水电站课程教案

《水电站》课程教案（部分章节）郑州大学环境与水利学院水电站课程组2005.9.6绪论---主讲教师马跃先教授要求：建立水力发电的概念，了解水力发电、水能资源的特点及水电事业发展状况；理解本课程的性质，明确本课程的任务。第一节水力发电概述一、水力发电(一)水力发电的概念在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中，使水能→旋转机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户。(二)水力发电的转换原理---（多媒体动画演示）(三)水电站---（多媒体动画演示）在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生需要修建一系列水工建筑物，如进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备和变电站的总体称为水电站(水、机、电的综合体)。(四)水力发电特点(1)不耗燃料，成本低廉：水电站建成投产以后不需要消耗燃料，节省能源。其运行和维修费用低，工程使用寿命长，总的劳动生产率高，一般只有相同容量的火电站运行人员的1/4~1/5。不需要运输发电所用的燃料，发电成本均比火电、核电低。(2)水火互济，调峰灵活：电力用户的用电量是时刻变化着的，电网中的日负荷有高峰也有低谷。火电站、核电站从开机到正常运行通常需要几个小时，宜担负基荷运行。水电站启动灵活，在1~2分钟内，就能从停机状态达到满负荷运行、并网供电，宜于担任调峰、调频，事故备用，与火电站配合运行，互相补充。(3)综合利用，多方得益：具有水库以调节水量的水电站，除发电外，还兼顾防洪、灌溉、航运、供水、旅游、水产养殖业等综合利用效益。(4)取之不尽可，用之不竭：水能资源是随水循环(降水——径流——蒸发——降水)周而复始地不断再生的能源，取之不尽，用之不竭。煤、石油、天然气、等矿物资源是不可再生的，越用越少。太阳能、风能、潮夕能等，也是再生能源，但由于大规模地开发利用的技术不成熟，发电不稳定，成本很高，目前还不能大量利用。(5)环境优美，能源洁净：水电站多建在僻静的山谷之中，远离城市、厂矿。大坝上游形成水库，环境幽静，水体纯洁，没有环境污染，空气清新，湖光山色，可以成为风景游览区。缺点：(1)受自然条件限制：水量、落差、地质、地形、地理、环境、土地淹没、移民、政治、经济、交通等。水能资源只能就地开发，不少地区的水能资源很丰富，但由于当地经济不发达，交通不便，难于充分开发和利用。大部分水电站至负荷中心或与电网联接点有相当距离，需要修建昂贵的输变电工程。(2)一次性投资大，工期长：（水文季节、水工建筑施工、机械安装、移民、施工水平、资金到位）小型工程为3~5年，中型工程为8~10年，大型工程为10年以上。(3)故后果严重：水管破裂、溃坝等，设计、施工应安全可靠。二、我国的水能资源特点全国水能总蕴藏量为676047.1MW，相应年发电量59222亿kW.h，占世界首位。(1)总量十分丰富，而人均资源量并不富裕水能资源：实际可开发量近378532MW、19233亿kW.h左右，居世界第一位。电量计：约占世界总量的15%人口：占世界的21%到2050年后，我国达到中等发达国家水平，如按人均装机1kW计，全国电力总装机为15亿kW~16亿kW。常规水电即使全部开发出来，加上抽水蓄能电站，水电比例也只占30%~40%左右。注：实际可开发水能资源：由于受水量、落差、地形、地质、土地淹没、移民、政治、经济、交通、施工技术等因素的制约，一条河流的水能蕴藏量不能完全开发，只能开发其中的一部分。(2)地区分布极不均衡，与经济发展的现状更不匹配资源集中在经济相对滞后的西部，尤其是西南。云、贵、川、渝、陕、甘、宁、青、新、藏等10个省(自治区，直辖市)的水能资源占67.8%，其中西南的云、川、藏三省(自治区)就占全国总资源量的60%，经济发达的东部13个省(直辖市)(辽、吉、黑、京、津、冀、鲁、苏、浙、皖、沪、粤、闽)仅占7%左右。(3)总开发率很低，东西开发差异极大。全国平均开发率按电量算仅9.12%，位居世界第83位，排在很多发展中国家如印度、越南、泰国、巴西、埃及等国家之后，与中国是发展中大国的位置极不相称。东部，已开发70%以上：可开发的大型水电站只剩下4座，共161万kW，即黑龙江的尼尔基电站(25万kW)、浙江的摊坑电站(60万kW)、大均电站(46万kW)和福建的街面电站(30万kW)；西部，开发率仅7.5%：西部的水电开发才刚刚开始，因此21世纪，水电要结合国家的西部大开发战略，大力开发西部水电，实施大规模的西电东送，才能实现资源的优化配置和电源结构的合理调整。(4)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1000MW。三峡(长江)1820万kW，溪落渡(金沙江)超过1000万kW。雅鲁藏布江下游的墨脱电站，计划开凿35km长的隧洞，引水2000m3/s以上，落差可超过2000m，电站装机可达4500万kW。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，这在人口较密的地区尤为突出。从长远看，能输出水电的主要是云、川、青、藏四省(自治区)，从河流看，能输出电能的主要是金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、澜沧江、怒江和黄河上游青海段。近期长江干流、乌江、红水河(含上游)均可视情况适量外送。三、我国水电发展概况到1998年底，全国已建水电站装机容量65060MW，年发电量2043亿kW.h时，继美国、加拿大之后居世界第3位，在建规模约46000MW。全国水电装机和发电量已占全国电力总装机和发电量的23.4％和17.8％。第二节水电站的基本开发方式及其布置形式由N=9.81ηQH可知，要发电必须有流量和水头，关键是形成水头。要充分利用河流的水能资源，首先要使水电站的上、下游形成一定的落差，构成发电水头。因此就开发河流水能的水电站而言，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。形成水头方式——水电站的开发方式。一、坝式水电站在河流峡谷处拦河筑坝，坝前雍水，在坝址处形成集中落差，这种开发方式为坝式开发。在坝址处引取上游水库中水流，通过设在水电站厂房内的水轮机，发电后将尾水引至下游原河道，上下游的水位差即是水电站所获取的水头。