《水电站》学习指南文档格式.docx

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6．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。

7．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。

8．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。

9．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。

模块2：

水轮机及其选择

单元1：

水轮机类型、水轮机基本构造

掌握水轮机的基本工作参数；

掌握水轮机基本类型、基本组成及作用。

水轮机的工作参数、水轮机的基本类型、组成部件。

水轮机构造

学习指导：

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.反击式水轮机的型号由三部分组成，例HL240——LJ——410表示：

混流式水轮机，型号240（比转速），立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm；

5.冲击式水轮机的型号也由三部分组成，2CJ30——W——120/2×

10表示转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上两个转轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。

单元2：

水轮机的主要过流部件及作用

掌握蜗壳的型式、水力计算及其尺寸确定，尾水管的作用、型式。

蜗壳和尾水管的基本类型、特点、适用情况及其水力计算。

蜗壳水力计算，尾水管工作原理。

1．蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。

设置在尾水管末端。

蜗壳主要分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种：

混凝土蜗壳：

H≦40m，钢筋混凝土浇筑，“T”形断面，当H>

40m时，可用钢板衬砌防渗。

适用于低水头大流量的水轮机；

金属蜗壳：

当H>

40m时采用金属蜗壳。

其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。

蜗壳主要参数包括蜗壳包角、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。

确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。

已知：

等断面型式下进行

2．尾水管的作用：

汇集转轮出口水流，排往下游；

当Hs>

0时，利用静力真空；

利用动力真空Hd。

尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；

衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示。

尾水管分为直锥形、弯锥形（用于中小型水电站）、弯肘形（大中型水电站）三种。

单元3：

水轮机的工作原理

掌握水轮机的能量损失及效率；

了解水轮机空化概念；

掌握吸出高度、安装高程的计算。

水轮机效率、吸出高度和安装高程。

难点:

吸出高度和安装高程计算。

1.水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流，水流运动的基本方程的实质：

由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。

水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的变化相平衡。

没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流能量而做功。

2.水轮机的效率：

水轮机在运行过程中存在水力损失、流量损失的机械摩擦损失，输出功率与输入功率的比值为水轮机的效率，水轮机效率一般要经过模型试验得到。

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。

3．水轮机的空蚀：

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，称水轮机的空蚀。

空化的类型:

翼形（叶片）空化、间隙空化、空腔空化、局部空化，其中:

翼形（叶片）空化和空腔空化破坏最严重。

防止空蚀的措施：

流速和压力是产生空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，抗空蚀钢衬（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。

水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，安装高程是水电站厂房控制性标高，确定安装高程为的是确保水轮机不发生空蚀破坏。

单元4：

水轮机特性

了解水轮机相似条件、相似定律概念；

掌握单位参数、比转速的定义；

理解水轮机特性曲线及组成。

运用水轮机模型综合特性曲线绘制水轮机的运转特性曲线。

运转特性曲线绘制

1.基本概念：

（1）水轮机特性：

水轮机在不同工况下运行时，各运行参数（H，Q，n，N，η，б）及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。

（2）相似理论：

研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。

（3）水轮机相似条件：

保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件（水流运动相似）。

包括：

几何相似、运动相似、动力相似。

几何相似:

大大小小的一套水轮机系列——轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。

（4）水轮机的相似定律：

建立模型和原型水轮机各个参数（H、n、N、η）之间的关系。

包括流量相似律、.转速相似律、出力相似律：

即原型和模型水轮机出力之间的关系，通过模型参数可以求得原型水轮机参数。

要求会运用相似定律。

（5）单位参数（在不同轮系之间进行比较）

将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数——单位参数，分别是单位流量

单位转速

单位出力

。

（6）水轮机的比转速

:

同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1KW时，所具有的转速。

（m.kW）

表示水轮机特征的一个综合参数（与D1无关），能将水轮机的各个参数n、H、N之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮系特征；

工况相似时，

=常数，即

不随工况变化；

一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参数。

2.模型试验：

水轮机能量模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小的QM进行试验，测定模型水轮机在各种工况下的运行效率ηM，通过测量nM、NM、QM、HM四个基本参数，绘制水轮机综合特性曲线和运转特性曲线。

