[教学设计]水电站课程教案..docx

1、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

2、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1/41/5。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12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

3、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、

4、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35年，中型工程为810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37853

5、2MW、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kW16亿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

6、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

7、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

8、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= 9.81QH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

9、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2 000MW的巨型水

10、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(power station in river channel)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。主要包括：挡水坝、泄水坝、厂房、船闸、鱼

11、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(power staion at dam toe)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。二、引水式水电站(diversion type power station)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。

12、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(free flow)：引水道是无压的(如明渠)(2)有压引水式(pressure flow)：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(open channel)、无压隧洞(free flow tunnel)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

13、压引水式电站引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressure tunnel)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(mixed power plant)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(pumped stor

14、age power station)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

15、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(8300MW)；(2)天荒坪抽水蓄能电站，其装机容量为1800MW(6300MW)；(3)十三陵抽水蓄能电站，其装机容量为800MW (4200MW)；(4)潘家口抽水

16、蓄能电站，其装机容量为420MW（390MW+150MW），联合型；(5)西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，其装机容量为90MW(422.5MW)。五、潮汐电站( tidal energy power station)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

17、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，则调节能力很好，但淹没损失太大。如果修多个较低的坝形成一系列的较小的水库，则淹没小得多。后一种方式为梯级开发。梯级开发方案是一条河流的综合利用规划。梯级水电站开发的原则是：(1)在地形地质和淹没限制等条件许可时，尽可能使各枢纽首尾衔接，以充分利用落差；(2)不允许淹没的河段，尽可能用低坝河床式或引水式开发；

18、(3)最上游一级的开发，最好是有较大的水库，以提高其调节控制性能；(4)开发顺序是首先建设比较关键的开发条件较优的工程。河流中上游有修较大水库的条件时，最好首先建设，对下游工程施工有利按调节能力分成：无调节水电站：无水库，来流较多时需要弃水。有调节水电站：有较大水库，可调节天然径流。分为日调节、月调节、年调节等。第三节水电站的组成建筑物挡水建筑物：坝、闸一、枢纽建筑泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、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、引水建筑物引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：前池、调压室水电站主厂房建筑物厂区枢纽厂房副厂房变电站、开关站第四节本课程的

19、性质、任务和特点一、本课程的性质和任务水电站是水利水电工程专业的专业课程，其主要任务是使学生获得有关水电站的基本理论、基本知识与基本技能，训练和培养学生综合的思维方法及分析问题和解决问题的能力，为今后从事水电站工程的规划、设计、运行和管理的打下基础。二、本课程内容及特点进水、引水系统的布置水电站引水建筑物水电站及泵站调节保证计算、调压室布置及水力计算原理泵站压力管道的结构分析建筑物水电站及泵站厂房布置设计：主、副厂房尺寸设备布置厂区枢纽厂房结构设计：厂房整体稳定、强度本 章 小 结1水电站的基本类型有坝式、引水式及混合式。坝式水电站分为河床式、坝后式；引水式水电站分有压引水式和无压引水式电站；

20、混合式开发多为有压引水式电站。就其建筑物的组成及结构型式而言，坝后河岸引水、混合式及有压引水式电站是相同的。这部分是水电站建筑物最基本的概念，也是本章的重点，应牢固掌握。2抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。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；潮汐电站是开发海水能源的主要型式，应有所了解。3水电站建筑物由引水系统和厂区枢纽两大部分组成。水电站的类型不同，建筑物的组成有所不同；厂区枢纽包括厂房建筑物和变电站。这部分也是本章的重点。第一章水电站进水口建筑物-主讲教师韩菊红教授重点：水电站有压进水口

21、的类型及适用条件、位置选择原则、高程及轮廓尺寸的拟定，及进水口设备的布置。第一节进水口的功用和要求一、功用和和基本要求1功用：进水口是水电站水流的进口，是按照发电要求将水引入水电站的引水道。2基本要求(1)要有足够的进水能力在任何工作水位下，进水口都能引进必须的流量。因此在枢纽布置中必须合理按排进水口的位置和高程；进水口要水流平顺并有足够的断面尺寸，一般按水电站的最大引用流量Qmax设计。(2)水质要符合要求不允许有害泥沙和各种污物进入引水道和水轮机。进水口要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。(3)水头损失要小进水口位置要合理，进口轮廓平顺、流速较小，尽可能减小水头损失。(4)可控制流量进

22、水口须设置闸门，以便在事故时紧急关闭，截断水流，避免事故扩大，也为引水系统的检修创造条件。对于无压引水式电站，引用流量的大小也由进口闸门控制。(5)满足水工建筑物的一般要求进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单，施工方便，造型美观，便于运行、维护和检修。二、类型按水流条件分，水电站进水口分为有压进水口和无压进水口两大类。(1)无压：类似于水闸，水流为明流，引表层水为主，适用于无压引水式电站。(2)有压：进水口在最低水位以下，水流为有压流，以引深层水为主。适用于坝式、有压引水式、混合式水电站。第二节有压进水口一、有压进水口的类型及适用条件后接有压引水道，引水库深层水为主1隧洞式进水口特征：

23、在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁一般要进行衬砌，闸门安置在竖井中，竖井的顶部布置启闭机及操纵室，渐变段之后接隧洞洞身。适用：工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况。2墙式进水口特征：进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。要有足够的稳定性和强度。适用：地质条件差，山坡较陡，不易挖井的情况3塔式进水口特征：进口段及闸门段及其一部框架形成一个塔式结构，耸立在水库之中，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口可一边或四周进水。适用：当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓。4坝式进

