可再生能源概论左然第七章 小水电和潮汐能知识

1、可再生能源概论左然第七章 小水电和潮汐能水力发电是一种最经济的能源，是一种永不枯竭的能源。水电的利用早已受到人们的重视。但人们也逐渐意识到大中型水电站对环境的很多负面影响。 中国拥有的水力资源居世界首位 ，但只开发利用了一小部分。小水电站，潮汐能水电站，抽水蓄能水电站其原理都是利用天然水位落差的势能这一可再生能源，有利于保护和改善环境。7.1水力发电基本原理根据物体从高处落下可以作功，产生一定的能量这个道理，河水从高处落下，同样产生能量。水流通过水轮机把水的能量转化为机械能，带动发电机把机械能转化为电能，这就是水力发电。 水力发电机组在某一时刻输出的电功率，称为出力，它取决于所利用的水头和流量

2、。出力的计算，通常以千瓦表示。实际出力的计算公式为：式中：P水力发电机组的实际出力 ， Q水电站水轮机组的过水流量， H水电站上，下游的水位差，称为水电站的水头，m 水头损失，m 作用于水轮机的净水头，m 机组总效率，包括水轮机、发电机和传动设备的效率等 图7-2 河床式水电站图7-3 坝后式水电站 图7-4 引水式水电站 3混合式水电站 混合式水电站其落差是由拦河坝抬高水头和引水集中落差两方面获得，具有堤坝式水电站和引水式水电站的特点。7.2.2 常见的几种建站型式利用天然瀑布。 利用灌溉渠道上下游水位的落差修建水电站。 利用河流急滩或天然跌水修建水电站。利用河流的弯道修建水电站。 跨河引水

3、发电。 利用高山湖泊发电。 7.3 水电站水工建筑物 水电站的水工建筑物包括拦河坝、闸、引水渠道、压力前池、压力水管及厂房、尾水渠道等。7.3.1 厂房 厂房是水电站的关键，需考虑水电站枢纽布置、水头、流量、进水方式、机组型号、台数和传动方式、地形、地质和水文条件等。 根据水轮机型号，小水电站厂房布置分为 ：卧轴冲击式水轮机厂房。适用于高水头、小流量的引水式或混合式水电站。水流经过压力水管进入水轮机。卧轴混流式水轮机厂房。适用于中水头引水式、坝后式或混合式水电站。 轴流定桨式水轮机厂房。适用于低水头引水式电站。 立轮混流式水轮机厂房。适用于中水头水电站。 。 贯流式水轮发电机厂房。适用于低水头

4、、大流量河床式水电站。图7-6 水斗式（或冲击式）水轮机的厂房布置7.4 水轮机的工作参数及类型7.4.1 水轮机的基本工作参数 水轮机的工作参数是表明水轮机的性能和特点的一些数据，主要有水头、流量、出力、效率、转速等。 水头 工作水头:是指水轮机进口与出口断面处的水流总比能差，即进、出口两个断面单位重量液体的机械能之差。 常遇到的水轮机工作水头有： 最大水头 是由水轮机转轮性能所决定的，允许水轮机运行的最高工作水头 。 最小水头 是由水轮机转轮性能所决定的，能保证水轮机安全、稳定运行的最小工作水头。 设计水头 是水轮机按额定转速运行时，保证水轮机发出额定出力所必需的最低水头。流量 单位时间内

5、通过水轮机的水量称为流量，它从水量的角度反映了水轮机利用水流能量的能力。 工作水头和流量是水力发电的两要素，没有水头和流量，就没有水力发电。出力出力：在单位时间内，水轮机主轴输出的功（功率），一般用表示P 。铬牌出力：水轮机的额定出力，即，是在设计水头、设计流量和额定转速下，水轮机主轴所输出的功率。 计算公式为： 式中 ：水轮机的效率。 效率 水轮机轴输出的功率与输入水轮机的水流功率之比，用表示。 水轮机效率的高低，反映出水轮机性能的好坏，同时也是水轮机的设计水平与制造质量的重要指标之一。水轮机的效率一般在80%，最高效率可达到94%。转速 额定转速：水轮机在一定水头下，其转轮直径有一个效率最

