多技术大型电站，水头高、单机容量大，带来很多技术难题，且淹没损失大，移民数量多。难题，且淹没损失大，移民数量多。（三）我国水电开发状况（三）我国水电开发状况我国水电开发有三大特点：我国水电开发有三大特点： 1 1、成绩很大。、成绩很大。突出表现在以下三方面：突出表现在以下三方面：v水电装机容量跃居世界第一水电装机容量跃居世界第一。v水电建设技术已具世界水平。水电建设技术已具世界水平。v初步建立了适应市场经济的、有中国特色的水初步建立了适应市场经济的、有中国特色的水电开发和建设机制。电开发和建设机制。2. 2. 困难不少困难不少v制约水电发展的五个问题制约水电发展的五个问题 生态环境问题生态环境问题 上网电价上网电价 法律法规还不健全法律法规还不健全 移民问题移民问题 地震问题地震问题3. 3. 机遇难得机遇难得: : 今后今后今后今后1515151520202020年是水电建设的良好机遇期年是水电建设的良好机遇期年是水电建设的良好机遇期年是水电建设的良好机遇期vv西部大开发战略的机遇西部大开发战略的机遇西部大开发战略的机遇西部大开发战略的机遇 东部：水能资源占东部：水能资源占东部：水能资源占东部：水能资源占6 6 6 6，开发率大于，开发率大于，开发率大于，开发率大于70707070； 西部：水能资源占西部：水能资源占西部：水能资源占西部：水能资源占78%78%78%78%，开发率仅，开发率仅，开发率仅，开发率仅8 8 8 8。 vv实施实施实施实施“西电东送西电东送西电东送西电东送”，变资源优势为经济优势。，变资源优势为经济优势。，变资源优势为经济优势。，变资源优势为经济优势。vv全面建设小康社会对电力的要求；全面建设小康社会对电力的要求；全面建设小康社会对电力的要求；全面建设小康社会对电力的要求；vv符合电力工业中长期发展规划，提供清洁、优质电能；符合电力工业中长期发展规划，提供清洁、优质电能；符合电力工业中长期发展规划，提供清洁、优质电能；符合电力工业中长期发展规划，提供清洁、优质电能；vv可再生能源法可再生能源法可再生能源法可再生能源法确认水能为可再生能源；确认水能为可再生能源；确认水能为可再生能源；确认水能为可再生能源；vv京都议定书京都议定书京都议定书京都议定书： 温室气体减排；温室气体减排；温室气体减排；温室气体减排；vv 当前我国经济发展迅速，投资环境良好。当前我国经济发展迅速，投资环境良好。当前我国经济发展迅速，投资环境良好。当前我国经济发展迅速，投资环境良好。 我国的能源概况与水电建设我国的能源概况与水电建设q能源结构能源结构：“煤为基础、多元发展煤为基础、多元发展”；煤炭为主体、电力为中心，油气、新能源全面展；煤炭为主体、电力为中心，油气、新能源全面展；提高煤炭利用效率和清洁性。提高煤炭利用效率和清洁性。q需求预测需求预测：全面建设小康社会：全面建设小康社会：2020年年GDP翻两番，翻两番，预测电力需求预测电力需求9.2亿亿kW，估计水电达，估计水电达2.3亿亿kW，每年需，每年需新增近千万新增近千万kW。q发展战略发展战略：“大力开发水电，优化发展煤电，积极推大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电”（电（电力工业中长期发展规划）。力工业中长期发展规划）。（四四）我国水电事业发展设想我国水电事业发展设想三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡工程采用三峡工程采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”方案。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长方案。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035m，坝顶高程坝顶高程185m，正常蓄水位正常蓄水位175m，总库容总库容393亿亿m3，其中防洪库容，其中防洪库容221.5亿亿m3。装机容量装机容量1820万万kW，2670万万kW，年均发电量年均发电量849亿度。泄洪亿度。泄洪坝段每秒泄洪能力为坝段每秒泄洪能力为11万万m3/s，左岸通航建筑物，年单向通过能左岸通航建筑物，年单向通过能力力500万万t。双线五级船闸，可通过万吨级船队；单线一级垂直升双线五级船闸，可通过万吨级船队；单线一级垂直升船机，可快速通过船机，可快速通过3000t级客货轮。级客货轮。三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅游、三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等十大保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！三峡水利枢纽三峡水利枢纽v世界施工难度最大的水利工程。世界施工难度最大的水利工程。