1、新能源概论新能源概论 水水 能能5.1 概述概述5.2 水能开发利用原理水能开发利用原理5.3 径流调节与水能计算径流调节与水能计算5.4 水力发电技术水力发电技术5.5 发展现状和趋势发展现状和趋势第五章 水 能新能源概论新能源概论5.1 概述v 5.1.1 5.1.1 我国水能资源概况我国水能资源概况v 中国可开发的水能资源及其分布中国可开发的水能资源及其分布新能源概论新能源概论 定义地位作用代替大量的煤炭、石油、天然气等化石能源；代替大量的煤炭、石油、天然气等化石能源；可避免燃烧矿物燃料而产生的环境的污染；可避免燃烧矿物燃料而产生的环境的污染；可实现对水资源的综合利用可实现对水资源的综合
2、利用水能指河川径流相对于某一基准面具有的动水能指河川径流相对于某一基准面具有的动能和势能能和势能。5.1.2 水能的地位与作用水能是人类最重要常规能源之一新能源概论新能源概论5 5、水资源污染严重，亟须加强保护。、水资源污染严重，亟须加强保护。5.1.3水能资源特点1 1、资源总量十分丰富，但人均资源量并不富裕；、资源总量十分丰富，但人均资源量并不富裕；2 2、水能资源分布不均衡，与经济发展的现状极不匹配、水能资源分布不均衡，与经济发展的现状极不匹配；3 3、时间分布不均匀，江、河水量变化大；、时间分布不均匀，江、河水量变化大；4 4、总开发率很低，东西开发差异极大；、总开发率很低，东西开发差
3、异极大；新能源概论新能源概论 5.2水能开发利用原理v 5.2.15.2.1水能利用的原理水能利用的原理v 一、水轮泵一、水轮泵(1)(1)水轮泵的工作原理水轮泵的工作原理 水轮泵的特点：水轮泵的特点：结结构简单，使用方便，构简单，使用方便，依靠自然水力作用依靠自然水力作用而运转，性能可靠，而运转，性能可靠，成本低廉。成本低廉。新能源概论新能源概论v新能源概论新能源概论v 5)功率：水轮机轴输出功率，用NL表示。NL=QHL (5-2)式中：H 水轮机的工作水头，m；Q 过水流量，m3/s；L 水轮机效率；水的重度，=9810N/m3。水泵轴输出的功率，用NB表示。NB=qh/B (5-3)式
4、中：B 水泵效率新能源概论新能源概论v 6)水轮泵的机组效率:用 表示 =qh/QH=LB (5-4)v 若水轮机与水泵非共轴运转，中间有传动装置，则 =LBi (5-5)v 式中i 传动效率 v 7)水头比:用iH表示 iH=h/H (5-6)新能源概论新能源概论二、水锤扬水机二、水锤扬水机1 1）结构与工作原理结构与工作原理：水锤扬水机又称水锤泵。：水锤扬水机又称水锤泵。水锤扬水机水锤扬水机2 2）效率效率为为:=q h/QH1-水源；水源；2-进水管路；进水管路；3-泵筒；泵筒；4-压水阀；压水阀；5-锤击阀；锤击阀；6-工作室；工作室；7-调节螺钉；调节螺钉；8-出水出水管路；管路；9
5、.灌溉渠道灌溉渠道新能源概论新能源概论5.3 径流调节与水能计算v 5.3.1 5.3.1 径流调节径流调节v 1 1、径流形成、径流形成 径流形成过程示意图径流形成过程示意图产流过程坡面汇流河网汇流汇流过程新能源概论新能源概论v新能源概论新能源概论v新能源概论新能源概论v 3、河川径流的基本特性：多变性、周期性、地区性v 4、径流调节的涵义：v 广义人类对地面及地下径流的自然过程的有意识的改造或干涉。如水利工程及农、林业的水土改良设施等v 狭义上是通过修建水库，控制和分配河川径流的河流流量(蓄洪济枯)。新能源概论新能源概论v 5、径流调节的作用：协调来水与用水在时间分配和地区分布上的矛盾，及
6、统一协调各用水部门需求间的矛盾。6、径流调节的分类 按调节周期：无调节、日调节、周调节、年调节和多年调节等。按两水库相对位置和调节方式：补偿调节、缓冲调节、梯级调节、反调节。新能源概论新能源概论5.3.2 水能计算水力学的伯努利方程：上、下游断面上单位重量水体的能量水力学的伯努利方程：上、下游断面上单位重量水体的能量EAEA、EBEB可分别表示为可分别表示为 (5-11)(5-12)河段水能计算图河段水能计算图 上、下游断面之间的能量差为上、下游断面之间的能量差为 (5-13)新能源概论新能源概论v新能源概论新能源概论v 实际出力和发电量需考虑水轮机组、发电机组和传动设备实际出力和发电量需考虑
