水电站基础知识
水电站是将水能转换为电能的综合工程设施。又称水电厂。它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。有些水电站除发电所需的建筑物外，还常有为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。
中国大陆最早建成的水电站是云南省昆明市郊的石龙坝水电站(1912) ，目前已经建成世界上第一大的水电工程----三峡水利枢纽工程，装机容量为2240万千瓦。
水利枢纽定义：为实现一项或多项水利任务，在一个相对集中的场所修建若干不同类型的水工建筑物组合体，以控制调节水流。
原理
将水能转换为电能的综合工程设施。一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。
水的落差在重力作用下形成动能，从河流或水库等高位水源处向低位处引水，利用水的压力或者流速冲击水轮机，使之旋转，从而将水能转化为机械能，然后再由水轮机带动发电机旋转，切割磁力线产生交流电。
水电站类型：
按水能来源分为
利用河流、湖泊水能的常规水电站；利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，待电力负荷高峰期再放水至下水库发电的抽水蓄能电站；利用海洋潮汐能发电的潮汐电站；利用海洋波浪能发电的波浪能电站。按对天然径流的调节方式分为：没有水库或水库很小的径流式水电站，水库有一定调节能力的蓄水式水电站。
按水电站水库的调节周期分为多年调节水电站、年调节水电站、周调节水电站和日调节水电站。年调节水电站是将一年中丰水期的水贮存起来供枯水期发电用。其余调节周期的水电站含义类推。
按发电水头分为高水头水电站、中水头水电站和低水头水电站。世界各国对此无统一规定。中国称水头70米以上的电站为高水头电站，水头70～30米的电站为中水头电站，水头30米以下的电站为低水头电站。按装机容量分为大型、中型和小型水电站。
抽水蓄能电站
利用电网中负荷低谷时多余的电力，将低处下水库的水抽到高处上水库存蓄，待电网负荷高峰时放水发电，尾水至下水库，从而满足电网调峰等电力负荷的需要。
潮汐电站
利用海潮涨落所形成的潮汐能发电。 径流式水电站
没有水库或水库库容很小，对天然水量无调节能力或调节能力很小的水电站。
蓄水式水电站
设有一定库容的水库，对天然水流具有不同调节能力的水电站。
工程建设
分为：坝后式水电站，河床式水电站，引水式水电站，储能水电站，虹吸式水电站
还常采用的分类方法：
水电站厂房
1.定义：水电站厂房是水电站中安装水轮机、水轮发电机和各种辅助设备的建筑。它是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。
2.水电站厂房的主要任务：
(1) 将水电站的主要机电设备集中布置在一起，使其具有良好的运行、管理、安装、检修等条件。
(2) 布置各种辅助设备，保证机组安全经济运行，保证发电质量。
(3) 布置必要的值班场所，为运行人员提供良好的工作环境。
3. 水电站厂房的组成：
从设备布置和运行要求的空间划分
主厂房：布置水轮发电机组和各种辅助设备的主机室（主机间）及组装、检修设备
的装配场(安装间)的总称。是水电站厂房的主要组成部分。
主厂房布置：
主厂房的主机室布置随机组主轴为竖直和水平两种不同的装置方式，而分为立式机组主机室和卧式机组主机室两大类.