2000年砼浇筑量为年砼浇筑量为548.17万立方米，月浇筑量最高达万立方米，月浇筑量最高达55万立方米。万立方米。v施工期流量最大的水利工程。施工期流量最大的水利工程。三峡工程截流流量三峡工程截流流量9010立方米立方米/秒，施工导流最大洪峰流量秒，施工导流最大洪峰流量7.9万立方米万立方米/秒秒v世界泄洪能力最大的泄洪闸。世界泄洪能力最大的泄洪闸。最大泄洪能力最大泄洪能力10.25万立万立方米方米/秒。秒。v世界规模最大、难度最高的升船机。世界规模最大、难度最高的升船机。v世界水库移民最多、世界水库移民最多、工作量最为艰巨的移民建设工程工作量最为艰巨的移民建设工程三峡工程水库动态移民最终可达三峡工程水库动态移民最终可达113万万。小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市以北小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市以北40km的黄的黄河干流上，是以防洪为主，兼顾防凌、减淤、灌溉和河干流上，是以防洪为主，兼顾防凌、减淤、灌溉和发电综合利用的一座特大型工程。工程由大坝、泄洪发电综合利用的一座特大型工程。工程由大坝、泄洪建筑物及发电系统组成。大坝为粘土斜心墙堆石坝，建筑物及发电系统组成。大坝为粘土斜心墙堆石坝，坝顶长坝顶长1667m，最大坝高最大坝高154m，库容库容126.5亿亿m3，泄泄水建筑物包括集中布置的水建筑物包括集中布置的10座进水塔，座进水塔，9条泄洪排沙条泄洪排沙隧洞、一个正常溢洪道和三个消力塘组成；发电系统隧洞、一个正常溢洪道和三个消力塘组成；发电系统由由6条引水隧洞和一座地下厂房、主变室、尾闸室及条引水隧洞和一座地下厂房、主变室、尾闸室及三条尾水洞组成。总装机容量三条尾水洞组成。总装机容量630万千瓦，多年平均万千瓦，多年平均发电量发电量51亿度。亿度。新安江水电站新安江水电站新安江水电站新安江水电站新安江水电站位于钱塘江支流新安江上，浙新安江水电站位于钱塘江支流新安江上，浙江省建德县境内，由中国自己设计、施工，自制设江省建德县境内，由中国自己设计、施工，自制设备，自行安装的第一座大型水电工程。电站以发电备，自行安装的第一座大型水电工程。电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益，电为主，兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益，电站装机容量站装机容量662.5MW，保证出力保证出力178MW，多年平多年平均年发电量均年发电量18.6亿亿KWh，以以220KV和和110KV高压高压输电线路各输电线路各4回接入华东电力系统。大坝为混凝土回接入华东电力系统。大坝为混凝土宽缝隙重力坝，最大坝高宽缝隙重力坝，最大坝高105米。工程于米。工程于1957年年4月月开工，开工，1960年年4月第一台机组发电，月第一台机组发电，1978年最后一年最后一台机组投运。台机组投运。二滩水电站二滩水电站二滩水电站二滩水电站v二滩工程是二十世纪建成的中国最大的水电站。总装机容量二滩工程是二十世纪建成的中国最大的水电站。总装机容量330万万kW，单机容量单机容量55万万kW，这在这在21世纪初三峡电站建成世纪初三峡电站建成之前，均列全之前，均列全国第一，单机容量排世界前国第一，单机容量排世界前10位。位。v二滩拱坝坝高二滩拱坝坝高240m为中国第一高坝。在双曲拱坝排行中，为中国第一高坝。在双曲拱坝排行中，高度居亚洲第一、世界第三；承受总荷载高度居亚洲第一、世界第三；承受总荷载980万万t，列世界第列世界第一。总泄水量一。总泄水量22480m3/s，在高坝中为世界第一。在高坝中为世界第一。v进水口高度为进水口高度为80m，调压室高度调压室高度70m，均居全国第一。均居全国第一。v亚洲最大的地下厂房洞室群。由厂房、主变压器室、尾水亚洲最大的地下厂房洞室群。由厂房、主变压器室、尾水调压室三大洞室及压力管道、尾水管、尾水洞、母线洞、交调压室三大洞室及压力管道、尾水管、尾水洞、母线洞、交通洞、通风洞、排水洞（廊道）、进风竖井、排风竖井、电通洞、通风洞、排水洞（廊道）、进风竖井、排风竖井、电梯竖井、电缆斜井等组成庞大洞室群。地下洞室开挖量梯竖井、电缆斜井等组成庞大洞室群。地下洞室开挖量370万万m3。其中，厂房长其中，厂房长280m、宽宽25.5m、高高65m。二、水电站的基本类型二、水电站的基本类型按水电站的组成建筑物及特征分为： 坝式、河床式、引水式电站按调节能力分成： 无调节水电站、有调节水电站 (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。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。充分，综合利用效益高。投资大，工期长。投资大，工期长。