水力发电厂

简称: 水电厂|

水电厂全称水力发电厂,是把水的位能和动能转换成电能的工厂。它的基本生产过程是:从河流高处或其他水库内引水,利用水的压力或流速冲动水轮机旋转,将重力势能和动能转变成机械能,然后水轮机带动发电机旋转,将机械能转变成电能。电站一般主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞,包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站)四大部分组成。 主要组成部分有:水工建筑物、水力机械设备、发电设备、变电设备、配电设备、输电设备和控制及辅助设备。

发展前景

中国经济已进入新的发展时期,在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时,资源和环境制约趋紧,能源供应出现紧张局面,生态环境压力持续增大。据此,加快西部水力资源开发、实现西电东送,对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展,无疑具有非常重要的意义。另外,大力发展水电事业将有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件,对于推进地方农业生产、提高农民收入,加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定,具有不可替代的作用 。水电开发通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展,将把地方资源优势转变为经济优势、产业优势,以此带动其他产业发展,形成支撑力强的产业集群,有力促进地方经济的全面发展。

发电原理

水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动,将水能转变为旋转机械能,如果在水轮机上接上另一种机械(发电机),随着水轮机的旋转便可发出电来,这时机械能又转变为电能。

水力发电在某种意义上讲是水的势能变成旋转机械能,又变成电能的转换过程。根据原理可推算出水力发电的出力公式如下:

  • P=9.81ηHQ
  • P:出力单位:kW(千瓦)机组机端传出的功率。
  • H:水头单位:m(米)作用在水轮机上的有效水头,它等于水库水位与下游水位之差(即:毛水头)减去引水部分水头损失,水头损失△h,据经验,一般为Hg(毛水头)的3%~10%,输水道短取小值。
  • Q:流量单位:m3/s(立方米/秒)水电厂水轮机的引用流量。
  • η:水轮发电机组效率,包括水轮机的效率和发电机的效率,η不但与水轮机、发电机的类型和参数有关,还会随机组运行工况的改变而改变,不是一个固定值。为简化计算,令k=9.81η,则可把出力公式简化为:
  • P=kHQ
  • k:水电站出力系数。大中型水电站k=8.0~8.5;中小型水电站k=6.5~8.0,对小型电厂:k=6.0~6.5。

各国一般把装机容量0.5万kW以下的水电站定为小水电站,0.5万~10万kW为中型水电站,10万~100万kW为大型水电站,超过100万kW的为巨型水电站。

水电厂分类

分类标准

按集中落差

堤坝式水电厂(又分坝后式和河床式),引水式水电厂和混合式水电厂;

按径流调节程度

无调节水电厂和有调节水电厂;前述水电厂是专供发电用的,另外有一种特殊形式的水电厂,叫抽水蓄能电厂(十三陵电厂),这类电厂有上下两个水库,电厂中有发电和抽水两类设施,电厂在系统峰荷时发电(调峰),系统低谷时抽水耗电(填谷),另有调相、调频和备用的作用;我国最大的水电厂是三峡,装机容量1820万KW,26台70万KW机组,参与发电的是14台机组,即980万KW;(二滩水电厂,装机容量330万KW,6台55万KW机组)最大抽水蓄能水电厂:广东抽水蓄能水电厂,装机容量240万KW,8台30万KW机组 [3]。

按利用能源类型

水电厂可分为常规水电厂(包括梯级水电厂)、抽水蓄能电厂、潮汐电站和波浪能电站。常规水电厂又可按水头集中方式、水库调节径流性能和装机规模的区别分类。其中按水头集中方式可划分为坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂;按水库调节径流性能可划分为多年调节、年调节、季调节、周调节、日调节水电厂和不调节径流的径流式水电厂;按单厂装机容量规模分类,我国现行的划分标准是单厂装机容量250MW及以上的为大型,250MW以下至25MW的为中型,小于25MW的为小型。