副厂房：水电站的运行、控制、试验、管理和运行人员工作、生活的房间。
副厂房组成：
直接与运行有关的房间，如中央控制室、电缆室（集缆室）、载波及微波通讯室、蓄电池室、贮酸室、充电机室、通风机室；
开发方式
即按集中水头的手段和水电站的工程布置，可分为坝式水电站、引水式水电站和坝－引水混合式水电站三种基本类型。这是工程建设中最通用的分类方法。
用水头的大小
可分为高水头、中水头和低水头水电站。世界上对水头的具体划分没有统一的规定。有的国家将水头低于 15m作为低水头水电站，15～70m为中水头水电站，71～250m为高水头水电站，水头大于250m时为特高水头水电站。中国通常称水头大于70m为高水头水电站，低于30m为低水头水电站，30～70m为中水头水电站。这一分类标准与水电站主要建筑物的等级划分和水轮发电机组的分类适用范围，均较适应。 装机容量的大小
可分为大型、中型和小型水电站。各国一般把装机容量5000kW以下的水电站定为小水电站，5000～10万kW为中型水电站，10万～100万kW为大型水电站，超过100万kW的为巨型水电站。中国规定将水电站分为五等，其中：装机容量大于75万kW为一等〔大(1)型水电站〕，75万～25万kW为二等〔大(2)型水电站〕，25万～2.5万kW为三等〔中型水电站〕，2.5万～0.05万kw为四等〔小(1)型水电站〕，小于0.05万kW为五等〔小(2)型水电站〕；但统计上常将1.2万kW以下作为小水电站。 建筑物特点通常用坝拦蓄水流、抬高水位形成水库，并修建溢流坝、溢洪道、泄水孔、泄洪洞（见水工隧洞）等泄水建筑物宣泄多余洪水。水电站引水建筑物可采用渠道、隧洞或压力钢管，其首部建筑物称进水口。水电站厂房分为主厂房和副厂房，主厂房包括安装水轮发电机组或抽水蓄能机组和各种辅助设备的主机室，以及组装、检修设备的装配场。副厂房包括水电站的运行、控制、试验、管理和操作人员工作、生活的用房。引水建筑物将水流导入水轮机，经水轮机和尾水道至下游。当有压引水道或有压尾水道较长时，为减小水击压力常修建调压室。而在无压引水道末端与发电压力水管进口的连接处常修建前池。为了将电厂生产的电能输入电网还要修建升压开关站。此外，尚需兴建辅助性生产建筑设施及管理和生活用建筑。
水电站枢纽的组成建筑物有以下几种：
（一）挡水建筑物 用以截断水流，集中落差，形成水库的拦河坝、闸或河床式水电站的水电站的长房等水工建筑物。如混凝土重力坝、拱坝、土石坝、堆石坝及拦河闸等。
（二）泄水建筑物 用以宣泄洪水或防空水库的建筑物。如开敞式河岸溢洪道、溢流坝、泄洪洞及放水底孔等。
（三）进水建筑物 从河道或水库按发电要求引进发电流量的引水道首部建筑物。如有压、无压进水口等。
（四）引水建筑物 将发电用水输送给水轮发电机组而专设的水工建筑物。有时也将与水电站机组引水直接有关的水电站进水口和前池、调压室等平水建筑物包括在水电站引水建筑物中，并合称为水电站引水系统。水电站引水建筑物有渠道、无压引水隧洞、有压引水隧洞(见水工隧洞)、压力水管等。有时由于使用上的要求及地形、地质条件限制，常在与河流、水道、交通道路及山谷等相交叉处建造倒虹吸管、涵洞、渡槽等交叉建筑物。
（五）平水建筑物 在水电站负荷变化时用以平稳引水建筑物中流量和压力的变化，保证水电站调节稳定的建筑物。对有压引水式水电站为调压井或调压塔；对无压引水式电站为渠道末端的压力前池。
（六）厂房枢纽建筑物 水电站厂房枢纽建筑物主要是指水电站的主厂房、副厂房、变压器场、高压开关站、交通道路及尾水渠等建筑物。这些建筑物一般集中布置在同一局部区域形成厂区。厂区是发电、变电、配电、送点的中心，是电能生产的中枢。
（七）通航建筑物 用于克服集中水位落差或地形障碍而升降或通过船舶的水工设施。又称过船建筑物。
水电站厂房
1.定义：水电站厂房是水电站中安装水轮机、水轮发电机和各种辅助设备的建筑。它是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。
2.水电站厂房的主要任务：