适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。库的条件。 2.坝后式水电站坝后式水电站当水头较大时，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。如为土坝，可修建河岸式电站。举世瞩目的三峡水电站就是坝后式水电站，其装机容量为18 200MW。 坝后式水电站坝后式水电站坝后厂房坝后厂房 万家寨坝后式水电站万家寨坝后式水电站向家坝水电站向家坝水电站三峡水电站三峡水电站坝坝后后厂厂房房坝坝后后厂厂房房泄泄洪洪坝坝段段(二二)河床式电站河床式电站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电站的主要特征。河床式电站河床式电站河床式电站河床式电站河河 床床 厂厂 房房富春江河床式电站富春江河床式电站泄泄 洪洪 闸闸葛州坝水电站葛州坝水电站河河床床厂厂房房河河床床厂厂房房开开 关关 站站船船 闸闸泄泄 洪洪 闸闸( (三三) )引水式水电站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，基本无水库淹没损失，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。类型：1.1.无压引水电站无压引水电站 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。无压引水式水电站无压引水式水电站1-坝坝;2-进水口进水口;3-沉沙池沉沙池;4-引水渠道引水渠道;5日调节池日调节池;6-压力前池压力前池;7-压力管道压力管道;8-厂房厂房;9-尾水渠尾水渠;10-配电所配电所;11-泄水道泄水道2.有压引水式电站有压引水式电站v引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressuretunnel)v主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。有压引水式水电站石龙坝水电站石龙坝水电站云南昆明石龙坝云南昆明石龙坝水电站是我国大水电站是我国大陆的第一座水电陆的第一座水电站，其装机容量站，其装机容量仅为仅为1440kW，1910年年7月开工月开工建设，建设，1912年年4月发电。月发电。（四）混合式水电站（四）混合式水电站v混合式水电站是由坝和引水道两种建筑物共同形混合式水电站是由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站，可以充分利用河流有利的成发电水头的水电站，可以充分利用河流有利的天然条件，在坡降平缓河段上筑坝形成水库，以天然条件，在坡降平缓河段上筑坝形成水库，以利于径流调节，在其下游坡降很陡或落差集中的利于径流调节，在其下游坡降很陡或落差集中的河段采用引水方式得到在的水头，如图河段采用引水方式得到在的水头，如图1-51-5示示（五）抽水蓄能电站（五）抽水蓄能电站v抽水蓄能：系统负荷低时，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；v放水发电：系统负荷高时，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。 抽水蓄能电站示意图抽水蓄能电站示意图黑麋峰抽水蓄能电站黑麋峰抽水蓄能电站下水库下水库上水库上水库发电发电系统系统( (六）潮汐电站六）潮汐电站 v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。 v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、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。潮汐发电原理法国朗斯潮汐电站法国朗斯潮汐电站1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机机24台，每台台，每台1万千瓦，共万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发万千瓦。设计年平均发电量电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米。米。法国朗斯潮汐电站法国朗斯潮汐电站江夏潮汐电站江夏潮汐电站一、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、过鱼二、发电建筑物 进水建筑物：进水口、沉沙池 引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：前池、调压室 厂区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站等本节小结：本节小结：三、水电站的基本类型有坝式、引水式及混合式。