按开发方式

可分成纯抽水蓄能、混合式和调水式三种类型。

具体类型

坝式水电厂

坝式水电厂或称坝库式、堤坝式、蓄水式水电厂,是水电开发的基本方式之一。坝式水电厂是由河道上的挡水建筑物壅高水位而集中水头的水电厂。当水头不高且河道较宽时,用厂房作为挡水建筑物的一部分,这类水电厂又称河床式水电厂,也属于坝式水电厂。

坝式水电厂的发电厂房有坝后式、坝内式、溢流式、岸边式、地下式和河床式几种类型。

引水式水电厂

引水式水电厂是水电开发的基本形式之一。这类水电,宜建在河道坡降较陡的河段或大河湾处,在河段上游筑坝引水,用引水渠道、隧洞、压力水管等将水引到河段下游,用以集中水头发电。这类水电厂大都为高水头水电厂。跨流域引水发电的水电厂必然是引水式水电厂。

混合式水电厂

混合式水电厂或称水库引水式水电厂,这类水电厂由挡水建筑物和引水系统共同集中发电水头,并由水库调节径流发电。

径流式水电厂

式水电厂,是在河道中拦河筑低坝或闸,基本不调节径流,靠天然径流发电的水电厂。当来水流量大于水轮机过水能力时,水电厂满出力运行,多余水量经泄水建筑物直接泄向下游,称为弃水;当来水流量小于水轮机过水能力时,则有部分发电机组容量来被利用。水电厂的这种运行方式称为径流发电。

梯级水电厂

梯级水电厂是分布在一条河流上下游有水流联系的水电厂群,其各级水电厂可以是坝式、引水式或混合式水电厂等不同类型。各类水电厂都有各自的优缺点,建设梯级水电厂可以互相取长补短,取得提高资源利用率,协调水资源综合利用之间的矛盾,缩短总工期,减少总投资等梯级效益。

抽水蓄能电厂

抽水蓄能电厂建有上下两座水库,其间用压力隧洞或压力水管相连接。它是利用电力系统低谷负荷时的剩余电力从下库抽水雷存到上库,在高峰负荷时从上库放水至下库发电的水电厂。

电力系统作用

在电力系统中,发电厂一般有火电厂、水电厂、核电厂、风电场、太阳能电厂等几类。在水力资源贫乏地区,火电厂所占比例较大,而在水力资源丰富且开发程度较高的地区,水电厂则占有较大的比例,风电场和太阳能属于新能源,最近几年发展比较迅速。水电厂在电力系统的主要作用有以下几项:

  • 提供电能。是水电厂的主要任务。
  • 调峰。有调节能力的主力水电厂担任。
  • 调频。有水库且调节能力较强的大型机组担任,中国的频率50±0.2Hz。
  • 调相。具备调相运行能力,可根据电网要求参与系统无功功率平衡。
  • 作为事故备用。由于水轮发电机组具有迅速起动投入并网发电的特点,当电力系统突然发生事故时,急需补充电量,常把水电厂的机组作为事故备用机组。
  • 蓄能作用。抽水蓄能水电厂低谷时抽水用电储能,在用电高峰时发电向系统供电,满足负荷需要。

水电属于清洁能源,根据水电的特点和在电力系统中的作用,运行方式一般遵循以下原则:

  • 充分利用水能。无调节能力的一般担任基荷运行,主要是径流电厂;有调节能力的枯水期一般参与调峰运行,丰水期为避免弃水一般逐步过渡到基荷运行,调峰任务转交给火电厂。
  • 为降低火电厂煤耗,节约资源,枯水期水电厂参与调峰运行,让火电厂在高效区运行。丰水期则水电厂在基荷运行,火电厂最大限度参与调峰运行,最大限度减少弃水。
  • 合理分配负荷,尽量使水电机组在高效率区运行。水电机组一般避免在低水头、低负荷区运行,在低水头、低负荷区运行时,不但效率低,还有可能会处在振动区运行,影响机组的安全运行和使用寿命。

水力发电厂组成部分

水电站一般主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞,包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站)四大部分组成。

