《水电站》课程复习提要.docx

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《水电站》课程复习提要

《水电站》课程复习提要

绪论

要求：

建立水力发电的概念，了解水力发电的特点、我国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。

重点：

水电站和水力发电的概念，本课程的内容及任务。

本章主要内容:

1．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。

2．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）。

3．水电站是水利水电工程专业的专业课程，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。

第一章水轮机的类型、构造及工作原理

要求：

掌握水轮机的基本类型、特点及其适用情况，各种水轮机的构造和工作原理。

重点：

各种水轮机的基本类型、特点及其适用情况。

本章主要内容：

1．水轮机的基本参数包括工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。

水轮机的特征水头表示了水轮机的运行范围和运行工况，包括：

最大工作水头、最小工作水头、设计水头和平均水头。

2．水轮机主要分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类，另外还有可逆式水轮机。

其中反击式水轮机又分为混流式、轴流式（又分成轴流定浆和轴流转浆）、斜流式和贯流式（包括全贯流式和半贯流式两种，半贯流式又分成灯泡式、轴伸式和竖井式）四种；冲击式水轮机分成水斗式、双击式、斜击式三种。

要掌握各种水轮机的特点及其适用情况。

3．反击式水轮机的主要组成部件：

进水（引水）部件—蜗壳，导水机构，转轮，尾水管。

冲击式水轮机的主要组成部件：

喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽。

4．水轮机的最优工况是指效率η最高的工况。

一般情况下，对η起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大。

第二章水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀

要求：

掌握蜗壳和尾水管的基本类型、特点及其适用情况，蜗壳和尾水管的水力计算及其尺寸确定，汽蚀的概念及其预防措施。

重点：

蜗壳和尾水管的基本类型、特点、适用情况及其水力计算，防止汽蚀的措施。

本章主要内容：

1．蜗壳主要分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种，其主要参数包括座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径，蜗壳的水力计算。

2．尾水管的作用：

汇集转轮出口水流，排往下游；当H

s>0时，利用静力真空；利用动力真空H

d。

尾水管分为直锥形、弯锥形和弯肘形三种。

3．汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的汽蚀。

防止汽蚀的措施：

流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。

设计制造方面：

合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬（不锈钢）。

工程措施：

合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。

运行方面：

避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。

4．水轮机吸出高度和安装高程的确定。

第三章水轮机的特性及选型

要求：

掌握水轮机单位参数的概念，水轮机的效率修正和单位参数的修正方法，水轮机特性曲线的绘制，水轮机选型的方法。

重点：

水轮机的单位参数xx方法，水轮机选型。

本章主要内容：

1．将模型试验结果化成为D

1M=1m，H

M=1m标准情况下的参数称为单位参数，分别用Q'

1,n'

1,N'

1表示。

单位参数的确定和xx方法。

2．水轮机的特性曲线及其绘制。

3．水轮机选择的主要内容：

（1）确定机组台数及单机容量；

（2）选择水轮机型式（型号）及装置方式；

（3）确定水轮机转轮直径D

1、n、H

s、Z

a；Z

0、d

0；

（4）绘制水轮机运转特性曲线；

（5）估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择；

（6）根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。

水轮机选型的方法。

第四章水轮机调节

要求：

掌握水轮机调节的概念和调节途径，调速器的种类和适用情况、油压装置的选择。

重点：

水轮机调节的途径，调速器和油压装置的选择。

本章主要内容：

1．水轮机调节的任务：

随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力，保持机组转速和频率变化在规定范围内，启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节（负荷分配）。

水轮机调节是靠调节通过水轮机的流量实现的。

2．水轮机调速器的种类：

按调速器元件结构分：

机械液压（机调）和电气液压（电调）；按调节机构数分：

单调、双调；按大小（容量）分为：

大型、中型和小型。

3．调速器和油压装置的选型。

第五章水电站的布置形式及组成建筑物

要求：

掌握水电站的基本布置形式及基本组成建筑物。

重点：

坝式、引水式、混合式开发的水电站的布置特点及组成建筑物。

本章主要内容:

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（包括：

坝后溢流式、坝内式、坝后河岸引水式）；引水式水电站分有压引水式和无压引水式电站；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。

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。

3．水电站建筑物由引水系统和厂区枢纽两大部分组成。

其中引水系统包括进水建筑物、引水建筑物和平水建筑物，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。

第六章水电站进水口

要求：

了解进水口功用和要求；掌握水电站有压进水口的类型、适用条件及设计原则。

重点：

水电站有压进水口的类型及适用条件、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。

本章主要内容:

1．进水口的基本要求：

要有足够的进水能力；合理安排其位置和高程，水流平顺并有足够的断面尺寸；水质要符合要求；要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备；水头损失小；位置合理，轮廓平顺、流速较小，尽可能减小水头损失；可控制流量；进水口须设置闸门；满足水工建筑物的一般要求。