v坝式水电站分为河床式、坝后式；v引水式水电站分有压引水式和无压引水式电站；v混合式开发多为有压引水式电站。本节小结：本节小结：四、抽水蓄能电站和潮汐电站是水能利用的重要型式。n抽水蓄能电站主要解决电力系统的调峰问题，尤其在我国东北、华北、华东等水能资源相对短缺的地区，加快抽水蓄能电站的建设速度很有必要；n潮汐电站是开发海水能源的主要型式本节小结：本节小结：思思考考题题v1.1.试阐述水能利用原理。试阐述水能利用原理。v2.2.什么是水电站的出力什么是水电站的出力? ?v3.3.按照集中落差方式的不同，水电站的开发可分为几种基本方按照集中落差方式的不同，水电站的开发可分为几种基本方式式? ?何为坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站何为坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站? ? v4.4.坝式水电站水利枢纽和引水式水电站水利枢纽各有哪些主要坝式水电站水利枢纽和引水式水电站水利枢纽各有哪些主要特点特点? ?v5.5.坝后式和河床式水电站枢纽的特点是什么坝后式和河床式水电站枢纽的特点是什么? ?其组成建筑物有哪其组成建筑物有哪些些? ?v6.6.无压引水式和有压引水式水电站枢纽的特点是什么无压引水式和有压引水式水电站枢纽的特点是什么? ?其组成建其组成建筑物有哪些筑物有哪些? ?v7.7.水电站有哪些组成建筑物水电站有哪些组成建筑物? ?第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型水轮机是将水能转换为旋转机械能的水力机械。水轮机是将水能转换为旋转机械能的水力机械。利用水轮机带动发电机将旋转机械能变为电能的设利用水轮机带动发电机将旋转机械能变为电能的设备，称为备，称为水轮发电机组水轮发电机组。按水流能量转换特征，可将水轮机分为按水流能量转换特征，可将水轮机分为反击式反击式和和冲击式冲击式两大类。两大类。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型一、反击式水轮机一、反击式水轮机特点：特点：转转轮轮是是由由若若干干个个具具有有空空间间扭扭曲曲面面的的钢钢性性叶叶片片组组成成（当当压压力力水水流流通通过过整整个个转转轮轮时时，由由于于弯弯曲曲叶叶道道迫迫使使水水流流改改变变其其流流动动的的方方向向和和流流速速的的大大小小，因因而而水水流流便便以以其其势势能能和和动动能能给给叶叶片片以以反反作作用用力力，并并形形成成旋旋转转力力矩使转轮转动）。矩使转轮转动）。转轮完全浸于水中。转轮完全浸于水中。叶片进口压力叶片出口压力。叶片进口压力叶片出口压力。分分类类：按按转转轮轮区区分分水水流流相相对对于于主主轴轴的的方方向向不不同同分分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型1.1.混流式水轮机（混流式水轮机（HLHL）特点：特点：a.a.水流流经转轮时，以辐向从四周进入转轮而以轴向水流流经转轮时，以辐向从四周进入转轮而以轴向流出转轮。流出转轮。b.b.适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效率高。适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效率高。c.c.单机容量几十单机容量几十 几十万几十万KWKW。d.d.叶片数叶片数1010- -2020片（通常片（通常14-1914-19片）片）e.e.靠活动导叶控制流量。靠活动导叶控制流量。适用条件：适用水头范围适用条件：适用水头范围20-700m20-700m。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型2.2.轴流式水轮机（轴流式水轮机（ZZZZ，ZDZD）特点：特点：a.a.水水流流流流经经转转轮轮时时轴轴向向进进入入又又依依轴轴向向流流出出，故故称称轴轴流流式式b.b.分分为为定定浆浆式式与与转转浆浆式式两两种种，定定浆浆式式在在运运行行时时叶叶片片固固定定不不动动，结结构构简简单单；转转浆浆式式运运行行时时叶叶片片是是可可以以转转动动的的，并并和和活活动动导导叶叶保保持持协协联联关关系系，使使水水轮轮机机保保持持较较高高的的效效率。率。c.c.单机容量一般几十单机容量一般几十KWKW 十几万十几万KWKW第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型d.d.叶叶片片数数3 3 8 8片片，常常用用4 4 6 6片片。葛葛洲洲坝坝1717万万机机组组4 4片，片，12.512.5万千瓦万千瓦5 5片。片。e.e.流流量量控控制制：定定浆浆式式只只用用活活动动导导叶叶控控制制，而而转转浆式由活动导叶和浆叶共同控制。