(1) 将水电站的主要机电设备集中布置在一起，使其具有良好的运行、管理、安装、检修等条件。
(2) 布置各种辅助设备，保证机组安全经济运行，保证发电质量。
(3) 布置必要的值班场所，为运行人员提供良好的工作环境。
3. 水电站厂房的组成：
(一) 从设备布置和运行要求的空间划分
主厂房：布置水轮发电机组和各种辅助设备的主机室（主机间）及组装、检修设备的装配场(安装间)的总称。是水电站厂房的主要组成部分。
主厂房布置：
主厂房的主机室布置随机组主轴为竖直和水平两种不同的装置方式，而分为立式机组主机室和卧式机组主机室两大类
1.立式机组主机室
机组主轴为竖直装置。以装设水轮发电机的上机架所在楼板面为界，以上为上部结构，以下为下部结构。上部结构因厂房采用户内式、露天式、半露天式、地下式、半地下式等类型（见水电站厂房）而采用不同的结构形式。立式机组主机室共分为四层。
①发电机层：装设机组和调速器操作柜、油压装置、机旁盘、励磁盘等设备的场所。为了装卸机组及其他的辅助设备，其上部设置移动式起重设备（吊车）。
②水轮机层：发电机层楼板以下与蜗壳顶部混凝土以上的空间。在机组部位有支承水轮发电机定子支座的发电机机墩（机座）。内腔称为定子坑或水轮机井。机墩上需要装设作用筒（接力器），预埋各种油、气、水系统管道和布置电缆、电线等。机墩的形式随机组容量不同而分为：块式机墩（矮机墩），它的刚度和抗震性能都很好，但混凝土用量大；圆筒式机墩，它受力均匀，抗震、抗扭性能好，用钢量省；环梁立柱式机墩和刚架式(框架式)机墩，材料用量较省,便于安装检修,但抗震、抗扭性能较差,噪声较大,适用于中小容量的机组。水轮机层上下游侧常分别布置水力机械设备（油、 气、 供水、排水系统设备和管道等）和电气设备（母线、电缆、互感器及厂用电配电设备等），互不干扰，有时在这层还布置励磁盘和能抽出深处积水的深井水泵。当发电机层楼面与水轮机层地面高差超过6～8m时,可考虑在其间加设出线层，布置水轮发电机引出线、中性点接地装置、母线和互感器等设备。
③蜗壳层：反击式水轮机引水设备的形状象蜗牛外壳称为蜗壳。蜗壳及其周围的混凝土结构的块体和空间部分称为蜗壳层。当水头小于40m时,多采用梯形断面的钢筋混凝土蜗壳；当水头大于40m时,宜采用圆形断面的铸铁、铸钢或钢板焊接的金属蜗壳。大型水电站厂房的金属蜗壳常外包混凝土。中小型水电站厂房的金属蜗壳常将下半部埋入混凝土内，以增加水轮机层的净高并减少工程量。蜗壳进人孔道通常设在蜗壳进口处的钢管的顶面或侧面。 水电站主厂房。
④尾水管层：反击式水轮机的泄水设备（称为尾水管或吸出管）的顶部与基础板之间的空间。尾水管有直锥形和弯肘形两种。前者用钢板焊接而成，部分埋入混凝土中，仅适用于小型反击式和贯流式水轮机；后者用钢筋混凝土浇筑，适用于大中型立轴反击式水轮机。当采用冲击式水轮机的高水头水电站厂房，就无需设尾水管而仅有尾水室。 2.卧式机组主机室
① 发电机层：指装设机组的楼板以上的空间。上部结构同立式机组主机室，布置水轮发电机、励磁机、金属蜗壳、水轮机、飞轮、尾水管弯段、调速器、配电盘、开关柜和梁式电动或手动吊车等机电设备。机组在发电机层布置方式有三种：横向布置，机组轴线与厂房纵轴线垂直，适用于机组台数较多的情况；纵向布置，机组轴线与主厂房纵轴线平行，适用于地形狭长及机组台数在3台以下的情况;斜向布置，机组轴线与厂房纵轴线成斜交布置，因这种布置发电机层显得不整齐，已很少采用。 ②尾水室层：机组以下的空间，有机座、阀坑和尾水室。尾水室内装直锥管，发电后的尾水从直锥管泄出，经尾水渠流入下游河道或下一个梯级水电站的渠道。控制设备，电气设备和辅助设备，是水电站运行、控制、监视、通讯、试验、管理和工作的房间。
副厂房：水电站的运行、控制、试验、管理和运行人员工作、生活的房间。
位置： ①副厂房设在主厂房的上游侧。其优点是布置紧凑、电缆短，监视机组方便。缺点是电气设备的线路与进水系统设备互相交叉干扰，引水管道增长。
