一、水力发电基本原理  水力发电基本原理  

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。  
 
二、水电厂在电力系统中的作用  
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:
  (1)提供电能。是水电厂的主要任务。
  (2)调峰。有调节能力的主力水电厂担任。 
  (3)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。 
  (4)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。 
  (5)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。 
  (6)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:
    1. 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。 
    2. 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。 
    3. 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。  
 
三、水电站组成部分及作用  
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。
    1. 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     2. 水工建筑物的作用 
    坝的作用: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、泄水孔的作用: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。     闸门的作用: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。 
       用水建筑物的作用: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。     
1. 水力机械设备的组成      主阀      水轮机      轴      导轴承      尾水管  
     2.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=30~700 m )、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。
    (三)、发电机的组成部分及作用
      1.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。
      2.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。 (四)、变电设备的组成部分及作用  1.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。     2.变电设备的作用  
    变压器:升高交流电压或降低交流电压。      1. 配电设备主要有:断路器(开关)、隔离开关(闸刀)、互感器、避雷器、母线、导线等。 
     2.配电设备的作用       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。 (五)、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。  (六)、输电设备的组成及作用 1. 输电设备的组成 
    线路、铁塔(电杆)、避雷线等。     2.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 (七)、控制设备的组成及作用 1. 控制设备主要有: 
     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。  
   2. 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。
 (八)、辅助设备的组成及作用
1.水电厂辅助设备的组成: 
      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。
     2.水电厂辅助设备的作用
      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。