浆式由活动导叶和浆叶共同控制。适用范围：适用范围：a.a.定浆式多用在负荷变化不大，水头和流量比定浆式多用在负荷变化不大，水头和流量比较固定的小型电站上，适用范围较固定的小型电站上，适用范围3 3 50m50m。b.b.转浆式多应用在大中型电站上，负荷变化较转浆式多应用在大中型电站上，负荷变化较大，应用水头范围为大，应用水头范围为3 3 80m80m。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型3 3斜流式水轮机（斜流式水轮机（XLXL）特点：a.水流流经转轮时倾斜于轴向，故称斜流式。b.转轮的叶片可以转动，叶片轴线与主轴轴线斜交，高效区较宽广。c.装置较多叶片，一般为814片（适应水头有所提高）d.容量：以礼河一级毛家村电站，单机容量为8000KW小浪底可达15万KW。适用范围：适用水头范围为40120m（世界上水头最高的日本向川为113.4m）第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型4 4贯流式水轮机（贯流式水轮机（GDGD，GZGZ）特点：a. 主轴装置成水平或倾斜，不设置蜗壳，水流直贯转轮。b. 不仅水流流经转轮是轴向的，而且水流从建筑物进口到出口全部是轴向的，可以认为当轴流式机组装成水平卧轴时，不设蜗壳，水流直贯转轮而成为贯流式。c. 构造简单，造价低，过水能力大。d. 按发电机装置方式不同分为全贯流式与半贯流式。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型全贯流式发电机转子安装在转轮外缘，优点为水力损失小，过流量大，结构紧凑，但密封困难。半贯流式又分为轴伸式、竖井式和灯泡式，前二种发电机安装、运行及检修方便，但水头低，效率也低，机组容量不大，适合小型水电站。灯泡式结构紧凑，流道平直，过流量大，适用于大容量机组。e.容量为几十KW几万KW。f.叶片数46片g.流量控制与轴流式相同。适用范围：适用于水头小于20m。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型图1-8全贯流式水轮机1转轮叶片；2转轮轮缘；3发电机转子轮辋；4发电机定子；5、6支柱；7轴颈；8轮毂；9锥形插入物；10拉紧杆；11导叶；12推力轴承；13导轴承第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型二冲击式水轮机二冲击式水轮机(实物图)特点：特点：压力水流从喷嘴中射出后全部转换成动能，冲动转轮变成机械能，完全利用水流动能。转轮工作时，水流不充满过流流道，在大气压下工作。水轮机一般没有尾水管，只设集水槽，利用水头是上游水位与喷嘴高程差。分分类类：按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式、双击式三种。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型1 1水水斗斗式式水水轮轮机机（CJCJ）（又称培尔顿（Pelton水轮机）特点：由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上水斗作功。适用范围：其应用水头较高，小型水斗式用于水头40250m，大型水斗式用于400450m以上，最高可达1770m。 第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型2 2斜击式水轮机（斜击式水轮机（XJXJ）特点：喷嘴出来的射流，是沿着与转轮平面成某角（约为22.5）的方向冲击转轮。适用范围：中小型水电站，水头在400m以下，出力达4000KW。图1-13 斜击式转轮（a）转轮；(b)斜击式转轮进水示意图1管帽；2针阀；3轮叶；第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型3 3双击式水轮机（双击式水轮机（SJSJ）特点：由喷嘴出来的射流首先从转轮外缘冲击叶片，接着水流又自内缘再一次冲击叶片，效率低。适用范围：只适用于小型水电站，应用水头10150m，出力达300KW。第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型表表1-1 1-1 水轮机类型及应用水头范围水轮机类型及应用水头范围类型类型应用水头范围应用水头范围/m/m反击式混流式20-700轴流式轴流转桨式3-80轴流定桨式3-50斜流式40-200贯流式贯流转桨式1-25贯流转桨式冲击式切击式（水斗式）40-1700斜击式20-300双击式5-100第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型本节小结：本节小结：水轮机水轮机反击式反击式冲击式冲击式混流式混流式贯流式贯流式斜流式斜流式轴流式轴流式切击式（水斗式）切击式（水斗式）双击式双击式斜击式斜击式全贯流式全贯流式半贯流式半贯流式灯泡贯流式灯泡贯流式轴伸贯流式轴伸贯流式竖井贯流式竖井贯流式虹吸贯流式虹吸贯流式第三节第三节 水轮机的型号和装置形式水轮机的型号和装置形式一、水轮机的型号一、水轮机的型号1 1、型号的含义型号的含义我国水轮机的型号由三部分组成，各部分之间用一短我国水轮机的型号由三部分组成，各部分之间用一短横线相连。