② 副厂房设在主厂房的下游侧。其优点是电气设备的线路与进水系统设备互不交叉干扰，监视机组方便。缺点是主厂房的采光、通风和建筑外观受到影响；尾水管加长,工程量增加;中央控制室及继电保护在尾水管上方，易受振动干扰 ③ 。③副厂房设在主厂房靠对外交通的一端。其优点是主、副厂房的总宽度较小，采光、通风良好。缺点是电缆和母线线路较长，监视机组稍远，对多机组的厂房较为不利。对于小型水电站可将主厂房适当加宽，将电气设备和线路集中布置在主厂房内而不设副厂房。
组成：
一般大中型水电站副厂房房间按性质可分为五类：
① 直接与运行有关的房间。如中央控制室、电缆室（集缆室）、载波及微波通讯室、蓄电池室、贮酸室、充电机室、通风机室。有的自动化程度高的大型水电站厂房还设有巡回检测装置室和电子计算机室。
②辅助设备房间。如发电机电压配电装置室（低压开关室）、厂用变压器室及母线廊道、空气压缩机室、透平油油库和水泵室等。 3生产车间。如机修间、 电修间、 工具室、电气试验室、油化验室等。 ④ 办公室和技术室。如运行分场、检修分场、各维修班组的办公室和技术室。非直接生产用的办公室可设在另建的办公楼内。 ⑤ 卫生用房。如厕所、浴室等。副厂房设置哪些房间及各房间面积，可根据水电站规模、水电站在电力系统中的地位和作用以及水电站自动化程度等因素予以增、减或简化合并。
布置：应以运行安全方便、经济合理和施工简易为原则。副厂房中有些房间有特殊要求。
①中央控制室（中控室）：副厂房中最关键最重要的房间，整座水电站厂房运行、监视、维护、控制的中枢(见彩图)。它应靠近主厂房，使控制电缆短，同时要求它与低压开关室及水电站升压开关站距离短，以缩短电力电缆长度。室内要求通风良好，光线匀调，无噪声干扰，表盘布置要求监视方便，避免太阳西晒及光线直射盘面，控制室内温度和湿度，保证仪表的灵敏度和准确性。中央控制室不宜布置在尾水平台上或主变压器场的下层，因为出现的噪声和震动将会影响继电保护设备的整定值，并使值班人员注意力分散和过度疲劳。
②载波及微波通讯室：主要用来与电力系统中心联系，对机组运行进行调度，要求可靠性高，应靠近中央控制室布置，并须满足隔声、通风和采光等要求。
③蓄电池系统室：又称直流电设备室，包括蓄电池室、贮酸室、充电机室和通风机室等。贮酸室内贮存硫酸，专供蓄电池用。充电机将交流电转化为直流电，送入蓄电池中贮存，主要供给中央控制室的设备和事故照明。当采用可控硅励磁时，可不单独设充电机室。蓄电池室与贮酸室相通，为了防止酸气外溢，设公用的套间（前室）供联系，门都要向外开启，当发生险情时，有利于运行人员迅速跑出。这些房间不可布置在中央控制室或开关室的上方。蓄电池室和贮酸室一般不设窗户或窗上镶磨砂玻璃，采用人工照明，墙壁、顶棚应涂耐酸油漆，地板铺砌瓷砖防酸腐蚀，室内要有防爆措施，设有单独的排水和单独通风系统。
主变压器场：装设主变压器的地方。水电站发出的电能经主变压器升压后，
再经输电线路送给用户。
高压开关站：装设高压开关、高压母线和保护措施等设备的场所，高压输
电线由此送往用户。
此外厂房枢纽中还有：进水道、尾水道和交通道路等。
水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站及厂区交通等，组成水电站厂区枢纽建筑物，一般称厂区枢纽。
(二) 从设备组成的系统划分
水电站厂房内的机械及水工建筑物共分五大系统
(1) 水流系统。水轮机及其进出水设备，包括压力管道、水轮机前的进水阀、蜗壳、水轮机、尾水管及尾水闸门等。
(2) 电流系统。即电气一次回路系统，包括发电机及其引出线、母线、发电机电压配电设备、主变压器和高压开关站等。
(3) 电气控制设备系统。即电气二次回路系统，包括机旁盘、励磁设备系统、中央控制室、各种控制及操作设备如各种互感器、表计、继电器、控制电缆、自动及远动装置、通迅及调度设备等直流系统。
(4) 机械控制设备系统。包括水轮机的调速设备，如接力器及操作柜，事故阀门的控制设备，其它各种闸门、减压阀、拦污栅等操作控制设备。 (5) 辅助设备系统。包括为了安装、检修、维护、运行所必须的各种电气及机械辅助设备，如厂用电系统(厂用变压器、厂用配电装置、直流电系统)，油系统、气系统、水系统，起重设备，各种电气和机械修理室、试验室、工具间、通风采暖设备等。
