水电站知识点缩印

水轮机：将水能转换成旋转机械能的机器。反击式水轮机特征：（1）水流始终以有压流的状态连续地充满整个转轮的过流部分，从而其位能、压能及动能均可被转轮所利用；（2）在转轮空间，水流始终受曲面型叶片的约束，从而利用水流对转轮叶片的反作用力驱使转轮旋转。冲击式水轮机特征：（1）转轮始终处于大气中；（2）主要利用压力钢管末端高速射流产生的动能驱使转轮旋转；（3）高速射流只作用于转轮的部分轮叶。混流式水轮机特点：水流径向流入、大体轴向流出转轮。适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效率高。适用：水头20700m，中高水头、中小流量水电站。轴流式水轮机特点:水流轴向流入、并轴向流出转轮。适用：水头380m，中低水头、大流量水电站。水轮机的水头：也称工作水头、净水头。指单位重量水体通过水轮机时的能量减小值，常用H表示，单位为m。流量：指单位时间内通过水轮机的水体体积，常用Q表示，单位m3/s。转速：是水轮机转轮在单位时间内的旋转转数，常用n表示，单位r/min。输入功率Nw:指单位时间内通过水轮机的水流的总能量。出力（输出功率）N:指水轮机主轴传递给发电机的功率。效率:水轮机的出力N与其输入功率Nw的比值。水轮机过流部件:通常由蜗壳、座环、导叶、转轮及尾水管。蜗壳作用：沿座环周围引导并均匀、对称地分配水流。座环作用：支承机组及蜗壳上部部分混凝土的重量，并将其传递给厂房基础。导水机构作用：形成及改变进入转轮室的水流速度矩，并按负荷要求调节引入水轮机的流量，甚至切断水流。转轮作用：将水能转换成旋转机械能。尾水管作用:将流出转轮的水流引导、排向下游，同时回收转轮出口未用的部分水能。水轮机总效率=水力效率*容积效率*机械效率。最优工况即为撞击损失和涡流损失均最小的工况。条件（1）无撞击进口，转轮进口处水流相对速度W1的方向与叶片骨线在进口处的切线方向一致。（2）法向出口，水流在转轮出口处的绝对速度V2的方向角2=90。蜗壳的型式：（1）金属蜗壳，适用：水头大于40m的中、高水头水电站;制作方法：焊接、铸焊和铸造三种。（2）混凝土蜗壳,适用：水头小于40m的中、低水头水电站；材料：钢筋混凝土，可加钢板内衬。断面形状：（1）金属蜗壳绝大部分断面做成圆形以改善其受力条件，在尾部又改做成椭圆形以便与座环高度相适应。2）混凝土蜗壳断面常做成梯形，以便于施工及减小其径向尺寸。蜗壳的包角：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角。（1）金属蜗壳的包角：一般采用0-345。（2）混凝土蜗壳的包角：通常采用180-270。尾水管的作用（1）汇集并引导转轮出口水流排往下游；（2）当H2>0时，利用这一高度水流所具有的位能；（3）回收转轮出口水流的部分动能。尾水管的型式：（1）直锥形尾水管（2）弯锥形尾水管（3）弯肘形尾水管：尺寸确定：A.实际水电站设计时，应采用厂家提供的尾水管图纸尺寸；B.当缺乏厂家资料时，可选用定型化的尾水管尺寸。气蚀：指水轮机流道内流动水体中的微小气泡在其形成、发展、溃裂过程中对水轮机过流部件表面所产生的物理化学侵蚀作用。物理过程：局部压力降低到汽化压力水开始汽化，空气泡同时聚集、逸出，进入高于汽化压力的区域，汽泡瞬时溃裂，水流质点在极高的动水压差作用下形成巨大的冲击压力，形成聚能高压“水核”，水核又迅速膨胀冲击周围水体，高速射流撞击过流部件表面，导致表面材料疲劳破坏。气蚀的防护：1.