水电厂主要构成和原理
一、水力发电基本原理 水力发电基本原理
水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为旋转机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机),随着水轮机的旋转便可发出电来，这时机械能又转变为电能。
水力发电在某种意义上讲是水的势能变成旋转机械能，又变成电能的转换过程。 根据原理可推算出水力发电的出力公式如下： P=9.81ηHQ
P：出力 单位：kW（千瓦）机组机端传出的功率。
H：水头 单位：m（米）作用在水轮机上的有效水头，它等于水库水位与下游水位之差（即：毛水头）减去引水部分水头损失，水头损失△h，据经验，一般为Hg（毛水头）的3%~10%，输水道短取小值。
Q：流量 单位：m3/s（立方米/秒） 水电厂水轮机的引用流量。
η：水轮发电机组效率，包括水轮机的效率和发电机的效率，η不但与水轮机、发电机的类型和参数有关，还会随机组运行工况的改变而改变，不是一个固定值。 为简化计算，令k=9.81η，则可把出力公式简化为： P= kHQ
k：水电站出力系数。大中型水电站k=8.0~8.5；中小型水电站k=6.5~8.0，对小型电厂：k=6.0~6.5。
各国一般把装机容量0.5万kW以下的水电站定为小水电站，0.5万～10万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。
二、水电厂在电力系统中的作用
在电力系统中，发电厂一般有火电厂、水电厂、核电厂、风电场、太阳能电厂等几类。在水力资源贫乏地区，火电厂所占比例较大，而在水力资源丰富且开发程度较高的地区， 水电厂则占有较大的比例，风电场和太阳能属于新能源，最近几年发展比较迅速。 水电厂在电力系统的主要作用有以下几项：
(1)提供电能。是水电厂的主要任务。
(2)调峰。有调节能力的主力水电厂担任。
(3)调频。有水库且调节能力较强的大型机组担任，中国的频率50± 0.2Hz。
(4)调相。具备调相运行能力，可根据电网要求参与系统无功功率平衡。
(5)作为事故备用。由于水轮发电机组具有迅速起动投入并网发电的特点， 当电力系统突然发生事故时，急需补充电量，常把水电厂的机组作为事故备用机组。
(6)蓄能作用。抽水蓄能水电厂低谷时抽水用电储能，在用电高峰时发电向系统供电，满足负荷需要。
水电属于清洁能源，根据水电的特点和在电力系统中的作用，运行方式一般遵循以下原则：
1. 充分利用水能。无调节能力的一般担任基荷运行，主要是径流电厂；有调节能力的枯水期一般参与调峰运行，丰水期为避免弃水一般逐步过渡到基荷运行，调峰任务转交给火电厂。
2. 为降低火电厂煤耗，节约资源，枯水期水电厂参与调峰运行，让火电厂在高效区运行。丰水期则水电厂在基荷运行，火电厂最大限度参与调峰运行，最大限度减少弃水。
3. 合理分配负荷，尽量使水电机组在高效率区运行。水电机组一般避免在低水头、低负荷区运行，在低水头、低负荷区运行时，不但效率低，还有可能会处在振动区运行，影响机组的安全运行和使用寿命。
三、水电站组成部分及作用
水电站一般主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站)四大部分组成。
主要组成部分有：水工建筑物、水力机械设备、发电设备、变电设备、配电设备、输电设备和控制及辅助设备。
1. 水工建筑物的组成 挡水建筑物——坝
泄水建筑物——溢洪道、泄水孔、溢流坝、泄洪洞 闸门——进水闸门、尾水闸门、溢洪道闸门
用水建筑物——水电站进水引水建筑物（渠道或隧洞、压力钢管、进水口）和厂房 2. 水工建筑物的作用
坝的作用：是拦截水流、抬高水位、形成水库，造成上下游之间的水位差，使电站具备水力发电的基本条件。在有调节库容的坝式水电站上，坝同时实现集中河段落差和调节河流中的流量的双重作用，不仅为水电厂服务，同时还有防汛、灌溉、航运、工业给水等作用。
溢洪道、泄水孔的作用：宣泄洪水，防止洪水漫顶，确保大坝安全，故又称泄洪建筑物。有的泄水建筑物还可以用来放空水库或施工导流等。泄水建筑物按泄流方式可分为溢洪道和深式泄水道两类。 闸门的作用：调节流量和控制洪水。闸门可根据它所在的位置的不同分为低水头闸门和高水头闸门。发电用的进水口闸门和底孔闸门属于高水头闸门，溢洪道上的闸门属于低水头闸门。从其结构划分，最常见的有平板闸门和弧形闸门。
尾水闸门主要是设备检修时使用。
用水建筑物的作用：可分为进水和引水建筑物，它包括进水口和引水道，其作用是将坝内的水引到厂房供水轮发电机组使用。
引水道可分为：渠道、隧洞（有压和无压）、压力水管、渡槽和倒虹吸等 一些引水式水电站在引水建筑物上还设有压力前池、调压室或调压井等
主厂房：用来安装水轮发电机组及其辅助设备的厂房，以及组装、检修发电机组的装配场。
副厂房：安装配电设备及其运行管理设施的厂房。副厂房一般包括水电站的运行、控制、试验、管理用房，以及操作人员工作、生活的用房。
1. 水力机械设备的组成 主阀 水轮机 轴 导轴承 尾水管
2.水力机械设备的作用 主阀：（球阀、蝶阀）事故时，紧急切断水流，防止机组飞逸事故发生；机组检修时，切断水流；长时间停机时，关闭蝶阀，减少漏水量，节约水资源。
水轮机：按安装方式可分为立式、卧式；按水流能量转换的特征，可分为反击式（利用水流体的动能和势能 ）和冲击式（仅利用水流的动能 ）。