用坝集中水头的水电站称为坝式水电站。(一)坝式水电站特点(1)坝式水电站的水头取决于坝高。目前坝式水电站的最大水头不超过300m。(2)坝式水电站的引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分。(由于筑坝，上游形成的水库，可以用来调节流量）目前世界上装机容量超过2000MW的巨型水电站大都是坝式水电站。此外坝式水电站水库的综合利用效益高，可同时满足防洪、发电、供水等兴利要求。(3)坝式水电站的投资大，工期长。原因：工程规模大，水库造成的淹没范围大，迁移人口多。适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。(二)坝式水电站的形式1．河床式电站(powerstationinriverchannel)——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：8~10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。——主要包括：挡水坝、泄水坝、厂房、船闸、鱼道等。注：厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。2．坝后式水电站(powerstaionatdamtoe)——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18200MW。二、引水式水电站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低坝(或无坝)取水，通过人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电。用引水道集中水头的电站称为引水式水电站。特点：(1)水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。(2)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。(3)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。类型：(1)无压引水式(freeflow)：引水道是无压的(如明渠)(2)有压引水式(pressureflow)：引水道是有压的(压力隧洞)适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。1．无压引水式电站引水建筑物是无压的：明渠(openchannel)、无压隧洞(freeflowtunnel)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。2．有压引水式电站引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressuretunnel)主要建筑物：低坝，引水隧洞(有压)，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。三、混合式水电站(mixedpowerplant)在一个河段上，同时采用高坝和有压引水道共同集中落差的开发方式称为混合式开发。坝集中一部分落差后，再通过有压引水道集中坝后河段上另一部分落差，形成了电站的总水头。这种开发方式的水电站称为混合式水电站。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。在工程时间中多称为引水式，很少用混合式水电站这个名称。四、抽水蓄能电站(pumpedstoragepowerstation)随着经济的发展以及人民生活水平的提高，电力负荷和电网日益扩大，系统负荷的峰谷差越来越大，预计到21世纪初，我国东北、华北、华东均将成为几百万兆瓦的电力系统，它们的峰谷差将达到1万MW，因此解决调峰填谷的任务愈来愈迫切。在电力系统中，核电站和火电站不能适应电力系统负荷的急剧变化，且受到技术最小出力的限制，调峰能力有限，而且火电机组调峰煤耗多，运行维护费用高。而水电站启动与停机迅速、运行灵活，适宜担任调峰、调频、事故备用。抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的调峰问题；建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机组；抽水蓄能和放水发电两个过程：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；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。随着电力行业的改革，实行负荷高峰高电价、负荷低峰低电价后，抽水蓄能电站的经济效益将是显著的。我国已建抽水蓄能电站有：(1)广东抽水蓄能电站，其装机容量为2400MW(8×300MW)；(2)天荒坪抽水蓄能电站，其装机容量为1800MW(6×300MW)；(3)十三陵抽水蓄能电站，其装机容量为800MW(4×200MW)；(4)潘家口抽水蓄能电站，其装机容量为420MW（3×90MW+150MW），联合型；(5)西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，其装机容量为90MW(4×22.5MW)。五、潮汐电站(tidalenergypowerstation)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。潮汐的最大潮差为8.9m；北美芬迪湾蒙克顿港最大潮差竟达19m。世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kW，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万kW.h。潮汐发电与原理：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。潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。由于潮汐发电的开发成本较高和技术上的原因，所以发展不快。六、河流的梯级开发和梯级水电站一条河流的水力蕴藏量是一定的，如果在下游建一个高坝大库，则调节能