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水力發(fā)電原理

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ID:128229 發(fā)表于 2016-6-29 22:59 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
 Hydroelectric Power Principle
 
水力發(fā)電原理

江河水流一瀉千里,蘊藏著巨大能量,把天然水能加以開發(fā)利用轉化為電能,就是水力發(fā)電。構成水能的兩個基本要素是流量和落差,流量由河流本身決定,直接利用河水的動能利用率會很低,因為不可能在整個河流的截面水布滿水輪機。

水力利用主要利用勢能,利用勢能必須有落差,但河流自然落差一般沿河流逐漸形成,在較短距離內水流自然落差較低,需通過適當?shù)墓こ檀胧�,人工提高落差,也就是將分散的自然落差集中,形成可利用的水頭。

    水力發(fā)電的原理與基本類型

常用的集中落差方式有筑壩、引水方式或兩者混合方式。
  筑壩發(fā)電方式
在落差較大的河段修建水壩,建立水庫蓄水提高水位,在壩外安裝水輪機,水庫的水流通過輸水道(引水道)到壩外低處的水輪機,水流推動水輪機旋轉帶動發(fā)電機發(fā)電,然后通過尾水渠到下游河道,這是筑壩建庫發(fā)電的方式。圖1是壩式發(fā)電原理圖。

圖1  筑壩建庫發(fā)電原理圖

由于壩內水庫水面與壩外水輪機出水面有較大的水位差H0,水庫里大量的水通過較大的勢能進行做功,可獲得很高的水資源利用率。采用筑壩集中落差的方法建立的水電站稱壩式水電站,主要有壩后式水電站與河床式水電站。

    引水發(fā)電方式

在河流高處建立水庫蓄水提高水位,在較低的下游安裝水輪機,通過引水道把上游水庫的水引到下游低處的水輪機,水流推動水輪機旋轉帶動發(fā)電機發(fā)電,然后通過尾水渠到下游河道,引水道會較長并穿過山體,這是一種引水發(fā)電的方式。圖2是引水發(fā)電原理圖。

圖2  引水發(fā)電原理圖

由于上游水庫水面與下游水輪機出水面有較大的水位差H0,水庫里大量的水通過較大的勢能進行做功,可獲得很高的水資源利用率。采用引水方式集中落差的水電站稱為引水式水電站,主要有有壓引水式水電站與無壓引水式水電站。

    水電站主要工作參數(shù)

通過水電站主要工作參數(shù)可以對水電站工作原理進一步了解。水電站主要工作參數(shù)包括流量、水頭、出力等。

1.流量Q為單位時間內通過水輪機的水體積,單位m3/s。

2.靜水頭Ho(也稱毛水頭,即水的落差)單位m

水電站上游水位為Zu,下游水位為Zd,則有:

  Ho =Zu- Zd

3.出力  單位時間內的天然水能Pt稱為水電站理論出力,即

水電站的實際出力要小于理論出力。在由水能轉化為電能過程中,會產(chǎn)生能量損失,主要有水頭損失與能量轉化損失: 

水流經(jīng)輸水道后會損失一部分能量,稱為水頭損失Ah,它與流道長度、截面形狀和尺寸、構造材料、鋪設方式等等因素有關,須在電站總體布置完成后才可做出較精確的計算。初步計算時,可估計Ah=(1%~10%)Ho,輸水道長、流速大的取大值,輸水道短、流速小的取小值。 