设计制造：采用合理的翼型；提高翼型曲线的加工精度和叶片表面的光洁度；选用耐蚀、耐磨性能较好的材料等。2.运行维护：拟定合理的水电站运行方式；在尾水管进口补气等。3.工程措施：选择合理的水轮机安装高程；设置沉沙、排沙设施等。吸出高度Hs：从发生翼型气蚀最危险的K点到下游水面a-a的垂直高度。安装高程Zs的作用：Zs是一个控制性高程，是确定厂房各层面高程的基准尺寸。水轮机系列或轮系：尺寸不同但满足几何相似条件的一系列水轮机。相似工况：同一系列水轮机保持运动相似的工作状况。单位参数：将模型试验结果参数按相似定律换算成D1M=1.0m和HM=1.0m标准条件下的参数。比转速ns：是与D1无关的综合单位参数，表示同一系列水轮机在H=1m、N=1kW时的转速。综合特性曲线：是多参数之间的关系曲线,用于较完整地描述水轮机在各种运行工况下的综合特性。可分为：（1）模型综合特性曲线（2）运转综合特性曲线。系列型谱：型谱参数表中选出电站水头范围（Hmax及Hmin）与之基本相符的水轮机型号。模型水轮机与原型水轮机的差别：（1）原型机过流表面的相对粗糙度较小；（2）原型机使用水头较高，相对水力损失较小；（3）模型水轮机的容积与机械损失不可能按其所需的相似关系缩小。因此，原型水轮机的总效率高于模型水轮机的总效率。水轮机选型设计的主要内容：（1）选择水轮发电机组的台数及单机容量。（2）选择水轮机的型号及装置方式。（3）确定水轮机的轴功率、转轮直径、同步转速、吸出高度、安装高程等主要参数。（4）其它有关内容。方法：1.机组台数及单机容量的选择：水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。在总装机容量确定的情况下，采用方案比较法择优确定装机台数。2.水轮机型号及装置方式的选择：根据水轮机系列型谱选择，套用机组法。模型综合特性曲线选择水轮机的主要参数基本步骤：首先根据模型综合特性曲线，利用相似公式计算出原型水轮机的主要参数；然后把已选定的原型水轮机主要参数换算成模型参数，绘在模型综合特性曲线图上，以检验所选的参数是否合适，如果合适，则这些参数即为所选参数。1.转轮直径D1的计算2.转速n的计算3.效率换算及单位参数修正4.工作范围的检验5.吸出高度Hs的计算6.水轮机安装高程Zs的计算。水轮机调节的主要任务：（1）根据系统负荷变化迅速调节机组出力，以满足系统的负荷要求；（2）在系统负荷发生短周期的、不可预见的波动时，调整系统频率，并维持机组转速在规定范围内。其它任务：机组起动、并网及停机等。水轮机调节的原理：只有Q是易于改变的。因此，通常将Q作为水轮机的被调节参数，通过改变Q来改变Mt。水轮机调节系统：由调节对象（水轮机及其导水机构）和调速器组成的系统。调速器的分类：按其组成元件的工作原理，分为：（1）机械液压调速器（2）电气液压调速器（3）微机电液调速器。水电站的布置型式可分为以下三类：（1）坝式（2）河床式（3）引水式。坝式特点：坝体和电站厂房结合在一起作整体布置，电站水头的大部分或全部由坝所集中。河床式特点：（1）坝相对较低，主要利用大流量进行发电，因而一般是低水头大流量的水电站；（2）厂房结构也起挡水作用，是挡水建筑物的一个组成部分；（3）一般均布置在河谷开阔的平原河段，以保证首部枢纽纵向布置的长度。引水式特点：引水道较长（坝相应较低），水电站水头的全部（无坝引水）或大部分（有坝引水）由引水道集中。水电站建筑物组成：（1）挡水建筑物（2）泄水建筑物（3）水电站进水建筑物（4）水电站引水建筑物（5）水电站平水建筑物（6）发电、变电及配电建筑物（7）其它建筑物。