24、水口特征：进水口依附在坝体的上游面上，并与坝内压力管道连接。进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑。适用：混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。二、有压进水口的位置、高程及轮廓尺寸(一) 有压进水口的位置原则：水流平顺、对称，不发生回流和旋涡，不出现淤积，不聚集污物，泄洪时仍能正常进水。进水口后接压力隧洞，应与洞线布置协调一致，选择地形、地质及水流条件均较好的位置。(二) 有压进水口高程原则：进水口顶部高程应低于最低死水位，并有一定的埋深；底部高程应高于淤沙高程。1顶部高程：以不出现吸气漩涡为原则（带入空气、吸入漂浮物影响正常发电）2底部高程：进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上

25、0.51.0m，当设有冲沙设备时，应根据排沙情况而定。(三) 有压进水口的轮廓尺寸进水口一般由进口段、闸门段和渐变段组成。进水口的轮廓应使流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及涡流。进口流速不宜太大，一般控制在1.5m/s左右。(1)进口段。作用是连接拦污栅与闸门段。隧洞进口段为平底，两侧收缩曲线为四分之圆弧或双曲线，上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。进口段的长度没有一定标准，在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下，尽可能紧凑。(2)闸门段。闸门段是进口段和渐变段的连接段，闸门及启闭设备在此段布置。闸门段一般为矩形，事故闸门净过水面积为(1.11.25)洞面积,检修闸门孔口与此相等或稍大

26、。门宽B等于洞径D，门高略大于洞径D。(3)渐变段。渐变段是矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。通常采用圆角过渡，圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R；渐变段的长度一般为隧洞直径的1.52.0倍；侧面收缩角为68为宜，一般不超过10。(4)坝式进水口为了适应坝体的结构要求，坝式进水口的长度要缩短，进口段与闸门段常合二为一。坝式进水口做成矩形喇叭口状，其渐变段长度一般取引水道直径的1.01.5倍。三、有压进水口的主要设备有压进水口主要设置拦污设备、闸门及其启闭设备、通气孔及充水阀等。(一) 拦污设备(trash rack或trash screen)作用：防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影

27、响过水能力。1作用：防止有害污物进入进水口，防止漂浮物进入进水口，影响过水能力。2布置：(1)平面倾斜：倾角一般为60700。过水断面大，易于清污，适用于洞式、岸墙式。(2)平面直立：适用塔式、坝式(3)多边形：增大过水面积，结构复杂，适用坝式水口。3结构：支承结构：一般金属框架或钢筋混凝土结构；栅片结构：由若干栅片组成，栅片放在支承结构的栅槽中。经常提放（修理、清污)；尺寸为4.52.5m(高宽)4清污及防冻：定期清污（人工、机械）注：拦污栅框架顶部应高出需要清污时的相应水库水位5设计(1)过栅流速：v1m/s(2)栅条间距b：b大，拦污效果差，水头损失小，相反b小，拦污效果好，水头损失大，

28、根据水轮机的型式确定。HL：b=D1/30 ZL: b=d1/20 CJ: b=d/5(3)拦污栅与进水口之间的距离不小于D（洞径或管道直径）(4)设计荷载：按45m水头的水压力设计。超过45m时，自动停机。(二) 闸门及启闭设备为了控制水流，进水口必须设置闸门。闸门可分为事故闸门和检修闸门。1.工作闸门(事故闸门)(emergency gate)作用：紧急情况下切断水流，以防事故扩大。运用要求：动水中快速(12min)关闭，静水中开启。布置方式：一般为平板门。一口、一门、一机(固定式卷扬起闭机)，以便随时操作。闸门操作应尽可能自动化，并能吊出检修，可远程操作。2.检修闸门(bulkhead

29、gate)：作用：设在工作闸门上游侧，检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。运用要求：静水中启闭。布置方式：平板闸门，几个进水口共用一套检修闸门，启闭可用移动式或临时启闭设备，平时检修闸门存放在储门室内。(三) 通气孔及充水阀1通气孔(air hole)位置：有压进水口的事故闸门之后作用：是当引水道充水时用以排气，当事故闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空。面积：根据工程实践经验，建议发电引水道工作闸门或事故闸门后的通气孔面积可取管道面积的5%左右。注：通气孔顶端应高出上游最高水位，以防水流溢出。2充水阀(filling valve)作用：开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以

30、便在静水中开启闸门，从而减小闸门起门力。尺寸：根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。位置：1)设置在坝内廊道。坝式进口设旁通管，管的上游通至上游坝面，下游至事故闸门之后，旁通管穿过坝体廊道，并在廊道内设充水阀。2)设置在平板门上。利用闸门拉杆启闭。闸门关闭时，在拉杆及充水阀重量的共同作用下，充水阀关闭；开启闸门前，先将拉杆吊起20cm左右，这时充水阀开启(闸门门体未提起)，开始向引水道充水，充水完毕，再提起闸门。第三节 无压进水口及沉沙池一、无压进水口1特征、适用条件、作用特征：无压进水口内水流为明流，以引表层水为主。进水口后一般接无压引水道。适用：无压进水口适用于无压引水式电站。作用：控制水量与水质，并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。2进水口位置进水口应布置在河流弯曲段凹岸无压进水口上游无大水库，河中流速较大(尤其是洪水期)，泥沙、污物等可顺流而下直抵进水口前。平面