7、水轮机组、发电机组和传动设备的运行摩阻损失，并加入效率系数的运行摩阻损失，并加入效率系数，式中：式中：NpNp 水电站平均出力水电站平均出力(kW)(kW)；p p 发电引用平均水体容积发电引用平均水体容积(m3)(m3)；H Hm m 设计发电工作水头设计发电工作水头(m)(m)；n n 计算时段数；计算时段数；水电站机组工作效率系数水电站机组工作效率系数，大型水电站一般采用，大型水电站一般采用0.820.900.820.90。新能源概论新能源概论5.4水力发电技术5.4.15.4.1水力发电基本知识水力发电基本知识1 1、水力发电的原理、水力发电的原理新能源概论新能源概论1)可再生的能源2
8、)成本低，投资回收快3)水电无污染，是干净的能源4)综合经济效益好5)操作、管理人员少2、优点新能源概论新能源概论5.4.2、水能开发方式与水电站基本类型1 1、水能资源开发的基本方式、水能资源开发的基本方式v按引用流量的方式分类按引用流量的方式分类：径流式、蓄水式、集水网道式径流式、蓄水式、集水网道式v按集中落差的方式分类按集中落差的方式分类：筑坝式、引水式、混合式、梯级开：筑坝式、引水式、混合式、梯级开发等基本方式，特殊开发发等基本方式，特殊开发抽水蓄能式。抽水蓄能式。筑坝式开发示意图引水式开发示意图新能源概论新能源概论混合式混合式开发示意图开发示意图水电梯级水电梯级开发示意图开发示意图抽
9、水蓄能抽水蓄能水电站示意图水电站示意图新能源概论新能源概论v 2 2、水电站基本类型水电站基本类型建筑物的组成和布局建筑物的组成和布局：堤坝式（河床式、坝后式）、引水式：堤坝式（河床式、坝后式）、引水式（无压引水式、有压引水式）、混合式和梯级水电站（无压引水式、有压引水式）、混合式和梯级水电站 筑坝式水电站筑坝式水电站 引水式水电站引水式水电站阶梯式水电站阶梯式水电站新能源概论新能源概论新能源概论新能源概论1、挡水建筑物2、泄水建筑物3、引水建筑物4、发电建筑物5.4.3 水电站的水工建筑物新能源概论新能源概论v 1 1、挡水建筑物、挡水建筑物v 最常见的是坝和水闸最常见的是坝和水闸.v 分类
10、分类1 1）按坝的建筑材料按坝的建筑材料：土坝、堆石坝、干砌石坝、浆砌石坝：土坝、堆石坝、干砌石坝、浆砌石坝、混合坝、混凝土坝、钢筋混凝土坝等、混合坝、混凝土坝、钢筋混凝土坝等2 2）按坝的建筑型式按坝的建筑型式：重力坝、拱坝和支墩坝：重力坝、拱坝和支墩坝3 3）按坝顶是否过流按坝顶是否过流：溢流坝和非溢流坝：溢流坝和非溢流坝新能源概论新能源概论v 2 2、引水建筑物：主要有明渠、隧洞，连接压力引水道与、引水建筑物：主要有明渠、隧洞，连接压力引水道与高压管道之间的调压井，及连接尾水管出口与下游河道的高压管道之间的调压井，及连接尾水管出口与下游河道的尾水建筑物等尾水建筑物等新能源概论新能源概论v
11、 3 3、泄水建筑物、泄水建筑物:溢流坝、河岸溢洪道和深式泄水道等溢流坝、河岸溢洪道和深式泄水道等 溢流坝溢流坝河岸溢洪道1-启闭机；启闭机；2-弧形闸门；弧形闸门；3-闸墩闸墩4-反弧；反弧；5-挑流；挑流；6-鼻坎；鼻坎；7-腹腔腹腔 1-边墙；边墙；2-工作闸门；工作闸门；3-闸墩；闸墩；4-启启闭台；闭台；5-检修门槽；检修门槽；6-边墙边墙(a)陡坡式；(b)多级跌水式新能源概论新能源概论v 4 4、水电站厂房：作用是将水能、水电站厂房：作用是将水能转换为电能。转换为电能。v 1 1）厂房位置的选择厂房位置的选择：选择坡度平：选择坡度平缓处，升压电站应布置在厂房附缓处，升压电站应布置