6、高的转速，通常以这个转速来选配发电机的转速。 飞逸转速 ：指当水轮机丢弃全部负荷，而调速系统又失灵时，机组所能达到的最大转速。7.4.2 水轮机的类型 按水流对水轮机转轮作用方式分：反击式水轮机 冲击式水轮机 根据在转轮区域内水流方向的特征，反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等不同型式。 根据射流的冲击特征，冲击式又可分为水斗式、双击式和斜击式三种。 7.4.3 水轮机的型号 水轮机产品型号由三部分代号组成，各部分之间用短横线相连 型号的第一部分，由水轮机型式及转轮型号组成。 型号的第二部分，由水轮机主轴的布置形式和引水室特征的代号组成。 型号的第三部分，由水轮机转轮标称直径（以

7、厘米表示）或其他必要的指标组成 7.5 水轮机的工作原理7.5.1反击式水轮机 反击式水轮机主要是利用水流的压能（一小部分为水流动能）作功。水流通过转轮叶片时，因叶片的作用，水流改变了压力、流速，从而对叶片产生了反作用力，形成旋转力矩，使转轮旋转。 反击式水轮机按水流经过转轮的方向不同，分为轴流式、混流式和贯流式三种。图7-7 轴流式水轮机：(a) 示意图；(b) 内部结构图 图7-8 混流式水轮机：(a) 示意图；(b) 内部结构图 轴流式和混流式水轮机主要由四部分组成：引水机构（引水室或蜗壳）、导水机构（导叶）、工作机构（转轮）、泄水机构（尾水管） 引水机构（引水室或蜗壳） 引水室是把来自

8、压力水管的水流，均匀地引入水轮机的导水机构，并使之进入叶轮，以减少水力损失而提高水轮机的效率。 引水室有：明槽引水室、罐式引水室、蜗壳引水室等。前二种仅用于小型水轮机。蜗壳引水室水流情况好，水头损失小。有金属蜗壳和混凝土涡壳两种。 图7-9 有压明槽引水室 图7-10 金属蜗壳 导水机构（导叶） 导水机构（导叶）主要作用是当机组出力发生变化时，用来调节流量。正常与事故停机时，用来截断水流。 工作机构（转轮） 转轮是水轮机的核心部件，转轮对水轮机的性能起着决定性的作用。图7-11、7-12绘出了轴流式和混流式水轮机的二种转轮示意图。 图7-11 轴流式转轮 图7-12 混流式转轮 泄水机构（尾水

9、管） 轴流式和混流式水轮机均装有尾水管（图7-13），其作用是把流经水轮机的水流平稳地引至下游，同时使水轮机多利用一部分水头和水流动能。图7-13 尾水管作用示意图图7-14. 斜流式水轮机：(a) 示意图； (b) 结构图图7-15 灯泡贯流式水轮机：(a) 示意图；(b) 内部结构图图7-16 轴伸贯流式水轮机 7.5.2冲击式水轮机 冲击式水轮机是利用水流的动能，推动水轮机转轮旋转作功的。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式分为：水斗式、斜击式和双击式三种机型。 与反击式水轮机相比，冲击式水轮机中的水流是以射流的形式冲击作用转轮的，从而使转轮输出机械力矩。 水斗式水轮机 水斗式水轮机应用最

10、为广泛，是冲击式水轮机中最具代表性的机型（图7-17）。 图7-17 水斗式水轮机：(a) 原理图； (b) 构造图斜击式水轮机 斜击式水轮机适用水头在30120m、出力在600kW以下。它的水头使用范围一部分和混流式水轮机相接，另一部分与水斗式水轮机相接。斜击式水轮机最高效率比混流式和水斗式都低，但是在合适的水头和出力范围内，有较好的技术经济指标。 斜击式水轮机除转轮和射流冲击转轮的方向与水斗式水轮机不一样外，其它结构与水斗式一样（图7-18）。 图7-18 斜击式与水斗式水轮机斗叶对比：（a）水斗式；（b）斜击式双击式水轮机双击式水轮机工作时，喷嘴将压力水管的高速水流喷射到转轮上部叶片，对

