可再生能源概論左然第七章 小水電和潮汐能課件

第七章小水電和潮汐能水力發(fā)電是一種最經濟的能源，是一種永不枯竭的能源。水電的利用早已受到人們的重視。但人們也逐漸意識到大中型水電站對環(huán)境的很多負面影響。中國擁有的水力資源居世界首位，但只開發(fā)利用了一小部分。小水電站，潮汐能水電站，抽水蓄能水電站其原理都是利用天然水位落差的勢能這一可再生能源，有利于保護和改善環(huán)境。水電站示意圖1.水庫2.壓力水管3.水電站廠房4.水輪發(fā)電機組5.尾水渠道7.2小型水電站類型和建站型式

7.2.1小型水電站類型堤壩式水電站堤壩式水電站:在河道上修建攔河壩（或閘），抬高上游水位以集中落差，并形成水庫調節(jié)流量。用輸水管或隧洞把水庫里的水引至廠房，通過水輪發(fā)電機組發(fā)電。根據水電站廠房的位置，分為:河床式、壩后式。圖7-2河床式水電站圖7-3壩后式水電站

2．引水式水電站引水式水電站:在山區(qū)河道上修建水電站時，由于河流陡峻、水流湍急，有些地方還有較大的跌水和河灣，往往經濟地建一引水低壩或閘，采用引水渠道來集中河段的自然落差，形成電站水頭。3．混合式水電站混合式水電站其落差是由攔河壩抬高水頭和引水集中落差兩方面獲得，具有堤壩式水電站和引水式水電站的特點。圖7-5混合式水電站

7.2.2常見的幾種建站型式利用天然瀑布。

利用灌溉渠道上下游水位的落差修建水電站。利用河流急灘或天然跌水修建水電站。利用河流的彎道修建水電站。跨河引水發(fā)電。利用高山湖泊發(fā)電。7.3水電站水工建筑物水電站的水工建筑物包括攔河壩、閘、引水渠道、壓力前池、壓力水管及廠房、尾水渠道等。7.3.1廠房

廠房是水電站的關鍵，需考慮水電站樞紐布置、水頭、流量、進水方式、機組型號、臺數和傳動方式、地形、地質和水文條件等。

根據水輪機型號，小水電站廠房布置分為：臥軸沖擊式水輪機廠房。適用于高水頭、小流量的引水式或混合式水電站。水流經過壓力水管進入水輪機。臥軸混流式水輪機廠房。適用于中水頭引水式、壩后式或混合式水電站。軸流定槳式水輪機廠房。適用于低水頭引水式電站。立輪混流式水輪機廠房。適用于中水頭水電站。。貫流式水輪發(fā)電機廠房。適用于低水頭、大流量河床式水電站。7.3.2廠房外的建筑物攔河壩引水口及進水閘引水渠道（隧洞、渠道、管道）前池壓力水管其它建筑物7.4水輪機的工作參數及類型7.4.1水輪機的基本工作參數水輪機的工作參數是表明水輪機的性能和特點的一些數據，主要有水頭、流量、出力、效率、轉速等。水頭工作水頭:是指水輪機進口與出口斷面處的水流總比能差，即進、出口兩個斷面單位重量液體的機械能之差。

常遇到的水輪機工作水頭有：最大水頭—是由水輪機轉輪性能所決定的，允許水輪機運行的最高工作水頭。最小水頭—是由水輪機轉輪性能所決定的，能保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小工作水頭。設計水頭—是水輪機按額定轉速運行時，保證水輪機發(fā)出額定出力所必需的最低水頭。流量單位時間內通過水輪機的水量稱為流量，它從水量的角度反映了水輪機利用水流能量的能力。工作水頭和流量是水力發(fā)電的兩要素，沒有水頭和流量，就沒有水力發(fā)電。出力 出力：在單位時間內，水輪機主軸輸出的功（功率），一般用表示P。 鉻牌出力：水輪機的額定出力，即，是在設計水頭、設計流量和額定轉速下，水輪機主軸所輸出的功率。計算公式為：