主要组成部分有:水工建筑物、水力机械设备、发电设备、变电设备、配电设备、输电设备和控制及辅助设备。

配电设备的组成及作用

  • 电压互感器(PT):把高电压降为标准电压,供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电压为100V。
  • 电流互感器(CT):把大电流降为标准电流,供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电流为5A或1A。
  • 避雷器:限制过电压以保护电气设备。
  • 母线:汇集、分配和传送电能。
  • 导线:传送电能。

水工建筑物的组成与作用

水工建筑物的组成

  • 挡水建筑物:坝泄水建筑物——溢洪道、泄水孔、溢流坝、泄洪洞闸门——进水闸门、尾水闸门、溢洪道闸门
  • 用水建筑物:水电站进水引水建筑物(渠道或隧洞、压力钢管、进水口)和厂房

水工建筑物的作用

是拦截水流、抬高水位、形成水库,造成上下游之间的水位差,使电站具备水力发电的基本条件。在有调节库容的坝式水电站上,坝同时实现集中河段落差和调节河流中的流量的双重作用,不仅为水电厂服务,同时还有防汛、灌溉、航运、工业给水等作用。

溢洪道、泄水孔

宣泄洪水,防止洪水漫顶,确保大坝安全,故又称泄洪建筑物。有的泄水建筑物还可以用来放空水库或施工导流等。泄水建筑物按泄流方式可分为溢洪道和深式泄水道两类。

闸门

调节流量和控制洪水。闸门可根据它所在的位置的不同分为低水头闸门和高水头闸门。发电用的进水口闸门和底孔闸门属于高水头闸门,溢洪道上的闸门属于低水头闸门。从其结构划分,最常见的有平板闸门和弧形闸门。尾水闸门主要是设备检修时使用。

用水建筑物

可分为进水和引水建筑物,它包括进水口和引水道,其作用是将坝内的水引到厂房供水轮发电机组使用。

引水道可分为

渠道、隧洞(有压和无压)、压力水管、渡槽和倒虹吸等一些引水式水电站在引水建筑物上还设有压力前池、调压室或调压井等

主厂房

用来安装水轮发电机组及其辅助设备的厂房,以及组装、检修发电机组的装配场。

副厂房

安装配电设备及其运行管理设施的厂房。副厂房一般包括水电站的运行、控制、试验、管理用房,以及操作人员工作、生活的用房。

发电机的组成部分及作用

发电机主要组成部分

定子、转子、推力轴承、导轴承、轴、机架、冷却器、制动器。

发电机主要组成部分的作用

  • 定子:产生感应电势。转子:产生旋转磁场。
  • 推力轴承:承受轴向水推力及机组转动部件自重。导轴承:承受径向水推力和控制摆度。轴:传递机械能。
  • 上机架:安装推力轴承、上导轴承、集电环等。下机架:安装下导轴承、制动器。
  • 冷却器:轴承冷却器用于冷却轴承,空气冷却器用于冷却发电机。
  • 制动器:停机时制动发电机,防止长时间低速旋转损坏推力轴承。

水力机械设备的组成与作用

水力机械设备的组成

主阀、水轮机、底环及顶盖、活动导叶、导轴承

水力机械设备的作用

主阀

(球阀、蝶阀)事故时,紧急切断水流,防止机组飞逸事故发生;机组检修时,切断水流;长时间停机时,关闭蝶阀,减少漏水量,节约水资源。

水轮机

按安装方式可分为立式、卧式;按水流能量转换的特征,可分为反击式(利用水流体的动能和势能)和冲击式(仅利用水流的动能)。

  • 反击式:轴流式(定浆:H:3~50m,转浆:H:3~80m)、混流式(H=30~700m)、斜流式(H=40~200m)、贯流式(2~30m)。
  • 冲击式:适用于高水头、小流量的小型机组,水斗式水轮机(切击式)(40~2000m,一般常用水头范围40~800m)、斜击式水轮机(50~400m)、双击式水轮机(6~150m)。