12、在厂房附近，减少工程量以降低造价。近，减少工程量以降低造价。v 2 2）厂房型式厂房型式:厂房布置考虑水头厂房布置考虑水头、流量、进水方式、地质条件等、流量、进水方式、地质条件等，按运行要求把些合理配置设备，按运行要求把些合理配置设备。新能源概论新能源概论5.4.4水电站的机电设备设备组成设备组成：水轮机、电力设备和附属设备。：水轮机、电力设备和附属设备。（一）水轮机的分类（一）水轮机的分类类型类型代代 号号适用水头适用水头(m)(m)比转速比转速(n(ns s)机型特点机型特点冲冲击击式式水斗式水斗式CJCJ200200335335适用于高水头，小流量电站。小型机组多用于适用于高水头，小流量
13、电站。小型机组多用于水头在以上，流量在水头在以上，流量在/s/s以下的电站以下的电站斜击式斜击式XJXJ25-30025-30030703070与水斗式相比，转轮较简单，过水能力大，制造与水斗式相比，转轮较简单，过水能力大，制造容易，使用流量较水斗式大容易，使用流量较水斗式大双击时双击时SJSJ5-805-803515035150水流从喷嘴射出后，先冲击转轮上部叶片；然后水流从喷嘴射出后，先冲击转轮上部叶片；然后水流通过转轮中心在冲击下部分叶片。主要用于小水流通过转轮中心在冲击下部分叶片。主要用于小型电站。型电站。反反击击式式轴流式轴流式定浆：定浆：ZDZD转浆：转浆：ZZZZ35035038
14、0380250700250700200850200850过水能力大，适用于大流量、低水头电站，用过水能力大，适用于大流量、低水头电站，用转浆式转浆式(ZZ)(ZZ)能克服定浆式能克服定浆式(ZD)(ZD)在流量变化时造成的在流量变化时造成的运行不稳定和低负荷运行时效率低的缺点。运行不稳定和低负荷运行时效率低的缺点。混流式混流式HLHL7007005030050300运行稳定，效率高，多用于中等水头和中等流运行稳定，效率高，多用于中等水头和中等流量的电站。量的电站。斜流式斜流式XLXL4012040120100350100350多数为转浆式的，运行高效率区交宽，对水头多数为转浆式的，运行高效率区
15、交宽，对水头和流量变化较大的情况适用。和流量变化较大的情况适用。贯流式贯流式定浆：定浆：GDGD转浆：转浆：GZGZ2302302302301000100010001000过水能力大，流道畅通、水力损失小，效率高，过水能力大，流道畅通、水力损失小，效率高，土建筑投资少，但密封止水和绝缘要求高，适用于土建筑投资少，但密封止水和绝缘要求高，适用于平原地区低水头、大流量的电站和潮汐电站。平原地区低水头、大流量的电站和潮汐电站。新能源概论新能源概论v(二二)水轮机的工作参数水轮机的工作参数v 1)1)水轮机比转速水轮机比转速n ns s：指当工作水头：指当工作水头H=1mH=1m、发出的功率、发出的功
16、率N=1kWN=1kW时，水轮机所具有的转速。代表着水轮机系列特征，对于同时，水轮机所具有的转速。代表着水轮机系列特征，对于同系列的水轮机为常数，不同系列的水轮机则不同。系列的水轮机为常数，不同系列的水轮机则不同。v 2)2)工作水头工作水头(H)(H)；v 3)3)流量流量(Q)(Q)；v 4)4)功率功率(N)(N)；v 5)5)水轮机效率水轮机效率()；v 6)6)水轮机直径水轮机直径(D)(D)新能源概论新能源概论v(三三)水轮机的型牌号水轮机的型牌号v 水轮机型牌号举例：水轮机型牌号举例：v(1)HL240-LJ-120，表示为混流式水轮机，转轮型号为，表示为混流式水轮机，转轮型号为
17、240，立轴，金属蜗壳引水室，转轮标称直径为，立轴，金属蜗壳引水室，转轮标称直径为120cmv(2)ZZ560 LH-500，表示为轴流转桨式水轮机，转轮型号，表示为轴流转桨式水轮机，转轮型号为为560，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径500cm新能源概论新能源概论v(四四)水轮机的调速设备水轮机的调速设备v 分类：分类：1）按操作方式）按操作方式分分为为手动手动和和自动自动。自动调速。自动调速器分为器分为机械液压式机械液压式和和电气电气液压式液压式两大类。机械液压两大类。机械液压式调速器分为式调速器分为压力油槽式压力油槽式和和川流式。川流式。v 2）按调整流量的
