水电站考试复习题

第一部分

一、水力发电的几个要素

1)N ——水电站装机容量或水轮机的功率

2)Q ——通过水轮机的流量

3)H ——水轮机的水头

4)η——水轮机的效率

二、水力发电特点

优点：

1)不耗燃料，成本低廉

2)水火互济，调峰灵活

3)综合利用，多方得益

4)取之不尽，用之不竭

5)环境优美，能源洁净

三、水力发电特点

缺点：

1)受自然条件限制；

2)一次性投资大，移民多，工期长；

3)事故后果严重；

4)大型工程对环境、生态影响较大。

四、我国水电开发有三大特点：

成绩很大。突出表现在以下三方面：

1)水电装机容量跃居世界第一。

2)水电建设技术已具世界水平。

3)初步建立了适应市场经济的、有中国特色的水电开发和建设机制。

五、我国水电开发的困难

制约水电发展的五个问题

①生态环境问题

②上网电价

③法律法规还不健全

④移民问题

⑤地震问题

六、水电站的基本类型

1)按调节能力分成：无调节水电站、有调节水电站

2)按水电站的组成建筑物及特征分为：坝式、河床式、引水式电站

七、坝式水电站其特点：

1)水头取决于坝高。

2)引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利用效益高。

3)投资大，工期长。

4)适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。

八、坝后式水电站特点

1)当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。

2)坝后式水电站一般修建在河流的中上游。

3)库容较大，调节性能好。

如为土坝，可修建河岸式电站。

九、(二)、河床式电站特点

1)一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。

2)适用水头：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。

3)厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水，故厂房也有抗滑稳定问题；

4)厂房高度取决于水头的高低。

5)引用流量大、水头低。

注：厂房本身起挡水作用是河床式电站的主要特征。

十、引水式水电站特点

用引水道集中水头的电站称为引水式水电站

①.水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。

②.引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。

③.电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。

④.适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。

a)无压引水电站

引水建筑物是无压的: 渠道或无压隧洞

主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠(洞)，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，尾水渠。

b)有压引水式电站

引水建筑物是有压的：

主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。

十一、抽水蓄能电站

1)抽水蓄能：系统负荷低时，利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上库(电动机+水泵)，以水的势能形式贮存起来；

2)放水发电：系统负荷高时，将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机)发电，以补充系统中电能的不足。

十二、潮汐电站

1)潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。

2)潮汐发电原理：利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）

的过程。

第二部分

一、水轮机主要类型

1)反击式水轮机(reaction water turbine)

①.定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机

②.特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。

③.反击式水轮机原理

水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，

水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。

一)混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。

①.适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，单机容量：几万kW-几十万kW

②.特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

③.三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。

二)轴流式：

①.特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

②.适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。

轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。

轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。

三)斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

四)贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。H<20m，小型河床电站。

贯流式机组分类

①.全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。

②.半贯流式：

③.灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。

④.轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。

⑤.竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。

2)冲击式水轮机

①.定义：利用水流的动能来做功的水轮机

②.特征：由喷管和转轮组成。

③.原理：水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的

一部分，而不是全部。不适宜调峰运行。

④.适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。

水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。

a)斜击式：由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。

b)双击式：水流两次冲击转轮。

c)斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。

二、水轮机的基本构造

①.反击式水轮机的主要组成部件：

a)进水(引水)部件—蜗壳：使水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮室。

b)导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。

c)转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。

d)泄水部件(尾水管)：回收能量、排水至下游。

②.冲击式水轮机的主要组成部件：喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等组成。

③.尾水管

作用：引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。

三、水轮机的型号及标称直径

反击式水轮机的型号（由三部分组成）

①.HL240 —— LJ —— 410

混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm

②.ZZ440 ——LH —— 430

轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm

冲击式水轮机的型号

③.2CJ30——W—— 120/2×10

转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上装设两个转轮，转轮直径为120cm, 每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。

④.GZ440—WP—750：表示贯流转浆式水轮机，转轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径750cm。

⑤.SJ40—W—50/40：表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径50cm，转轮轴向长度40cm。

⑥.XLN—LJ—300：表示斜流可逆式水泵水轮机，转轮型号200，立轴布置，金属蜗壳，转轮标称直径300cm。

第三部分

一、水轮机的效率

水轮机的能量损失导致N < N s ，效率<1

效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成

1.水力损失(head loss)及水力效率

蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失

旋涡、脱流、撞击——局部损失

水轮机的水力效率为:

2.流量损失及流量效率（容积效率）

水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。

3.机械损失和机械效率

水轮机的输入功率：Ne；输出功率: N=Ne -ΔNm

机械效率：ηm=N/N e

4.水轮机的总效率

η=ηHηVηm

提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。

二、水轮机的最优工况

1.水轮机的最优工况是指η最高的工况。

2.一般情况下，对η起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大。

三、水轮机的空化与空蚀

1.空化及空化压力的概念

①)水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。

②)水在一定压力下加温引起的汽化为沸腾；

③)环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。

④)在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的空化压力(P b)

2.水轮机的空蚀

①.汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。

②.大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏→机械破坏，称为疲劳剥蚀。

③.汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高(可达到300℃)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；

同时由于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。

3.水轮机空蚀定义

汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的空蚀。

4.空蚀造成的危害

①.使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受到破坏。

②.增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。

③.机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。

④.缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。

5.水轮机空蚀类型

①.翼形(叶片)空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。

②.间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生的空蚀。

③.空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的脉动，在尾水管进口处产生空蚀

破坏，还可能造成尾水管振动。

④.局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。

6.防止空蚀的措施

流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。

①.设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。

②.工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。

③.运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。

四、水轮机的调速设备

1.水轮机调节的任务

①.随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。

②.保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过±0.5Hz，大电力系统不超过±0.2Hz。

③.启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。

2.调节流量的途径：

反击式：通过改变导叶开度，ZZ：同时改变叶片转角。

冲击式：通过改变喷嘴开度。

3.水轮机调节的定义：

随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。

4.调节实质：调节转速

水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。

五、水轮机调节系统的组成

1.调速柜主要有以下几个部分组成：

①.测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后输出。

②.放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。

③.执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量

④.反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反馈信号使调节停止。

六、调速器的类型与系列

1.按调速器元件结构分：

①.机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。现在很少使用。

②.电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。目前还有不少电站在使用。

③.微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器，赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。

七、有压进水口的类型和适用条件

1.隧洞式进水口

①.特征：在隧洞进口附近的岩体中开挖竖井，井壁一般要进行衬砌，闸门安置在竖井中，竖井的顶部布置启闭机及操纵室，渐变段之后接隧洞洞身。

②.适用：工程地质条件较好，岩体比较完整，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井的情况

2.墙式进水口

①.特征：

进口段、闸门段和闸门竖井均布置在山体之外，形成一个紧靠在山岩上的单独墙式建筑物，承受水压及山岩压力。要有足够的稳定性和强度。

②.适用：地质条件差，山坡较陡，不易挖井的情况。

3.塔式进水口

①.特征：进口段、闸门段及其一部框架形成一个塔式结构，耸立在水库中，塔顶设操纵平台和启闭机室，用工作桥与岸边或坝顶相连。塔式进水口

可一边或四周进水。

②.适用：当地材料坝、进口处山岩较差、岸坡又比较平缓

4.坝式进水口

①.特征：进水口依附在坝体的上游面上，并与坝内压力管道连接。进口段和闸门段常合二为一，布置紧凑。

②.适用：混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。

八、隧洞布置的总原则

洞线短、弯道少，沿线的工程地质、水文地质条件要好，并便于布置施工平洞。

(1) 地形条件好(2) 地质条件好

(3) 施工条件好(4) 水力条件好

九、第三节压力前池与日调节池

压力前池：压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端，是水电站引水建筑物与压力管道的连接建筑物。

作用：

(1) 平稳水压、平衡水量。(2) 均匀分配流量。(3) 渲泄多余水量。(4) 拦阻污物和泥沙。

十、水电站压力管道

①.作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。

②.特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。

供水方式

①.单元供水：一管一机。不设下阀门。

a)优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管。

b)缺点：造价高。

c)适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内管道和明管道。

②.联合供水：

一根主管，向多台机组供水。设下阀门。

a)优点：造价低

b)缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差

c)适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管。

③.分组供水：

a)设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。

b)适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管。

十一、支墩

类型：滑动式、滚动式、摆动式。

第四部分

一、水电站的不稳定工况

由于负荷变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。

1.引起水轮机流量变化的两种情况

①.水电站正常运行情况下的负荷变化。

担任峰荷或调频任务的电站，水轮机的流量处于不断变化中；正常的开机或停机。

②.水电站事故引起的负荷变化。水电站可能会各种各样的事故，可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。这是水电站水锤计算的控制条件。

