机械工业出版社

1. 第7章 水能、小水力发电与控制技术 机械工业出版社

2. 机械工业出版社

3. 主要内容 7.1 水能及水力资源的特点 7.2 水力发电 7.3 小水轮发电机组的构成及工作原理 7.4 小水电的新技术及其应用 7.5 小水电站的计算机监控与SCADA系统 7.6 小水力发电的经济技术性评价 机械工业出版社

4. 小型水力发电机 机械工业出版社

5. 水电站 机械工业出版社

6. 水电站 机械工业出版社

7. 自然界中的水体在流动过程中产生的能量，称为水能。水能的重要应用就是水力发电。自然界中的水体在流动过程中产生的能量，称为水能。水能的重要应用就是水力发电。 水力发电是利用河流、湖泊中的水在流经不同高度地形时产生的能量来发电，是由水轮发电机组中的水轮机和发电机实现水的位能向机械能再向电能的二次转换。 水轮发电机组主要由水轮机和发电机组成，水轮机的种类很多，不同种类的水轮机在小水电中均有应用。水轮发电机主要是同步发电机。 机械工业出版社

8. 小水电的新技术重点：水轮发电机组的控制 水轮发电机组的控制：频率及功率控制为主 水轮发电机组并网：准同步并网和自同步并网实现自动并网， 其中以准同步并网为主 电网的无功功率补偿：由各种无功功率补偿器完成 小型水电站的自动监测、控制和保护 计算机监控系统： 水电站的现场监控及远程监控 监控与数据采集系统（SCADA系统）可实现水力发电与调度的完全自动化。 机械工业出版社

9. 7.1 水能及水力资源的特点 7.1.1 水能及水力资源 水能:自然界中的水体在流动过程中产生的能量 水能包括位能、压能和动能三种形式 广义的水能：河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋热能 狭义的水能：河流水能，即河流、湖泊等位于高处的水流 至低处时所具有的位能 全世界技术上可开发的水能资源约15万亿kW•h。 机械工业出版社

10. 水能资源，亦称水力资源。 理论蕴藏量 水能资源分3级统计 技术可开发资源 经济可开发资源 根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资源，潮汐能资源占小部分，波浪能利用尚处于试验阶段。 机械工业出版社

11. 7.1.2 水力资源的特点 我国水力资源的特点主要有以下几点: １)．水力资源总量较多，但开发利用率低 ２)．水力资源地区分布不均，与经济发展不匹配 ３)．大多数河流年内、年际径流分布不均 ４)．水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送 机械工业出版社

12. 7.2水力发电 水能的主要应用是水力发电。 水力发电是利用河流在流经不同高度地形时产生的能量来发电: 当位于高处具有位能的水流至低处冲击水轮机时，将其中所含有的位能转换成水轮机的动能，再由水轮机作为原动机推动发电机发电。 因此水力发电在某种意义上讲是水的位能变成机械能，又 变成电能的“转换过程”。 机械工业出版社

13. 水能的大小取决于两个因素： 河流中水的流量和水从多高的地方流下来（水头） 水的流量：指单位时间内水流通过河流（或水工建筑物）过水断面的体积，一般用立方米/秒（m³/s）和升/秒（l/s）来表示。 水头：用来表示发电站的发电机到水坝的水平面的高度（m）。 可利用的水量和一年中不同的流量决定了水力发电站一年的发电量是不同的。 机械工业出版社

14. 水力发电机发出的电能称为发电机的出力。 其计算公式为 （7－1） 式中P——发电机的输出功率（kW）； Q——流量（m³/s），单位时间内流过水轮机水的体积； H——水头（m），水轮机做功用的有效水头，为水轮机 进出口断面的总水位差； η——电厂的效率（包括水轮机和发电机的总效率）； 9.81——流速和水头转换为kW•h的一个常数。 机械工业出版社

15. 对于小型水电站，水力发电机的出力近似为 （7－2） 年发电量的公式为 （7－3） 式中E——年发电量（kW•h）； ——平均出力（kW）； T——年利用小时数（h） 机械工业出版社