横线相连。（一）第一部分代表水轮机型式及转轮型号（一）第一部分代表水轮机型式及转轮型号水轮机型式用汉语拼音字母所示。转轮型号统一采用水轮机型式用汉语拼音字母所示。转轮型号统一采用转轮比转速数字表示。在水轮机型式代表字母后加转轮比转速数字表示。在水轮机型式代表字母后加“N”N”表示可逆水力机械。表示可逆水力机械。一一、水轮机的型号、水轮机的型号水轮机形式代符表号水轮机形式代表符号混流式HL贯流转桨式GZ轴流转桨式ZZ切击式（水斗式）CJ轴流定桨式ZD双击式SJ斜流定桨式XL斜击式XJ贯流定桨式GD表表1-2 1-2 水轮机形式水轮机形式一一、水轮机的型号、水轮机的型号（二）第二部分代表主轴布置方式及引水室特征均用（二）第二部分代表主轴布置方式及引水室特征均用汉语拼音字母表示。汉语拼音字母表示。名称代符表号名称代表符号立轴L罐式G卧轴W灯泡式P斜轴X竖井式S金属蜗壳J虹吸式X混凝土蜗壳H轴伸式Z明槽M表表1-3 1-3 主轴布置形式及引水室特征主轴布置形式及引水室特征一一、水轮机的型号、水轮机的型号（三）第三部分是水轮机转轮标称直径（三）第三部分是水轮机转轮标称直径D D1 1(cm)(cm)反击式水轮机的转轮标称直径反击式水轮机的转轮标称直径1 1是用以厘米为单位的是用以厘米为单位的数值表示；冲击式水轮机牌号的第三部分表示方式为：数值表示；冲击式水轮机牌号的第三部分表示方式为：水轮机转轮标称直径水轮机转轮标称直径D D1 1(cm)/(cm)/作用在每个转轮上的喷作用在每个转轮上的喷嘴数嘴数设计射流直径设计射流直径(cm)(cm)例：例：HL180-LJ-550HL180-LJ-550 HL240-LJ-140 HL240-LJ-140 ZZ560-LH-500 ZZ560-LH-500 GD600-WP-250 GD600-WP-250 2CJ26-W-120/210 2CJ26-W-120/2102 2、转轮直径转轮直径表征转轮的主要几何尺寸，称为转轮的标称直径（或表征转轮的主要几何尺寸，称为转轮的标称直径（或称名义直径）用称名义直径）用D1D1表示，单位是表示，单位是cmcm。各种类型水轮机的转。各种类型水轮机的转轮标称直径（简称转轮直径），具体的规定如下：轮标称直径（简称转轮直径），具体的规定如下：1 1混流式水轮机是转轮叶片进口边上的最大直径，混流式水轮机是转轮叶片进口边上的最大直径，即转轮下环与叶片进口边交点处直径。即转轮下环与叶片进口边交点处直径。2 2轴流式和斜流式水轮机是转轮叶片轴线与转轮室轴流式和斜流式水轮机是转轮叶片轴线与转轮室相交处的转轮室内径。相交处的转轮室内径。3 3水斗式水轮机是转轮与射流中心线相切的节圆直水斗式水轮机是转轮与射流中心线相切的节圆直径。径。一一、水轮机的型号、水轮机的型号图1-16 各种类型的水轮机转轮直径规定示意图一、水轮机的型号一、水轮机的型号二、水轮机的装置形式二、水轮机的装置形式水轮机的装置形式是指水轮机的布置形式和引水室形水轮机的装置形式是指水轮机的布置形式和引水室形式相结合的总体，式相结合的总体，它取决于使用水头、单机容量和上下游它取决于使用水头、单机容量和上下游水位等的变化情况。水轮机按主轴布置方式不同，又分为水位等的变化情况。水轮机按主轴布置方式不同，又分为立式和卧式两种。立式和卧式两种。主轴竖向装置者称立式，主轴竖向装置者称立式，发电机位于水发电机位于水轮机上部，其位置较高，不易受潮，所占厂房面积较小，轮机上部，其位置较高，不易受潮，所占厂房面积较小，但厂房高度大，多用于大中型水电站。但厂房高度大，多用于大中型水电站。主轴横向装置者称主轴横向装置者称卧式，卧式，发电机和水轮机布置在同一高度上，可减小厂房高发电机和水轮机布置在同一高度上，可减小厂房高度，但发电机易受潮，厂房面积较大，多用于小型水电站。度，但发电机易受潮，厂房面积较大，多用于小型水电站。水轮机装置形式与水电站厂房设计有密切的关系，下水轮机装置形式与水电站厂房设计有密切的关系，下面对水轮机常见的几种装置形式进行简要介绍。面对水轮机常见的几种装置形式进行简要介绍。1 1、反击式水轮机的装置形式反击式水轮机的装置形式反击式水轮机使用水头范围大，单机容量差别大，机反击式水轮机使用水头范围大，单机容量差别大，机型繁多，所以装置形式各不相同。型繁多，所以装置形式各不相同。大型机组：为缩小厂房面积，采用立式布置形式水轮大型机组：为缩小厂房面积，采用立式布置形式水轮机与发电机轴机与发电机轴直接连接直接连接。