进水口的基本要求：（1）足够的进水能力；（2）水质符合要求；（3）水头损失要小；（4）流量可控制；（5）满足水工建筑物的一般要求。有压进水口特征：进水口位于水库最低水位以下，进水具有一定的压力水头，以引进深层水为主。后接引水建筑物型式：有压引水建筑物，如有压引水隧洞、压力管道等。无压进水口特征：明流进水，进水无压力水头，以引进表层水为主。后接引水建筑物型式：无压引水建筑物，如明渠、无压引水隧洞等。有压进水口类型：（1）闸门竖井式进水口，适用：水库岸边地质条件较好、地形较陡的水电站。（2）塔式进水口，适用：大坝采用当地材料坝；水库岸边地质条件较差或地形平缓不宜采用闸门竖井式进水口的水电站。（3）岸坡式进水口，使用不多。（4）坝式进水口，适用：坝式水电站。（5）河床式进水口，适用：设计水头在40m以下的低水头大流量河床式水电站。（6）分层取水进水口，下游河道生态环境保护和农业灌溉要求电站尾水尽可能少改变天然河道的水温和水质时，可采用分层取水进水口。有压进水口的位置条件：（1）有利的进水条件：水流基本平顺、对称，避免发生回流和漩涡，水库泄洪时仍能正常运行；（2）避免出现过多的泥沙淤积及污物聚集；（3）对库岸式进水口还应使进水口位于地形、地质条件相对较好的库岸处，并与后接的引水隧洞线路保持协调。高程确定的原则1）有压进水口应低于运行中可能出现的最低水位，并应有一定的淹没深度；2）进水口闸门底坎应在水库设计淤积高程以上。轮廓尺寸确定的原则最优的水流条件，减少水头损失，满足设备布置需要；结构简单，便于施工。有压进水口设置拦污设备、闸门及启闭设备、通气孔及充水阀等。无压进水口的主要问题：（1）进水口前污物堆积较多，尤其在汛期产生原因：表层进水。（2）泥沙淤积严重产生原因：低坝引水，汛期进水发电。防治措施：（1）进水口应优先考虑布置在河道的凹岸，以避免产生回流，减少飘浮物的堆积。（2）根据河流的具体特点，采取加设浮排、设置并加固拦污栅等拦污措施。（3）枢纽措施：设置拦沙坎、冲沙闸及冲沙底孔等。（4）引水道措施：设置沉沙池、冲沙廊道或底孔。渠道功用：作为无压引水式水电站的引水渠道，其功用是集中落差形成水头，并向机组输送流量；作为水电站的尾水渠，其功用是将发电后的弃水排入下游河道。要求：（1）符合设计要求的输水能力；（2）水质良好，符合发电要求；（3）运行安全可靠；（4）结构经济合理，便于施工及运行。渠道类型：自动调节渠道，特征：从渠首到渠末渠堤顶部高程不变，渠末端不设溢流侧堰，电站负荷变化时，渠道水位自行升降。能自动调蓄电站弃水。适用：渠道短，底坡平缓，水位变幅小的渠道。非自动调节渠道，特征：渠底、渠顶采用同一纵比降，在渠道末端压力前池处布置溢流侧堰，用以适应电站负荷的变化，限制水位的升高。不能自动调蓄电站弃水。适用：渠道相对较长的水电站中。渠道水力计算的目的：根据渠道的设计流量Qd（恒定均匀流）来选择合理的渠道断面，并分析在此断面下，水电站在不同运行情况（恒定非均匀流、非恒定流）时的渠道水位变化规律。恒定流计算:1均匀流计算;2非均匀流计算.。非恒定流计算计算目的：分析水电站负荷变化时，渠道中水位及流速的变化过程。计算内容：（1）水电站突然丢弃负荷时渠内涨水波的计算，确定渠道沿线的最高水位，以决定渠堤堤顶高程；（2）水电站突然增加负荷时渠内落水波的计算，求得渠道最低水位，以决定渠末前池处的压力管道进口高程；（3）当水电站按日负荷图工作时，计算渠道中水位及流速的变化过程，以分析水电站的工作情况。计算方法：按一维明渠非恒定流特征线法，用电算程序计算。