除此外在能量轉化過程中還將損失一些能量,水輪機的效率約90%至95%、發(fā)電機的效率約90%至98%、傳動設備也會有能量損失,水電站實際出力P為

式中:ηt 為水輪發(fā)電機組總效率,k為水電站出力系數(shù)。對中小型電站,k值一般取為6.5~8.0。
壩式水電站
Dam Type Hydroelectric Station
在河道上攔河筑壩抬高上游水位,形成較大的上下游水位差,構成水電站水頭,這種水能開發(fā)方式稱為壩式開發(fā)。采用壩式開發(fā)的水電站稱為壩式水電站。壩式開發(fā)可用形成的蓄水庫調節(jié)流量,使得水能利用程度較充分。蓄水庫可同時解決防洪、供水等部門的水利問題。壩式水電站一般建設在非溢流壩段,常見的是河床式水電站與壩后式水電站。
    河床式水電站
河床式水電站大多建造在河流中下游河道底坡平緩的河段上。水電站廠房與壩排成一體,共同阻擋河水,這種壩一般不高,中小水電站水頭為10m左右,主要靠流量大出力,屬低水頭大流量型水電站,圖1是河床式水電站廠房橫剖面圖。

圖1 河床式水電站廠房橫剖面圖

河床式水電站水頭低,不會形成大面積水庫,通常建在河流的中下游。河床式水電站樞紐最常見的布置方式是泄水閘(或溢流壩)在河床中部,廠房建在一邊或兩邊。廣西西津水電站是河床式水電站,圖2是該電站照片,左側是溢流壩攔截河水,右側是河床式廠房即攔截河水又讓通過的河水推動水輪機發(fā)電。

圖2 西津水電站(圖片來自網(wǎng)絡)

西津水電站樞紐總壩長約800m,最大壩高41m,平均落差20m。圖片左側是土壩與重力壩;靠中部是溢流壩,用于宣泄洪水,溢流壩段長112m;右側是河床式廠房,廠房段長132m,廠房即攔截河水又讓通過的河水推動水輪機發(fā)電,主廠房長103.5m、寬58.35m、高60.9m,廠房內安裝4臺轉漿式水輪發(fā)電機組,總裝機容量23.44萬kW。

湖北葛洲壩水利樞紐是大型河床式水電站,大壩為混凝土重力壩,全長2595 米,最大壩高5 3 . 8 米,大壩布置從右岸起:大江沖沙閘、一號船閘、大江電站廠房、二江泄水閘、二江電站廠房、二號船閘、三江沖沙閘、三號船閘,葛洲壩水庫總庫容15.8億立方米。圖3是葛洲壩水利樞紐的照片(三江部分太遠未標識)。

圖3 葛洲壩水利樞紐(圖片來自網(wǎng)絡)

二江泄水閘是主要泄水通道,是敞開式平底泄水閘,有9 個閘段,共2 7 個閘孔。敞開式平底泄水閘的上部沒有阻擋水流的胸墻或檔板,閘通道的底板是平直的,所以泄流能力大,有利于泄洪、沖沙、過木、排污、排冰等。

發(fā)電站采用低水頭軸流式水輪機,大江電站廠房裝有14 臺各為1 2 . 5萬千瓦的水輪發(fā)電機組;二江電站廠房裝有2 臺17 萬千瓦水輪發(fā)電機組與5 臺1 2 . 5萬千瓦水輪發(fā)電機組,葛洲壩電站裝機總容量為2 7 1. 5 萬千瓦。

   壩后式水電站

當開發(fā)河段允許筑較高的壩蓄水來獲得較大的水頭時,由于上游水壓力較大,水電站廠房本身的結構和重量已不足以維持穩(wěn)定,無法擋水,必須筑建專門的大壩擋水,將廠房布置在壩的下游側,這種布置稱為壩后式水電站,圖4 是壩后式水電站廠房橫剖面圖,在廠房中安裝水輪機與水輪發(fā)電機。

圖4 壩后式水電站廠房橫剖面圖

壩后式水電站常建于河流中或上游的高山峽谷中,可得到中高水頭的落差。

世界上最大的水電站我國的三峽水電站就是壩后式水電站,采用混凝土重力壩。圖5是從下游遠方眺望三峽水電站的照片,在照片中標出了主要壩段的分布:大壩中間部分是泄洪壩段,兩側是發(fā)電廠房壩段,再兩側是非溢流壩段。