中小型机组：根据利用方式不同，主轴可以布置成立中小型机组：根据利用方式不同，主轴可以布置成立式或卧式。水轮机与发电机轴可以直接连接，也可以通过式或卧式。水轮机与发电机轴可以直接连接，也可以通过齿轮、传动带齿轮、传动带间接连接间接连接。二、水轮机的装置形式二、水轮机的装置形式2 2、冲击式水轮机的装置形式冲击式水轮机的装置形式冲击式水轮机的装置形式是根据其类型和机组容量的冲击式水轮机的装置形式是根据其类型和机组容量的大小，结合当地自然条件与生产制造水平决定的。大小，结合当地自然条件与生产制造水平决定的。斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般采用卧斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般采用卧式装置形式。式装置形式。切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此装置形式有立式也有卧式。大容量机组一般采用立式，小装置形式有立式也有卧式。大容量机组一般采用立式，小容量机组采用卧式。卧式切击式水轮机和般为了较高的水容量机组采用卧式。卧式切击式水轮机和般为了较高的水力效率大多对每转轮采用单喷嘴，对较大容量的卧式机组力效率大多对每转轮采用单喷嘴，对较大容量的卧式机组采用双转轮，每个转轮使用双喷嘴的装置形式。采用双转轮，每个转轮使用双喷嘴的装置形式。二、水轮机的装置形式二、水轮机的装置形式2 2、冲击式水轮机的装置形式冲击式水轮机的装置形式对于大容量机组，为了缩小厂房平面尺寸，降低开挖对于大容量机组，为了缩小厂房平面尺寸，降低开挖费用，一般采用立式装置形式。费用，一般采用立式装置形式。立式机组还可以降低进水立式机组还可以降低进水管中的水力损失及转轮的风损，提高水轮机效率。另外立管中的水力损失及转轮的风损，提高水轮机效率。另外立式机组可以多装喷嘴，一般是式机组可以多装喷嘴，一般是1-61-6个喷嘴。增加喷嘴数可个喷嘴。增加喷嘴数可以提高切击水轮机的转速，在运行中能够根据负荷的变化以提高切击水轮机的转速，在运行中能够根据负荷的变化自动调整投入运行的喷嘴数，保持高效率运行。自动调整投入运行的喷嘴数，保持高效率运行。二、水轮机的装置形式二、水轮机的装置形式1.1.水轮机牌号规定为：水轮机形式、比转速水轮机牌号规定为：水轮机形式、比转速主轴主轴布置形式、引水室特征布置形式、引水室特征转轮标称直径。转轮标称直径。2.2.各各型水轮机的转轮标称直径位置都有规定，且标称型水轮机的转轮标称直径位置都有规定，且标称直径有标准化。直径有标准化。3.3.水轮机的装置形式。水轮机的装置形式。本节小结：本节小结：当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机的机械能，我们用一些参数来表征能量转换的过程，称为水轮机的基本工作参数，主要有：工作水头H、流量Q、转速n、出力P与效率t等。一、水轮机的工作水头一、水轮机的工作水头H：1 1定定义义：水轮机的工作水头是指参与水轮机能量转换的水头。2 2计计算算：根据定义水轮机的工作水头H（m）应为水轮机进口断面（-）和尾水管出口断面（-）处单位重量水流能量之差。（采用下游水面为基准面） H=EE第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数 H=Hg-h（1-10）Hg：水电站的毛水头，即上下游水位之差（也称为静水头）（1-10）式表明水轮机工作水头即等于水电站毛水头扣除压力引水系统中水头损失后的净水头，这也就是水轮机利用的有效水头。 3 3表表明明水水轮轮机机运运行行工工况况及及运运行行范范围围的的其其他他特特征水头：征水头： 最大水头Hmax、最小水头Hmin、加权平均水头Ha、设计水头（也称计算水头）Hr其中：加权平均水头Ha是指水电站在运行期间出现次数最多、经历时间最长的水头，通常是指电能或时间加权的平均水头。可由计算的资料确定： 或式中ti，Ni水头Hi出现时相应的持续时间和出力。第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数3 3表表明明水水轮轮机机运运行行工工况况及及运运行行范范围围的的其其他他特特征水头：征水头：设计水头Hr是指水轮机在发出额定出力时所需要的最小水头，它与水轮机的受阻容量有关，经分析比较确定。第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数二、流量二、流量1 1定定义义：水轮机的流量是指水流在单位时间内通过水轮机的体积，单位m3/s。2 2计计算算：水轮机流量随工况的改变而改变，由测量得到。其数值在Hr下，水轮机发额定出力时，Q最大。第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数三三、出力出力和效率和效率1 1出出力力：水轮机轴端的输出功率，用P表示，单位为W或kW。