16. 7.2.1 水电站的分类 水电站的分类方式有很多种，主要有以下几种方法： ①按照水源的性质――可分为常规水电站和抽水蓄能电站。 ②按水电站集中水头的手段――可分为堤坝式、引水式和混合式 水电站三种基本类型。 ③按水电站利用水头的大小――可分为高水头（70m以上）、 中水头（15～70m）和低水头（低于15m）三种水电站。 ④按水电站装机容量的大小――可分为大型水电站（装机容量在30万kW或以上）、中型水电站（5 ～30万kW）和小型水电站（5万kW以下）。 ⑤按照水库的调节性能――可分为具有调节水量的调节水库水电站 和无水库调节能力的径流式水电站。 机械工业出版社

17. 7.2.2 水电站的组成 1．典型水电站的组成 水力发电一般是通过集中水头，用人工的方式引导水流以高速度冲击水轮机，带动发电机发电，因此典型的水电站由以下几部分组成： （1）水工建筑物　包括大坝、引水建筑物和泄水建筑物等。 （2）水轮发电机组　水轮机、发电机、主轴及控制系统等组成。 （3）厂房　生产发电、输电和生活的建筑。 （4）变电所　主要包括变压器、各种开关控制设备等。 （5）输电线　输送电到变电站和终端用户的线路。 机械工业出版社

18. 图7－1、图7－2分别为水电站的大坝和水电站发电机房的照片图7－1、图7－2分别为水电站的大坝和水电站发电机房的照片 图7－1 水电站的大坝 图7－2 水电站发电机房 机械工业出版社

19. 图7－3为水力发电站发电原理示意图 图7－3 水力发电站发电原理示意图 1－挡河大坝 2－打开导管的阀门 3－水轮机的叶轮 4－发电机 机械工业出版社

20. 2．常规水电站的组成 常规水电站一般由水库、水坝、引水隧道、发电设备、开关场和输电设备等组成。 图7－4为常规水力发电流程图 图7－4 常规水力发电流程图 机械工业出版社

21. 3．抽水蓄能电站的组成 图7－5为抽水蓄能水力发电流程图。抽水蓄能电站由上池和上池坝、下池和下池坝、引水隧道、尾水路、发电设备、变压器、开关场及输电设备等组成。 抽水蓄能发电为目前实现负载管理、调节系统用电高峰和低谷时电量的最佳方式。 图7－5 抽水蓄能水力发电流程图 机械工业出版社

22. 7.2.3 小水电 1．小水电的定义 小水电是指装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。因此，小水电也包括小小型(容量在101～500kW)和微型(小于100kW)水电站。 2．小水电的特点 1）小水电环境影响远小于大型水电站； 2）小水电开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电； 3）小水电可与灌溉、养殖、防洪、航运、旅游等有机结合， 同时受公益事业制约； 4）小水电站的电力生产规模小，单位装机容量成本较高； 5）小水电站存在着丰枯矛盾。 机械工业出版社

23. 3．小水电的类型 水电站根据其集中水头的方式来分类: 河床式 堤坝式(包括河床式、坝后式和岸式 坝后式 引水式 岸式 混合式 我国的小水电站目前多半为引水式，一般采用梯级开发。 机械工业出版社

24. 4．小型水电站的组成 小型水电站主要由及四大部分组成： 挡水建筑物（坝） 泄洪建筑物（溢洪道或闸） 组成 引水建筑物（引水渠或隧洞，包括调压井） 电站厂房（包括发电设备、尾水渠、升压站） 机械工业出版社

25. 7.3 小水轮发电机组的构成及工作原理 1．水轮发电机组的构成 水轮发电机组是实现水的位能转化为电能的能量转换装置。 水轮机 水轮发电机 调速器 一般组成： 励磁系统 冷却系统 电站控制设备 机械工业出版社

26. （1）水轮机 常用的水轮机有冲击式和反击式两种。 （2）水轮发电机 水轮发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，水轮发电机组的安装型式上有立式和卧式两种。 （3）调速和控制装置（包括调速器和油压装置） 作用是调节水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电 要求，并实现机组操作(开机、停机、变速、增、减负荷) 及安全经济运行。 （4）励磁系统　 通过对直流励磁系统的控制可实现电能的调压、有功功 率和无功功率的调节。 机械工业出版社

27. （5）冷却系统 小型水轮发电机的冷却主要采用空气冷却，大容量水轮发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。 （6）电站控制设备 电站控制设备目前主要以微机为主，实现水力发电机的并网、调压、调频、功率因数的调节、保护和通信等功能。 （7）制动装置 额定容量超过一定值的水轮发电机均设有制动装置。 机械工业出版社