(三) 从水电站厂房的结构组成划分
1．平面：主机室+安装间
主机室：水轮发电机组及辅助设备布置在主机室，是运行和管理的主要场所；
安装间：是水电站机电设备卸货、拆箱、组装、检修时使用的场地。 2．垂面：上部结构+下部结构(以发电机层楼板面为界)
上部结构：与工业厂房基本相似，基本上是板、梁 、柱结构系统； 下部结构：大体积混凝土结构，布置过流系统，是厂房的基础
三、水电站厂房的基本类型
概述
(一) 根据厂房与挡水建筑物的相对位置及其结构特征，可分为三种基本类型：
1．引水式厂房
特征：发电用水来自较长的引水道，厂房远离挡水建筑物，一般位于河岸。如若将厂房建在地下山体内，则称为地下厂房。
2．坝后式厂房
特征：厂房位于拦河坝的下游，紧接坝后，在结构上与大坝用永久缝分开，发电用水由坝内高压管道引入厂房。
有时为了解决泄水建筑物布置与厂房建筑物布置之间的矛盾，可将厂房布置成以下型式：
(1) 溢流式厂房。将厂房顶作为溢洪道，成为坝后溢流式厂房。 (2) 坝内式厂房。厂房移入溢流坝体空腹内。
3．河床厂房
厂房位于河床中，成为挡水建筑物的一部分。
(二) 按机组主轴的装置方式分：立式机组厂房和卧式机组厂房。
水电站厂房设计程序
我国大中型水电站的设计一般分四个阶段：预可行性研究、可行性研究、招标设计、施工详图。
预可行性研究：在河流规划和地区电力负荷发展预测的基础上，对拟建电站的建设条件进行研究，该水电站在近期兴建的必要性、技术上的可行性和经济上的合理性。
此阶段对厂房不进行具体设计，只选定电站的规模，初选枢纽布置和厂房型式，绘出厂房在枢纽中的位置。
可行性研究：通过方案比较选定枢纽的总体布置及其参数，决定建筑物的型式和控制尺寸，选择施工方案、进度和总布置，并编制工程投资预算，阐明工程效益。 此阶段中，对厂房设计要求是根据选定机组机型、电气主接线图及主要机电设备，初步决定厂房的型式、布置及轮廓尺寸，绘出厂区及厂房布置图，进行厂房稳定计算及必要的结构分析，提出厂房工程地质处理措施。
招标设计：对可行性研究中遗留进行必要的修改和补充，落实选定方案工程建设的技术、施工措施，提出较详细的工程图纸和分项工程的工程量，提出施工、制造与安装的工艺技术要求以及永久设备购置清单，编制招标文件。
机电设备：
将水能转变为电能的机电设备称水电站动力设备。其在常规水电站和潮汐电站为水轮机和水轮发电机组成的水轮发电机组，及附属的调速器、油压装置、励磁设备等。抽水蓄能电站的动力设备为由水泵水轮机和水轮发电电动机组成的抽水蓄能机组及其附属的电气、机械设备。水电站的电气装置除水轮发电机及其附属设备外，还包括发电机电压配电设备、升压变压器、高压配电装置和监视、控制、测量、信号和保护性电气设备等。 水电站的总装机容量P由下式计算： P = 9.81QHη
式中 Q——通过水轮机的水流量，m3/s；
H——水电站的水头，m
η——水电站的总效率，一般为0.85~0.86
水轮机：水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。
分类：水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。
蜗壳：蜗壳是蜗壳式引水室的简称，它的外形很像蜗牛壳，故通常简称蜗壳。为保证向导水机构均匀供水，所以蜗壳的断面逐渐减小，同时它可在导水机构前形成必要的环量以减轻导水机构的工作强度。蜗壳应采用适当的尺寸以保证水力损失较小，又可减小厂房的尺寸及降低土建投资。它是用钢筋混凝土或金属制造的闭式布置，可以适应各种水头和容量的要求。蜗壳是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室。 分类：水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。
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