3.水轮机参数及特性曲线

（1）水轮机参数：

参数关系反映水轮机特性。

包括

结构参数：

转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度a0，叶片转角Φ；

工作参数：

H、Q、n、Hs；

综合参数：

，轴功率N、η、б。

（2）特性曲线：

各参数之间的关系曲线

线性特性曲线：

反映2~3个参数之间的关系曲线

综合特性曲线：

表示多个参数之间的关系，反映全面，应用广

模型综合特性曲线：

以

为坐标场，绘制了等效率线、等开度线、等空化系数线和出力限制线。

不同类型的水轮机模型曲线有所不同，同一轮系的水轮机模型综合特性曲线相同。

运转特性综合曲线：

反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线。

综合反映H、N、η、Hs等参数之间的关系。

绘制方法：

根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。

组成：

N为横座标，H为纵座标，绘有η=f（H,N）、Hs=f（H,N）、出力限制线。

反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。

单元5：

水轮机选型设计

掌握水轮机选择的内容、方法和步骤

水轮机选择方法和步骤。

水轮机参数选择

1.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D1、n、Hs、Za；

Z0、d0；

（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。

2.水轮机选择方法步骤：

（1）根据总装机容量和水电站具体情况，选择机组台数及单机容量

N单不同，D1、n、Hs、η均不同，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。

中大型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数。

（2）依据单机容量及特征水头（Hmax、Hmin、Hav、Hr），确定水轮机型号

方法：

根据水轮机系列型谱选择；

采用套用机组。

（3）反击式水轮机主要参数的确定

确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：

转轮直径D1，转速n、吸出高Hs，D1、n应该满足：

在Hr下，发出Nr；

在Hav时，η最高。

吸出高Hs应满足：

防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。

方法有：

按综合特性曲线选择；

用系列应用范围图选参数；

套用机组方法。

●水轮机调节

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。

水轮机调节概念。

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。

模块3：

水轮站引水建筑物

水电站进水口

了解进水口功用、类型及适用条件；

掌握进水口高程及轮廓尺寸的拟定；

掌握进水口设备的布置。

水电站有压进水口的类型、高程及轮廓尺寸的拟定，及进水口设备的布置。

进口设备布置要求。

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，一般按水电站的最大引用流量Qmax设计；

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．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。

3.有压进水口后接有压引水道，引水库深层水为主，分洞式进水口、墙式进水口、塔式进水口和坝式进水口。

要掌握各种进水口的特征和适用条件。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

要重点掌握拦污栅、工作闸门、检修闸门、通气孔和旁通阀的作用、布置方式和位置。

水电站的渠道、隧洞及压力前池

了解渠道和有压隧洞的作用、线路选择；

掌握压力前池的作用、组

成建筑物。

引水渠道和有压隧洞的作用、断面设计；

压力前池的作用、组成及尺寸确定。

渠道类型；

渠道、隧洞水力计算。

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。

（1）水电站引水渠道称为动力渠道，分为非自动调节渠道和自动调节渠道；

（2）渠道的水力计算是根据设计流量，选定断面尺寸、糙率、纵坡和水深。

3.渠道的断面尺寸：

断面型式一般为梯形，边坡坡度取决于地质条件和衬砌的情况。

在岩石中开凿出来的渠道边坡可近于垂直而成为矩形断面。

在选择断面型式时，应尽力满足水力最佳断面，同时要考虑施工、技术方面的要求，确定合理实用断面。

4.发电隧洞从功用上划分为引水隧洞和尾水隧洞，从工作条件划分为有压隧洞和无压隧洞。

发电引水隧洞多数是有压的，尾水隧洞则以无压洞居多。

5.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。

水电站压力管道

掌握压力管道功用类型、供水方式、选线和布置；

掌握明钢管的构造、附件及布置方式；

掌握明管结构分析；

了解地下埋管、混凝土坝内管道特点、构造。

地面压力管道的结构布置、强度校核、外压稳定校核。

地面压力钢管的结构计算

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。

明钢管的设计步骤

（1）首先根据锅炉公式并考虑锈蚀厚度初步拟定管壁厚度，但在应力和稳定计算中，不计锈蚀厚度；

（2）用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置可加劲环（也可用支承环代替），并选定其间距；

（3）根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸；

（4）进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。

重复上面的步骤，直到满足要求。

5．地下埋管的工作原理。

要求掌握地下埋管的工作特点。

6.坝内压力管道的布置方式和工作原理。

水电站的水锤及调节保证计算

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，通过水锤沿管道的传播和反射规律分析，理解水锤的物理本质。

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

水锤计算解析方法和适用条件和机组转速变化的计算方法。

有压引水系统非恒定流现象，水锤概念

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．水锤波沿管道的传播反射规律，水锤基本方程，水电站水锤计算的边界条件。

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

这也是本章的重点和难点。

水锤计算最关心的是管道水锤的最大值和最小值，利用水锤计算简化公式可求出。

计算时首先判断水锤的类型，选择相应的计算公式。

要求熟练掌握简单管的水锤计算步骤、判别水锤类型，复杂管路的水锤近似计算方法，并能绘制最大和最小水锤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Ts和调节规律，使得压力水管中水锤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。

调压室

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。

调压室的功用、设置条件和设计方法（调压室尺寸拟定）。

调压室的工作原理

1．调压室的作用是减小压力水管的水锤值，防止水锤波进入引水道。

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。

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。

模块4：

水电站厂房枢纽

水电站厂房概述

了解水电站厂房的任务；

掌握厂区枢纽、及设备组成；

掌握厂房类型及特点。

厂区枢纽、及设备组成，厂房类型及特点。

厂区枢纽、及设备组成

1.水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施，包括厂房建筑、水轮机、发电机、变压器、开关站等，也是运行人员进行生产和活动的场所。

2.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。

3.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。

4．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。

水电站厂房内部布置

了解主厂房各层设备布置；

了解水电站的水、气、油系统作用及布置。

水、气、油系统作用及布置。

水、气、油系统作用及布置

1．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。

2．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。

3．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