28. 2．水轮发电机组的工作原理 水轮发电机组的能量转换过程分为二个阶段： 水轮机在水流的冲击作用下开始旋转，将水的位能转换为 机械能。 发电机将水轮机的机械能转换为电能：水轮机带动同轴相连的水轮发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线产生感应电动势，输出电能实现能量的转换。 所以水轮机和发电机是水轮发电机组中最关键的两个部件。 机械工业出版社

29. 7.3.1 水轮机 水轮机是水涡轮机的简称。 水轮机是根据水的流量和水头大小进行设计和制造的， 作用是将水能转变为机械能，并带动水轮发电机发电。 水轮机的本体由转轮、座环、蜗壳和主轴等组成。除此以外，根据型号的不同，还配有附属装置和部件。不同型式的水轮机，其结构和适用范围不甚相同。 机械工业出版社

30. 1.水轮机的主要工作参数 1)水轮机的基本工作参数 水轮机的基本工作参数有水头、流量、转速、出力和效率。 水轮机水头：指水轮机进口断面与其出口断面的单位重量水流 能量的差值，用H表示，单位为m。 水轮机流量：指单位时间内通过水轮机过水断面的水流体积， 单价为m³/s，通常用Q来表示，即 Q=Av （7－4） 式中A——水轮机的过水断面的面积，单位m²； v——过水断面平均流速，单位为m/s 。 机械工业出版社

31. 水轮机的转速：指水轮机主轴每分钟旋转的转数(r/min)， 水轮机的出力：指水轮机轴端输出的功率，其表达式为 Ps=9.81QH （7－5） 式中Ps——水轮机轴端输出的功率(kW)。 水轮机效率：指水轮机出力与水流出力之比，其表达式为 （7－6） 式中ηs——水轮机的效率； Pi ——水流输入水轮机的功率（kW）。 机械工业出版社

32. 2) 水轮机的比转速 水轮机比转速的的定义为：几何相似的水轮机，当水头为1m、输出的机械功率为1kW时的转速称为水轮机比转速。 水轮机比转速的计算公式为 （7－7） 式中ns——水轮机的比转速； n——水轮机的转速（r/min）。 机械工业出版社

33. 2. 水轮机的分类 水轮机按照工作原理可分为: 冲击式水轮机 --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。 --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发生变化，主要是压力能的转换。 反击式水轮机 1)．冲击式水轮机 冲击式水轮机根据水流喷射条件和转轮结构的不同，可分为 水斗式、斜击式、双击式三种，其中以前两种为主。 机械工业出版社

34. （1）水斗式水轮机 水斗式水轮机又称培尔顿( Petion)水轮机，如图7－6所示。 a） b） 图7－6水斗式水轮机 a）水斗式水轮发电机组b）双喷嘴水斗式水轮机转轮 机械工业出版社

35. 水斗式水轮机 从喷嘴喷出来的射流沿转轮圆周切线方向射向双U型的水斗中部，然后在水斗中转向两侧排出，领先压力水，通过喷嘴形成一股强有力的高速射流射出，冲击转轮上的水斗使其旋转，实现水能向机械能的转换。 c）水斗式水轮机工作原理示意图 1－转轮室 2—水轮机叶片 3—射流制动器 4—折向器 机械工业出版社

36. （2）斜击式水轮机 斜击式水轮机中的结构与水斗式水轮机基本相同，只是 射流方向有一个倾角。如图7－7所示。 a） b） 图7－7 斜击式水轮机 a）斜击式水轮发电机组　b）斜击式水轮机转轮 机械工业出版社

37. 斜击式水轮机 喷嘴与转轮平面成大约22.5º的角度，射流倾斜于转轮轴线，从进口平面一侧射向叶片，通过叶片后从另一侧排出。 c）斜击式水轮机转轮结构 1－射流 2—喷嘴 3—转轮 4—斗叶 图7－7 斜击式水轮机 机械工业出版社

38. （3）双击式水轮机 　 双击式水轮机喷嘴中的水流首先从转轮外周进入叶片流道，其中大部分（70%～80%）水流的能量转变成转轮的机械能，然后离开流道穿过转轮中心部分的自由空间，第二次从内周进入叶片流道，剩余（20%～30%）的水流能量再转变为转轮的机械能，最后水流从转轮外周流出。 机械工业出版社