式中：—水輪機的效率。

效率水輪機軸輸出的功率與輸入水輪機的水流功率之比，用表示。

水輪機效率的高低，反映出水輪機性能的好壞，同時也是水輪機的設計水平與制造質量的重要指標之一。水輪機的效率一般在80%，最高效率可達到94%。轉速額定轉速：水輪機在一定水頭下，其轉輪直徑有一個效率最高的轉速，通常以這個轉速來選配發(fā)電機的轉速。飛逸轉速：指當水輪機丟棄全部負荷，而調速系統又失靈時，機組所能達到的最大轉速。7.4.2水輪機的類型按水流對水輪機轉輪作用方式分：反擊式水輪機沖擊式水輪機型號的第一部分，由水輪機型式及轉輪型號組成。型號的第二部分，由水輪機主軸的布置形式和引水室特征的代號組成。型號的第三部分，由水輪機轉輪標稱直徑（以厘米表示）或其他必要的指標組成

7.5水輪機的工作原理7.5.1反擊式水輪機反擊式水輪機主要是利用水流的壓能（一小部分為水流動能）作功。水流通過轉輪葉片時，因葉片的作用，水流改變了壓力、流速，從而對葉片產生了反作用力，形成旋轉力矩，使轉輪旋轉。反擊式水輪機按水流經過轉輪的方向不同，分為軸流式、混流式和貫流式三種。圖7-8混流式水輪機：(a)示意圖；(b)內部結構圖圖7-9有壓明槽引水室

圖7-10金屬蝸殼導水機構（導葉）導水機構（導葉）主要作用是當機組出力發(fā)生變化時，用來調節(jié)流量。正常與事故停機時，用來截斷水流。工作機構（轉輪）轉輪是水輪機的核心部件，轉輪對水輪機的性能起著決定性的作用。圖7-11、7-12繪出了軸流式和混流式水輪機的二種轉輪示意圖。圖7-11軸流式轉輪

圖7-12混流式轉輪泄水機構（尾水管）軸流式和混流式水輪機均裝有尾水管（圖7-13），其作用是把流經水輪機的水流平穩(wěn)地引至下游，同時使水輪機多利用一部分水頭和水流動能。圖7-13尾水管作用示意圖圖7-14.斜流式水輪機：(a)示意圖；(b)結構圖圖7-15燈泡貫流式水輪機：(a)示意圖；(b)內部結構圖圖7-16軸伸貫流式水輪機

7.5.2沖擊式水輪機沖擊式水輪機是利用水流的動能，推動水輪機轉輪旋轉作功的。沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式分為：水斗式、斜擊式和雙擊式三種機型。

與反擊式水輪機相比，沖擊式水輪機中的水流是以射流的形式沖擊作用轉輪的，從而使轉輪輸出機械力矩。水斗式水輪機水斗式水輪機應用最為廣泛，是沖擊式水輪機中最具代表性的機型（圖7-17）。圖7-17水斗式水輪機：(a)原理圖；(b)構造圖斜擊式水輪機斜擊式水輪機適用水頭在30~120m、出力在600kW以下。它的水頭使用范圍一部分和混流式水輪機相接，另一部分與水斗式水輪機相接。斜擊式水輪機最高效率比混流式和水斗式都低，但是在合適的水頭和出力范圍內，有較好的技術經濟指標。斜擊式水輪機除轉輪和射流沖擊轉輪的方向與水斗式水輪機不一樣外，其它結構與水斗式一樣（圖7-18）。

圖7-18斜擊式與水斗式水輪機斗葉對比：（a）水斗式；（b）斜擊式雙擊式水輪機雙擊式水輪機工作時，噴嘴將壓力水管的高速水流噴射到轉輪上部葉片，對葉片進行第一次沖擊，大約的水能轉換為機械能。然后水流穿過轉輪中心，進入轉輪下部，再對下部葉片進行第二次沖擊，剩下的水流能量再轉化為機械能，最后水流從轉輪下部葉片流出外圓柱面落入尾水渠中?！半p擊”表示水流二次流經葉片，因此這種水輪機叫雙擊式水輪機（圖7-19）。