2.(二)水电站的不稳定工况表现形式

①.引起机组转速的较大变化

②.在有压引水管道中发生“水锤”现象

二、水锤的危害

①.压强升高过大→水管强度不够而破裂；

②.尾水管中负压过大→尾水管空蚀，水轮机运行时产生振动；

③.压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。

三、调节保证计算任务。

①.计算有压引水系统最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布

置，防止管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；

②.计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。

③.选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。

④.研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。

四、水锤特性

①.水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水锤压力往往较大，而且整个变

化过程是较快的。

②.由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。摩擦阻力的存在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。

③.水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定

于边界处的物理特性。

注：水锤波在管中传播一个来回的时间t r=2L/c，称之为“相”，两个相为一个周期2t r=T。

五、直接水锤和间接水锤

①.直接水锤：如果水轮机调节时间Ts≤2L/c，则水库反射波回到阀门之前开度变化已经结束，阀门处只受开度变化直接引起的水锤波的影响——称

为直接水锤

②.间接水锤：如果水轮机调节时间Ts>2L/c，则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀门处，阀门处的水锤压力由向上游传播的F波和向下游传

播的f波相叠加而成——称为间接水锤。

六、减小水锤压强的措施

①.缩短压力管道的长度

②.减小压力管道中的流速

③.延长机组的有效关闭时间

④.选择合理的调节规律

中低水头电站：最大水锤压强常出现在调节过程终了，水轮机导叶可采取先快后慢的关闭规律，以提高开始阶段的水锤压强，降低终了阶段的水锤值；

七、调压室的功用

①.反射水锤波。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入压力引水道。

②.减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度

③.改善机组在负荷变化时的运行条件。

八、调压室的基本要求

①.尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。

②.应有自由水表面和足够的底面积，以保证水锤波的充分反射；

③.调压室的工作必须是稳定的。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；

④.正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。

⑤.结构安全可靠，施工简单方便，经济合理。

九、研究调压室水位波动的目的：

①.确定调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，以确定调压室的高度、布置高程和引水

道的设计内水压力。

②.根据水位波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面面积。

十、调压室的布置方式和类型

1.调压室的布置方式

①.上游调压室( 引水调压室)

②.下游调压室(尾水调压室)

③.上下游双调压室系统

④.上游双调压室系统

2.调压室的基本类型

①.简单式调压室

②.阻抗式调压室

③.双室式调压室

④.溢流式调压室

⑤.差动式调压室

⑥.气垫式或半气垫式调压室

第五部分

一、水电站厂房的任务

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。

二、水电站厂房的组成及划分

1.从设备布置和运行要求的空间划分

①.主厂房。安装水轮发电机组和各种辅助设备，是水电站厂房的主要组成部分。

②.副厂房。安置各种运行控制和检修管理设备的房间及运行管理人员工作和生活用房。

③.主变压器场。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。

④.开关站。一般布置在户外，装设高压开关、高压母线和保护设施，高压输电线由此将电能输送给电力用户。

主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站及厂区交通等，一般称为厂区枢纽。

2从设备组成的系统划分

①.水流系统。

②.电流系统。

③.电气控制设备系统。

④.机械控制设备系统。

⑤.辅助设备系统。

3、从水电站厂房的结构组成划分

三、水轮发电机

①.悬挂式发电机

推力轴承位于转子上方，支承在上机架上。

②.伞式发电机

推力轴承位于转子下方，设在下机架上

四、发电机的励磁系统

作用：向发电机转子供给形成磁场的直流电源。

有直流电机励磁和可控硅整流励磁两种。

五、发电机的支承结构(机座或机墩)

①.机座作用：将发电机支承在预定位置上，并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。

②.要求：具有足够的强度和刚度，具有良好的抗振性能。

1.常见的机座形式

①.圆筒式机座：

②.框架式机座：

③.块体机座：

④.钢机座：

⑤.平行墙式：

六、发电机的布置型式

①.定子外露式：

②.上机架埋入式

③.定子埋入式

七、主厂房的布置原则

①.尽量靠近厂房，以缩短昂贵的发电机电压母线长度，减小电能损失和故障机会，并满足防火、防爆、

防雷、防水雾和通风冷却的要求，安全可靠；

②.尽量与安装间在同一高程上，便于主变压器的运输、安装和利用轨道推进厂房的安装间进行检修；

③.变压器的运输和高压侧出线要方便，且变压器之间要留必要空间。

④.高程应高于下游最高洪水位，且四周设置排水沟。