水轮机的组成部分及作用

  • 蜗壳:形成水力环量。
  • 座环:承受机组全部重量。

底环及顶盖

固定活动导叶并形成转轮室。转轮:水能转换成旋转机械能。

活动导叶

控制水流量,达到调节转速和出力的目的。轴:传递机械能。

导轴承

承受径向水推力和控制摆度。尾水管:回收能量并导出水流。

变配电设备的组成部分及作用

变电设备

组成

  • 油浸式变压器:底座、钟罩、油枕、铁芯、绕组及散热装置等。
  • 干式变压器:铁芯、绕组、箱体及散热装置等。

作用

升高交流电压或降低交流电压。

配电设备

组成

断路器(开关)、隔离开关(闸刀)、互感器、避雷器、母线、导线等。

作用

  • 断路器(开关):关合、承载、开断运行回路正常电流、过载电流。
  • 隔离开关(闸刀):合闸时承载正常回路电流、过载电流,分闸时符合绝缘距离和有明显断开标志。

输电、控制设备的组成及作用

输电设备

输电设备的组成

线路、铁塔(电杆)、避雷线等。

输电设备的作用

  • 线路:传送电能。
  • 铁塔(电杆):固定导线和避雷线。
  • 避雷线:保护架空输电线路

控制设备

控制设备组成

励磁装置、调速装置、继电保护、同期装置、自动装置、计算机监控系统、直流系统等。

控制设备的作用

  • 励磁装置:为发电机转子提供直流电建立磁场,控制发电机机端电压或调整机组无功功率。
  • 调速装置:控制机组转速或调整机组有功功率。
  • 继电保护:监视电力系统的正常运行,当被保护的元件发生故障时,自动迅速地、有选择地发出跳闸命令,将故障设备从系统中切除,保证正常设备继续运行,将事故限制在最小范围,提高系统运行的可靠性,最大限度地保证向用户安全、连续供电。
  • 同期装置:不同电源间的同期并网。类型:自同期、准同期(自动准同期、手动准同期、灯光熄灭准同期)。
  • 自动装置:完成一定功能的自动装置。类型:重合闸装置、低周启动装置、高周切机装置。
  • 计算机监控系统:通过对电站各种设备信息进行采集、处理,实现自动监视、控制、调节、保护等功能,保证设备安全稳定运行,按电力系统要求进行优化运行,合理充分利用水能,保证电能质量,减少运行与维护成本,改善运行条件,实现无人值班或少人值守。硬件组成有:工作站、服务器、网络设备、GPS时钟、UPS电源、现地LCU、数据采集设备及通信设备等。
  • 直流系统:为开关设备的操作、二次设备提供可靠能源。直流系统组成:蓄电池、充电装置、配电装置。

辅助设备的组成及作用

辅助设备的组成

  • 水系统:技术供水、渗漏排水、检修排水。油系统:绝缘油、润滑油。
  • 气系统:高压气、中压气、低压气。

辅助设备的作用

技术供水系统

  • 主要对象:发电机空气冷却器、发电机推力轴瓦及导轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器、主轴密封、水冷式变压器、水冷式空气压缩机、深井泵润滑水、消防用水等。
  • 技术供水水源:上游水库(压力钢管或蜗壳、坝前取水)、下游水库、地下水源等。
  • 技术供水的方式:自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。
  • 排水系统:防止厂房内部积水和潮湿,保证机组过流部件和厂房水下部分的检修。包括:生产用水的排水、检修排水、渗漏排水、厂区排水。

油系统

  • 润滑油:透平油、空气压缩机油、机械油及润滑脂等。
  • 润滑油的作用:润滑、散热、传递能量。
  • 绝缘油:变压器油、电缆油、开关油。绝缘油的作用:绝缘、散热、消弧。

气系统

  • 高压气系统:供油压装置压力油罐补气。
  • 中压气系统:水导轴承检修密封围带、蝴蝶阀止水围带。
  • 低压气系统:机组停机制动、调相压水、风动工具、吹扫用气。
目录
1.
发展前景
2.
发电原理
3.
水电厂分类
4.
电力系统作用
5.
水力发电厂组成部分
6.
配电设备的组成及作用
7.
水工建筑物的组成与作用
8.
发电机的组成部分及作用
9.
水力机械设备的组成与作用
10.
变配电设备的组成部分及作用
11.
输电、控制设备的组成及作用
12.
辅助设备的组成及作用
讨论