圖7-19雙擊式水輪機7.6潮汐電站海洋潮汐是海面受太陽和月亮吸引所引發(fā)的周期性流動所產生的水面升降現象。潮汐中蘊藏著巨大的能量，利用海洋中的潮汐來發(fā)電是海洋能利用的一種形式。潮汐電站一般需要有地形和地質優(yōu)良的海灣，在海灣入口處建堤壩﹑廠房和水閘﹐與海隔開﹐形成水庫﹐利用漲落潮時內水位和海水之間的水位差﹐引水經廠房內的水輪發(fā)電機組發(fā)電。利用海潮漲落形成的潮汐能發(fā)電的水電站如圖7-20所示。圖7-20潮汐電站示意圖潮汐電站的優(yōu)點是﹕（1）潮汐能為清潔、可再生能源，可以經久不息地利用（2）雖然有周期性間歇﹐但具有準確的規(guī)律﹐可用電子計算機預報﹐有計劃地納入電網運行（3）一般離用電中心近﹐不必遠距離送電（4）無淹沒損失﹑移民等問題（5）水庫內可發(fā)展水產養(yǎng)殖﹑圍墾和旅游綜合效益潮汐電站也有以下缺點﹕（1）發(fā)電有間歇性，這種間歇性周期變化又和日夜周期不一致（2）潮汐屬于低水頭，故發(fā)電效率不高（3）由于涉及大量海工建筑，單位千瓦的造價較常規(guī)水電站高。7.6.1我國的潮汐和潮汐資源開發(fā)概況全世界潮汐電站可開發(fā)的總容量達10～11億kW﹐年發(fā)電量約12400億kW?h。中國潮汐電站的蘊藏量據1985年普查為2158萬kW﹐發(fā)電量約619億kW?h。我國海域遼闊，海岸線漫長，渤海、黃海、東海、南海諸海的海岸線從遼寧的鴨綠江口延伸到廣西的北侖河口，全長18000余公里。而且海岸線迂回曲折，港灣櫛比，潮汐河流眾多，潮汐資源的蘊藏量極為豐富。據初步統計，我國沿海潮汐資源可開發(fā)的裝機容量約2100萬千瓦，年發(fā)電量約600億度。其中華東地區(qū)浙江、福建兩省和上海市的資源最為豐富，約占全國總資源的90%以上。7.6.2潮汐能利用的特點潮汐能的循環(huán)性 與常規(guī)水能一樣，是可靠再生的一次能源，取之不盡，用之不竭。發(fā)電的間歇性 潮汐電站的出力雖然在年內和年際之間變化比較均勻，但由于電站是利用潮汐在一日內的漲落形成的水頭來發(fā)電的，因此電站在一日內的出力變化就很不均勻，而且不能調節(jié)。電站的經濟性 潮汐發(fā)電是一種低水頭大流量發(fā)電形式。投資雖然貴但是由于潮汐電站沒有水庫淹沒問題，當它的開發(fā)與綜合利用結合得較好時，其建設的經濟性可望提高。綜合利用潮汐電站建于沿海的海灣或河口，沒有河川水電站的水庫淹沒及遷移人口等問題，且可結合海涂圍墾，增加農田。潮汐電站的水庫還為水產養(yǎng)殖改善了條件。堤壩可結合運輸修建，以改善交通情況。潮汐電站美化了環(huán)境，有利于發(fā)展旅游事業(yè)。7.6.3潮汐電站的幾種類型 潮汐能利用一般可分為兩種型式。一是利用潮汐的動能.二是利用潮汐的位能.

利用潮汐的動能比較困難，效率又低，所以潮汐發(fā)電多采用后一種形式，即利用潮汐的位能。按照不同情況，利用潮汐位能發(fā)電的電站可分為：單庫單向電站（圖7-21），單庫雙向電站（圖7-22），雙庫連續(xù)發(fā)電電站（圖7-23）。圖7-21單庫單向發(fā)電圖7-22單庫雙向發(fā)電圖7-23雙庫連續(xù)發(fā)電7.6.4潮汐電站實例——江廈潮汐電站江廈潮汐電站位于浙江省溫嶺縣樂清灣的東北角。樂清灣是我國東南沿海一個封閉性較好的海灣，總面積達250平方公里。據初步估算，整個樂清灣的潮汐資源約有60萬，而江廈電站水庫只是樂清灣的一小部分。江廈電站壩址處的潮差條件很好，平均潮差5.08米，最大潮差8.39米，與著名的錢塘江最大潮差相當，潮汐基本上屬于半日潮。電站采用單庫雙向的開發(fā)方式，電站水庫面積約5平方公里。樞紐建筑物由堤壩、廠房、水閘等組成（圖7-24）。電站裝機容量設計為3000，安裝六臺500雙向貫流燈泡式機組。年發(fā)電量為1000萬度。