“系统计算支出最小法"比较和选择渠道断面方案的步骤：（1）按防冲、防淤、防草等技术条件，初拟几个渠道断面面积方案Fi（i=1,2,„n）；（2）对每个方案Fi按均匀流通过设计流量Qd求出渠道底坡坡比J，进行渠道纵横断面布置，计算其工程量，进而求得该方案的渠道投资Kh；则得本方案水电站的计算支出:Ch=（pb+ph）Kh（3）设方案Fi渠道产生的水头损失为Ah，则相应的电能损失：^E=9.81Qd△ht（4）方案Fi损失的电能AE必须由系统中替代的火电厂发出。替代的火电厂的计算支出：Ct=（pb+pt）AEke+△EBc发电输水隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞，是水电站常见的输水建筑物之一。分有压隧洞和无压隧洞两种型式。与渠道相比，隧洞的优点：（1）可以采用较短的路线；（2）有压隧洞能适应水库水位的大幅度升降及水电站引用流量的迅速变化；（3）不受冰冻影响，沿程无水质污染；（4）运行安全可靠。缺点：对地质条件、施工技术的要求较高；有些情况下，单位长度投资较高，工期较长。隧洞断面型式：（1）有压隧洞（2）无压隧洞压力前池的组成建筑物：1池身及扩散段2压力水管的进水口3泄水建筑物4排污排沙排冰设备压力管道类型：1钢管2钢筋混凝土管3钢衬钢筋混凝土管压力管道的供水方式:1单元供水一管一机的供水方式2、集中供水：一管多机的供水方式。3、分组供水：数根水管、每根水管分别向几台机组供水。压力管道水力计算内容：（一）恒定流计算计算，目的：确定管道的水头损失。（1）摩阻损失（2）局部损失（二）非恒定流计算即进行压力管道中的水锤计算，以确定最大、最小内水压力，为结构计算、管道布置及确定机组运行条件提供依据。管径确定方法：（1）动能经济比较法：拟定几个管道直径方案，进行动能经济综合比较后择优。一般用于大中型压力管道。（2）经济流速法：一般压力管道的经济流速为2-5m/s，据此结合引水流量确定管径。一般用于中小型压力管道。对大中型压力钢管，还可用以下彭德舒公式来初步确定经济直径明钢管的敷设方式：（1）连续式（2）分段式支墩作用：承受管身及水重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向移动，约束法向位移。类型：（1）滑动式支墩（2）滚动式支墩（3）摆动式支墩镇墩的作用与型式作用：支承因水管方向改变而产生的轴向不平衡力及镇墩处管段的法向荷载，固定管道，不允许管道在镇墩处发生任何位移。型式：按管道在镇墩上的固定方式可分为：（1）封闭式（2）开敞式镇墩的设计镇墩设计（1）镇墩的荷载及其组合（2）镇墩的抗滑稳定验算（3）镇墩的地基应力校核（4）镇墩的细部构造设计明钢管管身应力分析的主要步骤：一、明钢管的荷载：（1）径向力（2）轴向力（3）法向力二、管壁的计算厚度和结构厚度（一）跨中断面1—11、切向（环向）应力b2、径向应力br3、轴向应力bx（二）支承环旁断面2—2（三）支承环断面3—3（四）管壁强度校核（五）管壁抗外压稳定校核水锤：当压力管道末端的流量发生变化时，管道内将出现非恒定流现象，其特点是随着流速（流量）的改变压强有较显著的变化，这种现象称为水锤（又称为水击）。研究水锤现象的目的（1）计算过水系统的最大内水压强，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机等结构强度的依据。（2）计算过水系统的最小内水压强，作为布置压力管道路线及检验尾水管内真空度的依据。