2 2输输入入功功率率：当单位时间内水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号Pn表示 。3 3效效率率（t）：水轮机的出力与其输入功率的比值称为水轮机的效率t=P/Pn 4 4出力出力P P的的计算：计算： 由上述可知：P=Pn=9.81QHt（kw）第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数5 5实实际际水水轮轮机机效效率率t情情况况：目前水轮机的效率较高，大型机组可达90%95%，小型机组可达80%。而火电站的热能效率却只有40%左右，这也是水电的优越性所在。6 6水轮发电机组的输出水轮发电机组的输出功率功率P Pf f： 由于水轮机与发电机同轴连接，当水轮机把输出功率传给发电机时，同样存在着损失，即发电机的效率发。 所以 Pf=9.81QH水发水轮机的输出功率P第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数四、工作四、工作力矩与转速力矩与转速1 1工工作作力力矩矩：由于水轮机的出力使主轴旋转作功，所以出力除了用水头流量公式P=9.81QHt表示外，还可用旋转机械运动的公式来表示：P=M=M 2 2转速转速水轮机主轴和发电机轴都是用法兰和螺栓直接钢性连接的，所以水轮机主轴与发电机同步运行，二者转速相同。水轮机转速要符合标准同步转速，即满足f=（Pn）/60 第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数水轮机额定转速n=3000/P （r/min）对不同磁极对数的发电机，其标准同步转速不同。为保证供电质量，要求电流频率不变，故在正常情况下，机组转速应保持为相应的固定转速，此转速即为水轮机或机组的额定转速n。第第四四节节 水轮机水轮机的基本工作参数的基本工作参数一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式不论何种类型的水轮机均系利用水流的能量给叶片的反力推动转轮作功，以达到能量转换的目的。水流传递给水轮机的功率为9.81，其中Q为通过水轮机的流量；H为有效水头;为水轮机水力效率。水轮机得到的功率为M（M为水流对转轮的作用力矩,为角速度）。第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理水轮机基本方程式为：Ht= 1/g(u1v1cosa1-u2v2cosa2)式中g为重力加速度；v1、v2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度；u1、u2分别为转轮进口、出口的旋转速度；a1、a2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度与圆周分速度的夹角。在设计水轮机转轮的通流部分时应遵循这一基本方程式。基本方程式的物理意义在于：水流对转轮作用的有效能量是与水流内部能量转换相平衡的，它实质上是水能转换成机械能的平衡方程式。第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理反击式水轮机利用水流的压能（位能）和动能，水流经过转轮叶片时受叶片的作用而改变压力与流速的大小和方向，而对转轮叶片产生反作用，形成转轮的旋转力矩使水轮机工作。冲击式水轮机利用水流的动能，通过喷嘴把高压水流全部转化为动能以高速射向转轮叶片而使转轮旋转。第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理二、水轮机的能量损失及效率二、水轮机的能量损失及效率水能完全有效地转换为机械能传给发电机，这是因为任何机械运动有摩擦等损失，它对能量转换是无效的，称能量损失。其中包括水力损失、容积损失、机械损失等第五节第五节 水轮机的工作原理水轮机的工作原理水力损失和水力效率水力损失和水力效率水力损失：天然水流经过蜗壳、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时产生水力摩擦、撞击、涡流、脱壁等引起能量损失。水力效率：h=(H-h)/H第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理容积容积损失和损失和容积容积效率效率容积损失：进入水轮机的水流，有一部分会从这些间隙中漏掉，这样就会造成一部分不对转轮做功，这种能量损失称为容积损失。容积效率：v=(Q-q)/Q第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理机械损失和机械效率机械损失和机械效率机械损失：水轮机的一些部件之间存在一定的摩擦，这些摩擦消耗一定的能量的简称，用N表示。机械效率：m=(Pe- Pm)/Pe第第五五节节 水轮机水轮机的工作原理的工作原理