18、方式）按调整流量的方式可可分单调和双调。分单调和双调。新能源概论新能源概论二、水轮发电机v 水轮发电机分水轮发电机分立轴立轴和和卧轴卧轴v 1)1)立轴水轮发电机：分立轴水轮发电机：分为为悬式悬式和和伞式伞式 主要部分：定子、转子、主要部分：定子、转子、推力轴承、机架、通风冷推力轴承、机架、通风冷却装置、制动装置及励磁却装置、制动装置及励磁装置等装置等1-转轴；转轴；2-推力轴承；推力轴承；3-导轴承；导轴承；4-下机架；下机架；5-制动器；制动器；6-冷却器；冷却器；7-定子机座；定子机座；8-定子铁芯；定子铁芯；9-定子绕；定子绕；10-磁极；磁极；11-磁轭；磁轭；12-上机架；上机架；
19、13-转子支臂；转子支臂；14-转子中心体；转子中心体；15-励磁机；励磁机；16-副副励磁机；励磁机；17-永磁发电机永磁发电机伞式水轮发电机组伞式水轮发电机组新能源概论新能源概论v 2)2)卧轴卧轴水轮发电机水轮发电机卧轴水轮发电机由转子、定子卧轴水轮发电机由转子、定子、滑动轴承、飞轮及制动装置组成，、滑动轴承、飞轮及制动装置组成，卧式水轮发电机常用于中小型水电站。卧式水轮发电机常用于中小型水电站。3)3)贯流式贯流式水轮发电机水轮发电机贯流式水轮发电机是特殊的贯流式水轮发电机是特殊的卧轴装置卧轴装置。国内一般为灯泡式结。国内一般为灯泡式结构，发电机装在一个密封的壳体内部，压力水绕过灯泡外
20、构，发电机装在一个密封的壳体内部，压力水绕过灯泡外壳壳新能源概论新能源概论5.5 水能利用发展现状和趋势水能资源的应用发展前景我国水电建设技术成就我国水电建设成就新能源概论新能源概论5.5.1 我国水电建设成就v 三峡工程是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程，总三峡工程是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程，总装机达到装机达到22502250万千瓦万千瓦。v 截至截至20122012年底，历年累计发电量达到年底，历年累计发电量达到6291.46291.4亿千瓦时亿千瓦时，相，相当于减排二氧化碳当于减排二氧化碳4.964.96亿吨亿吨，减排二氧化硫，减排二氧化硫595595万吨万吨，为，为节能
21、减排做出了积极贡献。节能减排做出了积极贡献。新能源概论新能源概论5.5.2 我国水电建设技术成就v 1 1、坝型的优选：在碾压混凝土坝、钢筋混凝土面板堆石、坝型的优选：在碾压混凝土坝、钢筋混凝土面板堆石坝和高薄拱坝等方面，成就突出。坝和高薄拱坝等方面，成就突出。v 2 2、高坝大流量泄水建筑物及消能工技术、高坝大流量泄水建筑物及消能工技术v 3 3、钢筋混凝土引水岔管技术、钢筋混凝土引水岔管技术v 4 4、高坝地墓及高边坡预应力锚固处理技术、高坝地墓及高边坡预应力锚固处理技术v 5 5、地下建筑物建设地下建筑物建设新能源概论新能源概论5.5.3我国水能资源的应用发展前景v 20102010年，
22、水电装机容量达到年，水电装机容量达到1.551.55亿亿kWkW以上，我国的水电装以上，我国的水电装机容量超过美国，完成从机容量超过美国，完成从资源资源第一大国到第一大国到生产生产第一大国的第一大国的转变。转变。v 2011-20492011-2049年，我国达到或超过中等发达国家的水平，全年，我国达到或超过中等发达国家的水平，全国总装机约为国总装机约为1515亿亿kWkW，成为真正意义上的水电第一大国。，成为真正意义上的水电第一大国。新能源概论新能源概论v 1.1.什么叫径流调节、兴利调节和洪水调节？什么叫径流调节、兴利调节和洪水调节？v 2.2.什么是调节周期、补偿调节和反调节？什么是调节周期、补偿调节和反调节？v 3.3.水力发电的优点？水力发电的优点？v 4.4.水能开发方式与水电站基本类型？水能开发方式与水电站基本类型？v 5.5.水力发电系统的基本构成如下？水力发电系统的基本构成如下？v 6.6.简述水电站的水工建筑物？简述水电站的水工建筑物？v 7.7.试述我国水能发展现状？试述我国水能发展现状？思考题思考题