（3）研究水锤现象与机组运行的关系，在规定的关闭时间里寻找一个合理的关闭过程，确保机组运行稳定、可靠。（4）分析水锤压强的影响因素，研究减小水锤压强的措施。直接水锤当水轮机开度的调节时间TsW2L/c时，水管末端只受因开度变化直接引起的水锤波（反向波F）的影响，这种现象常称作直接水锤。间接水锤当Ts>2L/c时，水管末端在任一时刻的水锤压强是由向上游传播的水锤波F和返回水管末端的水锤波f叠加的结果，这种现象常称作间接水锤。第一相水锤假定阀门的起始开度为T0,管道的水锤常数为p。则当pT0V1时，r>0,阀门处将发生同号反射。结论：（1）PT0V1是发生第一相水锤的判别条件。（2）第一相水锤是高水头水电站水锤的特征。极限水锤当pT0>1时，rV0，阀门处将发生异号反射。结论：（1）pT0>1是发生极限水锤的判别条件。（2）极限水锤是低水头水电站水锤的特征。开度依直线变化水锤的讨论：（1）第一相水锤和极限水锤均属于间接水锤。（2）经过推导，直接水锤的水锤压强可表示为：3）仅仅用pt0判断水锤类型是近似的。水锤类型不仅与pt0有关，而且与b有关。调节保证计算：协调水锤和机组转速变化的计算。调节保证计算的主要任务：（1）合理地选择水轮机开度的调节时间和调节规律；（2）在GD2和调节时间一定的情况下，校核转速变化是否在允许范围内；或者在调节时间和转速变化一定的条件下，计算所需的GD2；（3）根据给定的调节时间和调节规律，计算水锤压强（最大、最小），检验它们是否在允许范围之内；或给定允许的水锤压强，验算是否需设置调压室等平压设施。调节保证计算的内容：1、丢弃负荷情况2、增加负荷情况减小水锤压强的主要措施：1、减小压力管道的长度；2、减小压力管道中的流速（如增大管径等）；3、采用合理的调节规律；4、减小压力管道流速的变化梯度关闭时间：对水锤，TS越大越好；对机组转速变化，TS越小越好。协调办法：（1）设置减压阀（2）设置水阻器。水锤计算条件的选择1、水锤计算的主要目的：求Zmax、nmax2、管道中的内水压力（水头）：Hmax=HO+H=HO+ZmaxHOHmin=H0-H=HO—nmaxHO3、产生Hmax的控制条件：（1）上游最高水位时弃荷：HO较高；（2）计算水头时弃荷：HO较低，但Q、^H较大，HO+^H相应较高。4、产生Hmin的控制条件：（1）上游最低水位时丢弃负荷，导叶关闭后正水锤反射而成的负水锤；（2）上游最低水位时最后一台机组投运。1、调压室调节有压引水系统（或有压尾水系统）水锤压力的建筑物。调压室的功用（1）反射水锤波，基本上避免（或减小）压力管道中的水锤波进入其上游有压引水道。（2）缩短压力管道的长度，从而减小压力管道及水轮机过流部件中的水锤压力。（3）改善机组在负荷变化时的运行条件及系统供电质量。水电站对调压室基本要求：（1）尽量靠近厂房；（2）能较充分地反射压力水管传来的水锤波；（3）工作稳定。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应迅速衰减，达到新的恒定状态；（4）水头损失小，因此其底部与压力管道的连接处应具有较小的断面积；（5）工作安全可靠，施工方便，经济合理。调压室的工作原理：“引水道调压室”系统非恒定流的特点:大量水体的往复运动，其周期较长，且伴随水体运动有不大的和较为缓慢的压力变化。研究调压室水位波动的目的：（1）求出调压室中可能出现的最高、最低涌波水位，分析水位波动过程，从而确定调压室的顶部和底部高程、引水道的设计内水压力和布置高程。2）根据波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面积。