2．水电站进水口分有压进水口和无压进水口。

有压进水口分洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口和坝式进水口。

有压进水口的主要设备有拦污栅、工作闸门、检修闸门、通气孔和旁通阀。

第七章水电站的渠道及隧洞

要求：

掌握引水渠道和有压隧洞、沉沙池及压力前池的布置设计原则和基本要求。

重点：

引水渠道和有压隧洞的作用、线路选择、断面设计和水力计算方法；压力前池的作用、组成及尺寸确定。

本章主要内容:

1．水电站引水道的功用是集中落差，形成水头，输送水流。

引水道分无压引水道和有压引水道两类。

无压引水道常用的是渠道或无压隧洞，适用于无压引水电站。

有压引水道主要是有压隧洞，要了解其线路选择原则、水力计算特点及断面设计方法。

2.压力前池是水电站的平水建筑物，其主要作用是平稳水压、平衡水量，拦阻杂物与排除泥沙，保证下游供水。

压力前池由扩散段、池身、压力墙式进水口，有时还有溢流堰和排沙设备等。

压力前池布置应注意稳定和渗漏问题。

日调节池适用于引水渠道较长，且水电站担任峰荷的水电站。

应了解其作用和设计要点。

第八章水电站压力管道

要求：

掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

重点：

地面压力管道的结构、强度校核、外压稳定校核，地下埋管的计算原理。

本章主要内容:

1．压力管道功用和基本类型。

压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。

主要特点是：

坡度陡，内水压力大，靠近厂房。

按布置方式分：

明管（无压引水式电站）、地下埋管（有压引水电站）、混凝土坝身埋管（凝土重力坝及重力拱坝）；按材料分钢管（大中型水电站）、钢筋混凝土管（小型电站）、钢衬钢筋混凝土结构。

中高水头电站一般采用焊接钢管，低水头电站有时可采用钢筋混凝土管。

2．压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和管径确定。

压力管道的供水方式有单元供水、联合供水、分组供水；应根据电站的不同情况，结合电站的开发方式、水头、流量及管道的长短、地形、地质条件确定压力管道的供水方式和引进方式。

压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。

大型压力管道的经济直径是动能经济计算确定的，初步设计时可采用经验公式和经济流速方法。

3．明钢管的敷设方式和支承方式。

为了减小温度应力，明钢管的敷设方式通常采用分段式。

4．作用在压力管道上的荷载及其组合，明钢管的设计计算。

要求掌握明钢管上的轴向力、法向力和径向力的计算方法，明钢管跨中断面和跨端（不计支承环的影响）的应力计算和强度校核，在外压作用下管道的稳定分析。

5．地下埋管的工作原理。

要求掌握地下埋管的工作特点。

坝内压力管道的布置方式和工作原理。

第九章水电站的水击及调节保证计算

要求：

了解水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务，通过水击沿管道的传播和反射规律分析，理解水击的物理本质。

掌握简单管水击简化计算、复杂管路的水击近似计算、机组转速变化的近似计算和改善调节保证的措施。

重点：

水击计算解析方法和适用条件和机组转速变化的计算方法。

本章主要内容:

1．造成水电站不稳定工况的原因及在有压引水系统引起的非恒定流现象；水电站调节保证计算的任务。

2．水击波沿管道的传播反射规律，水击基本方程，水电站水击计算的边界条件。

3．直接水击、间接水击、第一相水击和极限水击的概念、开度依直线规律变化时的水击计算，起始开度和关闭规律对水击的影响，水击压力沿管线的分布，复杂管水击计算。

这也是本章的重点和难点。

水击计算最关心的是管道水击的最大值和最小值，利用水击计算简化公式可求出。

计算时首先判断水击的类型，选择相应的计算公式。

要求熟练掌握简单管的水击计算步骤、判别水击类型，复杂管路的水击近似计算方法，并能绘制最大和最小水击压力沿管道的分布图。

4．调节保证计算的目的在于选择一个合理的导叶调节时间T

s和调节规律，使得压力水管中水击的变化和机组转速的变化都控制在规范允许范围内。

不能满足要求，应采取相应的改善措施，保证水电站的正常运行。

要求掌握机组转速变化率的计算公式，调节保证计算的标准和改善调节保证的措施。

第十章调压室

要求：

掌握调压室的作用及设置条件、布置形式和基本结构类型；掌握调压室水位波动的解析方法，调压室水位波动的稳定问题和调压室的水力计算条件。

重点：

调压室的功用、设置条件和设计方法（调压室尺寸拟定）。

本章主要内容:

1．调压室的作用是减小压力水管的水击值，防止水击波进入引水道。

设置调压室的依据是根据水流加速时间常数来判断的。

因此要了解设置调压室的目的，掌握设置调压室的判别条件。

2．调压室的基本方程是进行调压室水力计算的理论基础，包括水流连续方程、水流运动方程和等出力方程，学习中要理解调压室的基本工作原理，了解基本方程的内容和含义。

3.根据引水系统的布置情况，调压室的布置有四种型，即上游调压室、下游调压室、上游双调压室和上下游双调压室。

调压室的基本结构类型有圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式、差动式和气垫式。

要求掌握各种调压室的优缺点和适用条件。

4.调压室的水位波动计算方法主要介绍了解析法和差分计算的基本原理。

解析法可以直接求出调压室的最高水位和最低水位，方法简便，但只适用于圆筒式和阻抗式调压室在丢弃全负荷的情况，常用以初步拟定调压室尺寸。

差分法是建立在逐步积分的基础上的，用有限差分方程代替基本微分方程，然后逐时段求解，得出水位、流速和时间的关系曲线。

当Δt取的适当时，计算结果比较精确，是在已经拟定调压室尺寸的基础上进行的计算，一般用于最后设计阶段，适用于各种类型的调压室，是设计中常用的方法。

应掌握解析法的计算方法和适用条件及差分法的基本原理。

5.波动稳定是调压室工作中的一个重要问题。

调压室应在任何工作情况下都保证水位波动是逐渐衰减的。

调压室的面积要满足电站正常运行要求，同时满足在发生大、小波动时波动逐渐衰减并趋于稳定。

学习中应理解调压室波动稳定的概念，掌握小波动稳定断面的计算方法。

第十一章引水式地面厂房

要求：

掌握水电站厂房功用、组成、设备布置和结构布置的基本原则、确定主厂房轮廓尺寸的方法；对水电站厂房结构设计的原则和特点、其它类型的厂房的特点及布置设计应注意的问题作一般了解。

重点：

水电站厂房的布置设计，包括机电设备的组成及布置，厂房的结构布置及主副厂房尺寸的确定，厂区布置设计原则。

本章主要内容:

1．水电站厂房枢纽由主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站及交通道路组成；厂房内的机电设备分五大系统：

水流系统、电流系统、机械控制系统、电气控制系统和辅助设备系统；主厂房分上部结构和下部结构。

水电站厂房的基本类型有引水式厂房、坝后式厂房和河床式厂房。

要求掌握水电站的厂区枢纽、设备组成的五大系统。

了解水电站的基本类型。

2．竖轴水轮发电机就其传力方式可分为悬挂式、伞式发电机；要求能够根据电站的具体情况，合理选择发电机的型式及支承结构方式。

3．辅助设备是保证机组正常运行和安装所必需的，主要有：

调速系统、技术供水系统、排水系统、油压系统、气系统和起重设备。

要求掌握油、水、气系统组成及布置原则，起重设备的选择。

4．发电机层布置的设备有发电机、调速器、油压装置、机旁盘、励磁盘、蝶阀孔、楼梯、吊物孔等。

在水轮机层一般布置调速器的接力器、水力机械辅助设备（如油、气、水管路）、发电机附属装置（如主引出线、中性点引出线、接地、灭磁装置等）、厂用电的配电设备。

安装间一般均布置在主厂房有对外道路的一端，其高程主要取决于对外道路的高程及发电机层楼板的高程，面积应满足一台机解体大修的需要。

要求掌握发电机层、水轮机层及安装间的布置原则。

5．厂房长度由机组段长度、边机组段加长及安装间长度来确定。

厂房宽度由上部结构和下部结构以及上、下游测设备布置、结构尺寸、吊运方式等确定。

安装高程是厂房控制性标高。

水轮机层高程由安装高程、蜗壳尺寸及蜗壳上部混凝土厚度确定。

发电机层高程要保证水轮机层有足够空间，布置油、水、气管路和发电机引出线，并尽可能高于下游最高洪水位。

吊车轨顶高程由吊运厂内最长部件的尺寸及吊运方式确定。

这部分是本章的重点内容，要求掌握水电站厂房平面尺寸的确定原则和各层高程的确定原则。

6．副厂房按性质分为直接生产副厂房、检修试验副厂房、工作生活副厂房，其位置有主厂房的上游侧、下游侧和主厂房的一端，视电站具体情况而定。

此外对中央控制室、集缆室、发电机电压配电装置室、继电保护室、直流电系统室等的作用、面积、位置和特殊要求作了介绍。

7．厂区布置原则，主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站等的位置选择及布置原则。

第十二章其他类型厂房

要求：

掌握其他类型水电站厂房的特点和适用情况。

重点：

地下水电站厂房的布置设计。

本章主要内容:

1．坝后式、溢流式、坝内式厂房的特点和适用情况。

2．河床式水电站厂房的特点和适用情况。

3．地下水电站厂房的布置设计。

第十三章水电站厂房结构设计

要求：

掌握水电站厂房的结构布置设计，厂房混凝土浇筑的分期和分块，了解混凝土的分缝和止水，了解厂房的传力系统，掌握主要构件的力学简化模型。

重点：

水电站厂房的结构布置设计，厂房混凝土浇筑的分期，厂房的传力系统，主要构件的力学简化模型。

本章主要内容:

1．介绍了水电站厂房结构的特点，包括水电站厂房的结构组成和作用、厂房的受力与传力系统、厂房混凝土的分期和分块、分缝和止水。

2．要求掌握厂房的受力、传力系统和厂房一、二期混凝土的划分。

3．介绍了水电站厂房整体稳定和地基应力。

水电站厂房的荷载及组合、稳定校核及地基应力计算的方法。