反击式：轴流式（定浆：H：3~50m，转浆：H：3~80m）、混流式（H=30~700 m ）、斜流式（H=40~200m）、贯流式（2～30m） 。
冲击式：适用于高水头、小流量的小型机组，水斗式水轮机（切击式）（40~2000m，一般常用水头范围40~800m）、斜击式水轮机（50~400m）、双击式水轮机（6~150m）。
水轮机的组成部分及作用
蜗壳：形成水力环量。
座环：承受机组全部重量。
底环及顶盖：固定活动导叶并形成转轮室。
转轮：水能转换成旋转机械能。
活动导叶：控制水流量，达到调节转速和出力的目的。
轴：传递机械能。
导轴承：承受径向水推力和控制摆度。
尾水管：回收能量并导出水流。
（三）、发电机的组成部分及作用
1.发电机主要组成部分
定子、转子、推力轴承、导轴承、轴、机架、冷却器、制动器。
2.发电机主要组成部分的作用
定子：产生感应电势。
转子：产生旋转磁场。
推力轴承：承受轴向水推力及机组转动部件自重。
导轴承：承受径向水推力和控制摆度。
轴：传递机械能。
上机架：安装推力轴承、上导轴承、集电环等。
下机架：安装下导轴承、制动器。
冷却器：轴承冷却器用于冷却轴承，空气冷却器用于冷却发电机。
制动器：停机时制动发电机，防止长时间低速旋转损坏推力轴承。 （四）、变电设备的组成部分及作用 1.变电设备组成
油浸式变压器：底座、钟罩、油枕、铁芯、绕组及散热装置等。 干式变压器：铁芯、绕组、箱体及散热装置等。 2.变电设备的作用
变压器：升高交流电压或降低交流电压。 1. 配电设备主要有：断路器（开关）、隔离开关（闸刀）、互感器、避雷器、母线、导线等。
2.配电设备的作用 断路器（开关）：关合、承载、开断运行回路正常电流、过载电流。 隔离开关（闸刀）：合闸时承载正常回路电流、过载电流，分闸时符合绝缘距离和有明显断开标志。 （五）、配电设备的组成及作用 电压互感器（PT）：把高电压降为标准电压，供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电压为100V。
电流互感器（CT）：把大电流降为标准电流，供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电流为5A或1A。
避雷器：限制过电压以保护电气设备。 母线：汇集、分配和传送电能。
导线：传送电能。 （六）、输电设备的组成及作用 1. 输电设备的组成
线路、铁塔（电杆）、避雷线等。 2.输电设备的作用 线路：传送电能。 铁塔（电杆）：固定导线和避雷线。 避雷线：保护架空输电线路 （七）、控制设备的组成及作用 1. 控制设备主要有：
励磁装置、调速装置、继电保护、同期装置、自动装置、计算机监控系统、直流系统等。
2. 控制设备的作用
励磁装置：为发电机转子提供直流电建立磁场，控制发电机机端电压或调整机组无功功率。
调速装置：控制机组转速或调整机组有功功率。
继电保护：监视电力系统的正常运行，当被保护的元件发生故障时，自动迅速地、有选择地发出跳闸命令，将故障设备从系统中切除，保证正常设备继续运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全、连续供电。
同期装置：不同电源间的同期并网。类型：自同期、准同期（自动准同期、手动准同期、灯光熄灭准同期）。
自动装置：完成一定功能的自动装置。类型：重合闸装置、低周启动装置、高周切机装置。
计算机监控系统：通过对电站各种设备信息进行采集、处理，实现自动监视、控制、调节、保护等功能，保证设备安全稳定运行，按电力系统要求进行优化运行，合理充分利用水能，保证电能质量，减少运行与维护成本，改善运行条件，实现无人值班或少人值守。硬件组成有：工作站、服务器、网络设备、GPS时钟、UPS电源、现地LCU、数据采集设备及通信设备等。
直流系统：为开关设备的操作、二次设备提供可靠能源。 直流系统组成：蓄电池、充电装置、配电装置。
（八）、辅助设备的组成及作用
1.水电厂辅助设备的组成：
水系统：技术供水、渗漏排水、检修排水。
油系统：绝缘油、润滑油。
气系统：高压气、中压气、低压气。
2.水电厂辅助设备的作用
技术供水系统：
主要对象：发电机空气冷却器、发电机推力轴瓦及导轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器、主轴密封、水冷式变压器、水冷式空气压缩机、深井泵润滑水、消防用水等。
技术供水水源：上游水库（压力钢管或蜗壳、坝前取水）、下游水库、地下水源等。
技术供水的方式：自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。
排水系统：防止厂房内部积水和潮湿，保证机组过流部件和厂房水下部分的检修。包括：生产用水的排水、检修排水、渗漏排水、厂区排水。
油系统：
润滑油：透平油、空气压缩机油、机械油及润滑脂等。
润滑油的作用：润滑、散热、传递能量。
绝缘油：变压器油、电缆油、开关油。
绝缘油的作用：绝缘、散热、消弧。
气系统：
高压气系统：供油压装置压力油罐补气。
中压气系统：水导轴承检修密封围带、蝴蝶阀止水围带。
低压气系统：机组停机制动、调相压水、风动工具、吹扫用气。
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