39. 2）反击式水轮机 反击式水轮机根据水轮机转轮内水流的特点和水轮机结构上的特点，可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。 在反击式水轮机中，由于水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下其转轮直径小于冲击式水轮机，其最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率将受到不同程度的影响。 机械工业出版社

40. （1）混流式水轮机 混流式水轮机又称为弗朗西斯水轮机。如图7－8所示。 a） b） 图7－8 混流式水轮机 a）混流式水轮发电机组b）混流式水轮机转轮 机械工业出版社

41. 混流式水轮机 水流径向进入导水机构，轴向流出转轮，带动转轮转动。 图7－8 混流式水轮机 c）混流式水轮机工作原理示意图 1－导叶 2—转轮 3—水轮机轴 机械工业出版社

42. （2）轴流式水轮机 轴流式水轮机又可分为转桨式和定桨式水轮机。 图7－9为轴流式水轮机。 a） b） 图7－9 轴流式水轮机 a）轴流式水轮发电机组b）轴流式水轮机转轮 机械工业出版社

43. 轴流式水轮机 图7－9 轴流式水轮机 c）轴流式水轮机导水机构d）轴流式水轮机工作原理示意图 1—导叶 2—轮叶 3—转毂 在轴流式水轮机中，水流径向进入导水机构中的导叶，轴向进入和流出转轮，带动转轮转动。 机械工业出版社

44. （3）贯流式水轮机 贯流式水轮机可分为全贯流式和半贯流式。贯流式又分为灯 泡式和竖井式，灯泡式如图7－10所示。 a)贯流式水轮发电机组b）灯泡贯流式水轮发电机组剖面图 机械工业出版社

45. c）灯泡贯流式水轮机结构和原理示意图 １－尾水管　２－转轮　３－活动导叶　４－固定导叶 ５－发电机　６－灯泡体 图7－10贯流式水轮机 机械工业出版社

46. （4）斜流式水轮机 斜流式水轮机如图7－11所示 图7－11 斜流式水轮机 a)斜流式水轮机转轮b)斜流式水轮机工作原理示意图 1－导叶 2—轮叶 3—水轮机轴 b) a) 机械工业出版社

47. 7.3.2 水轮同步发电机 小型水轮发电机多数为同步发电机，异步发电机使用较少。 微型水轮发电机有异步发电机、同步发电机、永磁发电机， 其中又分为单相和三相发电机。 同步发电机是交流电机的一种，其运行特点是转子旋转速度和定子旋转磁场的速度严格同步，既电能的频率与转子转速有着严格的不变的关系；同步发电机可通过调节励磁电流来改变功率因数和稳定输出电压，以改善供电质量。 机械工业出版社

48. 1．同步发电机的结构 同步发电机按照转子的结构来分有隐极式和凸极式两种。 2．同步发电机的励磁系统 供给励磁电流的整个系统称为励磁系统 同步发电机的励磁系统主要有两大类： 直流发电机供给直流励磁电流 通过整流装置将交流电流整成直流电流以满足需要 机械工业出版社

49. 3．水轮同步发电机的额定值 （1）额定容量SN发电机出线端额定视在功率，单位：kVA （2）额定功率PN 发电机出线端额定输出的有功功率， 单位： kW （3）额定电压UN 发电机额定运行时定子的线电压， 单位：V或kV （4）额定电流IN 发电机额定运行时定子的线电流，单位：A （5）额定功率因数cosφN 发电机额定运行时的功率因数。 （6）额定效率ηN 发电机额定运行时的效率。 （7）额定频率fN发电机额定运行时定子电流的频率， 单位：Hz。 机械工业出版社

50. （8）额定转速nN发电机额定运行时转子转速，单位：r/min。（8）额定转速nN发电机额定运行时转子转速，单位：r/min。 其中 （7－8） 对于直流励磁系统，还有额定励磁电流IfN（A）、额定励磁电压UfN（V）。 水轮发电机还有飞逸转速、飞轮转矩和短路比等参数： 飞逸转速：是在考虑发电机的结构和强度要求决定的。 飞轮转矩：是发电机转动部分的重量与飞轮直径平方的乘积。 短路比：是发电机在空载额定电压时励磁电流与三相稳态短路额定电流时励磁电流的比值。 机械工业出版社