圖7-24江廈潮汐電站樞紐簡圖

江廈電站是科學試驗電站，主要研究潮汐能的特點，海工建筑物的技術問題，潮汐發(fā)電機組的研制以及綜合利用等問題。通過電站的建設，在電站規(guī)劃設計、建筑物施工、機組制造及防腐防污、電站運行等方面積累了寶貴的經驗，推動潮汐能科研工作的開展。7.7抽水蓄能電站作為現代化的電力系統，應該有相當規(guī)模的水力發(fā)電容量來承擔電網的負荷調節(jié)。其中抽水蓄能是最經濟和運用方便的手段。目前能夠擔任調峰的設備有調峰火電機組、燃氣輪機組、內燃機組和抽水蓄能機組等，其中抽水蓄能機組具有獨特的工作方式，是一種行之有效的蓄能裝置。抽水蓄能機組具有水電設備起停快速和調節(jié)靈活的優(yōu)點，能很有效地應付負荷的變化。7.7.1抽水蓄能電站的工作原理抽水蓄能電站利用可以兼具水泵和水輪機兩種工作方式的蓄能機組，在電力負荷出現低谷時（夜間）做水泵運行，用基荷火電機組發(fā)出的多余電能將下水庫的水抽到上水庫貯存起來，在電力負荷出現高峰時作水輪機運行，將水放下來發(fā)電。如圖7-25所示。

抽水蓄級機組可以和常規(guī)水電機組安裝在一座電站內，這樣的電站既有電網調節(jié)作用又有徑流發(fā)電作用，稱為常蓄結合或混合式電站。若蓄能電站是專為電網調節(jié)修建的，與徑流發(fā)電無關，則稱為純抽水蓄級電站。抽水蓄能機組也可以擔負調相任務，在事故備用（包括旋轉備用）方面更具有優(yōu)勢。圖7-26電力系統負荷變化圖

圖7-26表示一個電力系統在24小時內電力負荷的實際變化規(guī)律，這種圖形稱為日負荷圖。從圖上可以看出，每天夜間是負荷的低谷階段，上午負荷上升，到午后達到頂點，到晚間又逐漸下降，回到最低處。7.7.2抽水蓄能電站的類型按建設類型分：裝有常規(guī)水輪發(fā)電和抽水蓄能兩種機組的水電站稱為混合式抽水蓄能電站，或稱常蓄結合水電站。電站的電能構成一部分為天然徑流發(fā)電，一部分為抽水蓄能發(fā)電。按調節(jié)規(guī)律分：如抽水蓄能電站在夜間和午間系統負荷低谷時抽水，白天負荷高峰發(fā)電，每天都按此規(guī)律操作，則稱為日調節(jié)電站。7.7.3抽水蓄能電站的機組型式 國外早期的抽水蓄能電站使用的是單獨的水泵機組和水輪機，即水泵配以電動機，水輪機配以發(fā)電機，形成四機式機組。由于抽水和發(fā)電使用不同的電機，投資顯然要大。后來隨技術進步，一臺電機可以兼做電動機及發(fā)電機使用，四機式機組應用得就很少了。近代有少數水電站因裝機容量有裕度，加裝大型水泵在負荷低谷時將水抽回水庫以增加總的調峰發(fā)電量，也是四機式裝置的一種方式，如我國白山水電站的5臺300MW的水輪發(fā)電機組已運行多年后，現在準備增裝2臺150MW的大型離心泵。7.7.4抽水蓄能電站的組成部分 抽水蓄能電站由上下水庫、引水系統（高壓部分）、引水系統（低壓部分）、電站廠房等組成。7.7.5抽水蓄能電站在電力系統中的作用抽水蓄能機組是水電機組，起動快速，適用負荷范圍廣，在電力系統中能很好地替代火電機組擔任調峰作用。作為水電機組，抽水蓄能機組有很強的負荷跟隨能力，在電網中可起調頻作用。抽水蓄能電站在電力系統中擔任調峰、調頻、調相、事故備用和吸收多余電能等作用，已成為現代電力系統構成中不可