三峽大壩全長2309.47米,中部泄流壩長483米,最大壩高181米,水頭約110米。

圖5--三峽水電站大壩圖(圖片來自網(wǎng)絡)

泄洪壩段的上部有壩頂溢流表孔22個,在壩體下方有深孔泄洪通道23個,表孔溢流通道與深孔泄洪通道間隔分布,圖6左圖是泄洪壩段的剖面示意圖,圖中把表孔溢流通道與深孔泄洪通道在同一張圖相疊表現(xiàn)。

泄洪主要通過深孔泄洪,可有效帶走上游淤積泥沙,在大洪水時進行溢流泄洪。

圖6--三峽大壩剖面圖

圖7照片是大壩深孔泄洪狀態(tài)。

圖7--三峽大壩泄洪狀態(tài)(圖片來自網(wǎng)絡)

泄洪壩段的兩側是發(fā)電廠房壩段,發(fā)電廠房在大壩后方,水輪機引水管道從壩體穿過向下引入發(fā)電廠房,見圖6左圖。在廠房壩段的下方還設有若干個沖沙孔。

圖8--壩后廠房布置(圖片來自網(wǎng)絡)

左側廠房安裝14臺70萬千瓦水電機組,采用混流式水輪機,右側廠房安裝12臺70萬千瓦水電機組;在右岸大壩“白石尖”山體內的地下廠房有6臺70萬千瓦水電機組,這樣共有70萬千瓦水電機組32臺,加上兩臺5萬千瓦電源機組,三峽電站總裝機容量達到2250萬千瓦。

     壩式水電站地下廠房

壩后式水電站根據(jù)地形與地質情況,采用把發(fā)電廠房建在壩側的山體內的地下廠房,地下廠房由主廠房洞室、主變壓器洞室與引水、供氣等隧洞組成,在山體內開鑿而成。

我國的四川省宜賓縣金沙江下游建設的向家壩水電站采用實體重力壩,最大壩高161米,壩頂長937.5米。水電站除了在靠左岸建設壩后廠房外,在右岸山體內開挖了地下廠房。地下廠房由主廠房洞室與主變壓器洞室組成,4條引水隧洞從上游岸邊連通廠房4臺水輪機,4條尾水隧洞并為2條后通往下游江邊,除此還有進廠交通洞、通風洞、排水洞、出線洞、母線洞、安全兼施工洞等。

圖9是向家壩水電站的立體布置示意圖,圖左側山體透明顯示,可看到內部的地下廠房(橙色部分)與相關隧洞水管、主要通道的布置概況。

圖9--向家壩水電站立體布置圖(圖片來自網(wǎng)絡)

圖10--是在建的向家壩水電站照片

圖10--向家壩水電站(圖片來自網(wǎng)絡)

向家壩水電站的地下廠房與壩后廠房各安裝4臺80萬千瓦的水輪發(fā)電機組,總裝機容量640萬千瓦。

許多采用拱壩的水電站,因地形狹窄,廠房只能建在地下,我國二十世紀建成的最大的水電站二灘水電站就采用地下式廠房。圖6是二灘水電站照片。

圖11--二灘水電站(圖片來自網(wǎng)絡)

二灘水電站位于雅礱江下游,距離金沙江的匯合口約 40km ,距攀枝花市約40km,壩址處于高山狹谷中。大壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂弧長775m,最大壩高240m。廠房在照片右下方山體內,是地下式廠房,廠房內布置6臺單機容量55萬kW的混流式水輪發(fā)電機組。

壩式水電站建庫攔截河水,可通過水庫調節(jié)流量,使得水能利用程度較充分。同時水庫可解決防洪、供水等水利問題,綜合利用效益高。但是,由于壩的工程量大,而且會帶來庫區(qū)土地、森林、礦藏淹沒損失等環(huán)境問題,同時移民安置也是困難問題,所以壩式水電站是投資大、工期長的大型工程。

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