调压室基本布置方式：1、上游调压室（引水调压室）2、下游调压室（尾水调压室）3、上下游双调压室系统4、上游双调压室调压室基本结构型式：1、简单式调压室2、阻抗式调压室3、水室式调压室4、溢流式调压室5、差动式调压室6、气垫式调压室水位波动计算的目的：求出调压室最高、最低涌波水位及调压室水位波动随时间变化的过程。水位波动计算的方法及其特点：1）解析法：可直接求得最高和最低水位，但不能求得波动的全过程。初步决定调压室尺寸时用。（2）逐步积分法：可以求出最高、最低水位，可以求出波动的全过程，包括图解法和列表法。后期设计阶段时用。3）数值解法：可同时进行调压室水位波动、压力管道水锤压力及机组转速变化的联合计算。可研究各参数的影响。近年开始采用。影响波动稳定的主要因素：1、电站水头的影响：水头越小，FK越大。计算FK时应采用电站正常运行时可能出现的最低水头。2、引水道糙率的影响：糙率越大，越大，FK越小。计算FK时应采用可能的最小糙率。3、调压室位置的影响：调压室越靠近电站厂房，hwm0越小，H1越大，有利于波动的衰减。4、调压室底部流速水头的影响：对波动的作用与类似，对波动稳定有利。按规范规定，底部设置短管时，可用H/2g代替5、水轮机效率的影响：取决于效率的变化范围。对单独运行的电站，效率变化对波动衰减不利。6、电力系统的影响：在系统中运行的电站，各机组共同保证等出力，对波动稳定有利。调压室水力计算的内容：1、波动稳定性计算，确定Fk；2、计算Zmax，确定调压室顶部高程；3、计算Zmin，确定调压室底部和压力管道进口高程。水力计算的条件1）水力条件：上、下游水位、糙率等；2）负荷变化条件：丢、增负荷等。水力计算条件选择的原则应选择可能出现的最不利的情况。（1）波动稳定性计算上游水位：取上游可能的最低水位。糙率：引水道应选用可能的最小糙率，压力管道应选用可能的最大糙率。（2）Zmax的计算上游水位：取可能的最高水位。引水道的糙率：取可能的最小值。负荷：丢弃全负荷。（3）Zmin的计算上游水位：取可能的最低水位。引水道的糙率：取可能的最大值。负荷：采用最后一台容量不小于电站总容量1/3的机组投运，以及丢弃全负荷后的第二振幅作为负荷的变化情况。水电站厂房的功用：装设水轮发电机组及其辅助设备，并为这些设备的安装、检修和运行提供方便有效的条件。特征：是建筑物及各种机械和电气设备的综合体。地面厂房三种基本类型：（1）坝后式厂房（2）河床式厂房（3）引水式厂房厂房的机电设备组成：由五大系统组成：（1）水力系统；2）电流系统；3）机械控制设备系统；4）电气控制设备系统；5）辅助设备系统。厂房枢纽建筑物一般由四部分建筑物组成：1）主厂房；2）副厂房；3）变压器场；4）高压开关站。下部块体结构：指水轮机层地面以下的厂房结构部分，主要为蜗壳和尾水管外围的混凝土块体。布置要点:1.应严格遵照厂家提供的尾水管体型及其尺寸进行布置。在某些特殊情况下，也可经与厂家协商，对尾水管的体型及尺寸进行更改；2.尾水管外围混凝土的厚度一般应不小于1.0m；3.尾水管的出口扩散段可根据需要布置成倒坡，倒坡坡角一般不超过6-12°；4.尾水管可根据需要适当延长。发电机层的布置1.设备布置（1）发电机：常见的布置方式有:上机架埋入式、定子埋入式及定子外露式等三种。相邻两台发电机之间的净距一般应不小于1.5m。（2）机旁盘：应布置在厂房的一侧（上游或下游），并应尽量靠近调速器的操作柜及油压设备，且三者之间应有不小于1.0m的间距。（3）调速器的操作柜