11、叶片进行第一次冲击，大约的水能转换为机械能。然后水流穿过转轮中心，进入转轮下部，再对下部叶片进行第二次冲击，剩下的水流能量再转化为机械能，最后水流从转轮下部叶片流出外圆柱面落入尾水渠中。“双击”表示水流二次流经叶片，因此这种水轮机叫双击式水轮机（图7-19）。 图7-19 双击式水轮机7.6 潮汐电站海洋潮汐是海面受太阳和月亮吸引所引发的周期性流动所产生的水面升降现象。潮汐中蕴藏着巨大的能量，利用海洋中的潮汐来发电是海洋能利用的一种形式。 潮汐电站一般需要有地形和地质优良的海湾，在海湾入口处建堤坝厂房和水闸与海隔开形成水库利用涨落潮时内水位和海水之间的水位差引水经厂房内的水轮发电机组发电。利用

12、海潮涨落形成的潮汐能发电的水电站如图7-20所示。 图7-20 潮汐电站示意图潮汐电站的优点是（1）潮汐能为清洁、可再生能源，可以经久不息地利用（2）虽然有周期性间歇但具有准确的规律可用电子计算机预报有计划地纳入电网运行（3）一般离用电中心近不必远距离送电（4）无淹没损失移民等问题（5）水库内可发展水产养殖围垦和旅游综合效益潮汐电站也有以下缺点（1）发电有间歇性，这种间歇性周期变化又和日夜周期不一致（2）潮汐属于低水头，故发电效率不高（3）由于涉及大量海工建筑，单位千瓦的造价较常规水电站高。7.6.1 我国的潮汐和潮汐资源开发概况全世界潮汐电站可开发的总容量达1011亿kW年发电量约12400

13、亿kWh。中国潮汐电站的蕴藏量据1985年普查为2158万kW发电量约619亿kWh。我国海域辽阔，海岸线漫长，渤海、黄海、东海、南海诸海的海岸线从辽宁的鸭绿江口延伸到广西的北仑河口，全长18000余公里。而且海岸线迂回曲折，港湾栉比，潮汐河流众多，潮汐资源的蕴藏量极为丰富。据初步统计，我国沿海潮汐资源可开发的装机容量约2100万千瓦，年发电量约600亿度。其中华东地区浙江、福建两省和上海市的资源最为丰富，约占全国总资源的90%以上。 7.6.2 潮汐能利用的特点潮汐能的循环性与常规水能一样，是可靠再生的一次能源，取之不尽，用之不竭。发电的间歇性潮汐电站的出力虽然在年内和年际之间变化比较均匀，

14、但由于电站是利用潮汐在一日内的涨落形成的水头来发电的，因此电站在一日内的出力变化就很不均匀，而且不能调节。 电站的经济性潮汐发电是一种低水头大流量发电形式。 投资虽然贵但是由于潮汐电站没有水库淹没问题，当它的开发与综合利用结合得较好时，其建设的经济性可望提高。 综合利用 潮汐电站建于沿海的海湾或河口，没有河川水电站的水库淹没及迁移人口等问题，且可结合海涂围垦，增加农田。 潮汐电站的水库还为水产养殖改善了条件。堤坝可结合运输修建，以改善交通情况。潮汐电站美化了环境，有利于发展旅游事业。7.6.3 潮汐电站的几种类型潮汐能利用一般可分为两种型式。一是利用潮汐的动能.二是利用潮汐的位能 . 利用潮汐

15、的动能比较困难，效率又低，所以潮汐发电多采用后一种形式，即利用潮汐的位能。 按照不同情况，利用潮汐位能发电的电站可分为：单库单向电站 （图7-21） ，单库双向电站 （图7-22），双库连续发电电站 （图7-23）。图7-21 单库单向发电图7-22 单库双向发电 图7-23 双库连续发电 7.6.4潮汐电站实例江厦潮汐电站江厦潮汐电站位于浙江省温岭县乐清湾的东北角。乐清湾是我国东南沿海一个封闭性较好的海湾，总面积达250平方公里。据初步估算，整个乐清湾的潮汐资源约有60万，而江厦电站水库只是乐清湾的一小部分。江厦电站坝址处的潮差条件很好，平均潮差5.08米，最大潮差8.39米，与著名的钱塘江

16、最大潮差相当，潮汐基本上属于半日潮。电站采用单库双向的开发方式，电站水库面积约5平方公里。枢纽建筑物由堤坝、厂房、水闸等组成（图7-24）。电站装机容量设计为3000，安装六台500双向贯流灯泡式机组。年发电量为1000万度。 图7-24 江厦潮汐电站枢纽简图 江厦电站是科学试验电站，主要研究潮汐能的特点，海工建筑物的技术问题，潮汐发电机组的研制以及综合利用等问题。通过电站的建设，在电站规划设计、建筑物施工、机组制造及防腐防污、电站运行等方面积累了宝贵的经验，推动潮汐能科研工作的开展。7.7 抽水蓄能电站作为现代化的电力系统，应该有相当规模的水力发电容量来承担电网的负荷调节。其中抽水蓄能是最经

17、济和运用方便的手段。目前能够担任调峰的设备有调峰火电机组、燃气轮机组、内燃机组和抽水蓄能机组等，其中抽水蓄能机组具有独特的工作方式，是一种行之有效的蓄能装置。抽水蓄能机组具有水电设备起停快速和调节灵活的优点，能很有效地应付负荷的变化。7.7.1 抽水蓄能电站的工作原理 抽水蓄能电站利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时（夜间）做水泵运行，用基荷火电机组发出的多余电能将下水库的水抽到上水库贮存起来，在电力负荷出现高峰时作水轮机运行，将水放下来发电。如图7-25所示。 抽水蓄级机组可以和常规水电机组安装在一座电站内，这样的电站既有电网调节作用又有径流发电作用，称为常蓄

18、结合或混合式电站。 若蓄能电站是专为电网调节修建的，与径流发电无关，则称为纯抽水蓄级电站。 抽水蓄能机组也可以担负调相任务，在事故备用（包括旋转备用）方面更具有优势。图7-26 电力系统负荷变化图图7-26表示一个电力系统在24小时内电力负荷的实际变化规律，这种图形称为日负荷图。从图上可以看出，每天夜间是负荷的低谷阶段，上午负荷上升，到午后达到顶点，到晚间又逐渐下降，回到最低处。7.7.2 抽水蓄能电站的类型按建设类型分：装有常规水轮发电和抽水蓄能两种机组的水电站称为混合式抽水蓄能电站，或称常蓄结合水电站。电站的电能构成一部分为天然径流发电，一部分为抽水蓄能发电。 按调节规律分：如抽水蓄能电站

19、在夜间和午间系统负荷低谷时抽水，白天负荷高峰发电，每天都按此规律操作，则称为日调节电站。7.7.3 抽水蓄能电站的机组型式国外早期的抽水蓄能电站使用的是单独的水泵机组和水轮机，即水泵配以电动机，水轮机配以发电机，形成四机式机组。由于抽水和发电使用不同的电机，投资显然要大。后来随技术进步，一台电机可以兼做电动机及发电机使用，四机式机组应用得就很少了。近代有少数水电站因装机容量有裕度，加装大型水泵在负荷低谷时将水抽回水库以增加总的调峰发电量，也是四机式装置的一种方式，如我国白山水电站的5台300MW的水轮发电机组已运行多年后，现在准备增装2台150MW的大型离心泵。7.7.4 抽水蓄能电站的组成部分抽水蓄能电站由上下水库、引水系统（高压部分）、引水系统（低压部分）、电站厂房等组成。7.7.5 抽水蓄能电站在电力系统中的作用抽水蓄能机组是水电机组，起动快速，适用负荷范围广，在电力系统中能很好地替代火电机组担任调峰作用。作为水电机组，抽水蓄能机组有很强的负荷跟随能力，在电网中可起调频作用。抽水蓄能电站在电力系统中担任调峰、调频、调相