一、水力發(fā)電基本原理 水力發(fā)電基本原理
水力發(fā)電就是利用水力(具有水頭)推動水力機(jī)械(水輪機(jī))轉(zhuǎn)動，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，如果在水輪機(jī)上接上另一種機(jī)械(發(fā)電機(jī)),隨著水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)便可發(fā)出電來，這時機(jī)械能又轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?nbsp;
水力發(fā)電在某種意義上講是水的勢能變成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，又變成電能的轉(zhuǎn)換過程。 根據(jù)原理可推算出水力發(fā)電的出力公式如下： P=9.81ηHQ
P：出力 單位：kW（千瓦）機(jī)組機(jī)端傳出的功率。
H：水頭 單位：m（米）作用在水輪機(jī)上的有效水頭，它等于水庫水位與下游水位之差（即：毛水頭）減去引水部分水頭損失，水頭損失△h，據(jù)經(jīng)驗，一般為Hg（毛水頭）的3%~10%，輸水道短取小值。
Q：流量 單位：m3/s（立方米/秒） 水電廠水輪機(jī)的引用流量。
η：水輪發(fā)電機(jī)組效率，包括水輪機(jī)的效率和發(fā)電機(jī)的效率，η不但與水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的類型和參數(shù)有關(guān)，還會隨機(jī)組運(yùn)行工況的改變而改變，不是一個固定值。 為簡化計算，令k=9.81η，則可把出力公式簡化為： P= kHQ
k：水電站出力系數(shù)。大中型水電站k=8.0~8.5；中小型水電站k=6.5~8.0，對小型電廠：k=6.0~6.5。
各國一般把裝機(jī)容量0.5萬kW以下的水電站定為小水電站，0.5萬～10萬kW為中型水電站，10萬～100萬kW為大型水電站，超過100萬kW的為巨型水電站。
二、水電廠在電力系統(tǒng)中的作用
在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠一般有火電廠、水電廠、核電廠、風(fēng)電場、太陽能電廠等幾類。在水力資源貧乏地區(qū)，火電廠所占比例較大，而在水力資源豐富且開發(fā)程度較高的地區(qū)， 水電廠則占有較大的比例，風(fēng)電場和太陽能屬于新能源，最近幾年發(fā)展比較迅速。 水電廠在電力系統(tǒng)的主要作用有以下幾項：
(1)提供電能。是水電廠的主要任務(wù)。
(2)調(diào)峰。有調(diào)節(jié)能力的主力水電廠擔(dān)任。
(3)調(diào)頻。有水庫且調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的大型機(jī)組擔(dān)任，中國的頻率50± 0.2Hz。
(4)調(diào)相。具備調(diào)相運(yùn)行能力，可根據(jù)電網(wǎng)要求參與系統(tǒng)無功功率平衡。
(5)作為事故備用。由于水輪發(fā)電機(jī)組具有迅速起動投入并網(wǎng)發(fā)電的特點(diǎn)， 當(dāng)電力系統(tǒng)突然發(fā)生事故時，急需補(bǔ)充電量，常把水電廠的機(jī)組作為事故備用機(jī)組。
(6)蓄能作用。抽水蓄能水電廠低谷時抽水用電儲能，在用電高峰時發(fā)電向系統(tǒng)供電，滿足負(fù)荷需要。
水電屬于清潔能源，根據(jù)水電的特點(diǎn)和在電力系統(tǒng)中的作用，運(yùn)行方式一般遵循以下原則：
1. 充分利用水能。無調(diào)節(jié)能力的一般擔(dān)任基荷運(yùn)行，主要是徑流電廠；有調(diào)節(jié)能力的枯水期一般參與調(diào)峰運(yùn)行，豐水期為避免棄水一般逐步過渡到基荷運(yùn)行，調(diào)峰任務(wù)轉(zhuǎn)交給火電廠。
2. 為降低火電廠煤耗，節(jié)約資源，枯水期水電廠參與調(diào)峰運(yùn)行，讓火電廠在高效區(qū)運(yùn)行。豐水期則水電廠在基荷運(yùn)行，火電廠最大限度參與調(diào)峰運(yùn)行，最大限度減少棄水。
3. 合理分配負(fù)荷，盡量使水電機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行。水電機(jī)組一般避免在低水頭、低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，在低水頭、低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時，不但效率低，還有可能會處在振動區(qū)運(yùn)行，影響機(jī)組的安全運(yùn)行和使用壽命。
三、水電站組成部分及作用
水電站一般主要由擋水建筑物(壩)、泄洪建筑物(溢洪道或閘)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括調(diào)壓井)及電站廠房(包括尾水渠、升壓站)四大部分組成。
主要組成部分有：水工建筑物、水力機(jī)械設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、配電設(shè)備、輸電設(shè)備和控制及輔助設(shè)備。
1. 水工建筑物的組成 擋水建筑物——壩
泄水建筑物——溢洪道、泄水孔、溢流壩、泄洪洞 閘門——進(jìn)水閘門、尾水閘門、溢洪道閘門
用水建筑物——水電站進(jìn)水引水建筑物（渠道或隧洞、壓力鋼管、進(jìn)水口）和廠房 2. 水工建筑物的作用
壩的作用：是攔截水流、抬高水位、形成水庫，造成上下游之間的水位差，使電站具備水力發(fā)電的基本條件。在有調(diào)節(jié)庫容的壩式水電站上，壩同時實(shí)現(xiàn)集中河段落差和調(diào)節(jié)河流中的流量的雙重作用，不僅為水電廠服務(wù)，同時還有防汛、灌溉、航運(yùn)、工業(yè)給水等作用。
溢洪道、泄水孔的作用：宣泄洪水，防止洪水漫頂，確保大壩安全，故又稱泄洪建筑物。有的泄水建筑物還可以用來放空水庫或施工導(dǎo)流等。泄水建筑物按泄流方式可分為溢洪道和深式泄水道兩類。 閘門的作用：調(diào)節(jié)流量和控制洪水。閘門可根據(jù)它所在的位置的不同分為低水頭閘門和高水頭閘門。發(fā)電用的進(jìn)水口閘門和底孔閘門屬于高水頭閘門，溢洪道上的閘門屬于低水頭閘門。從其結(jié)構(gòu)劃分，最常見的有平板閘門和弧形閘門。
尾水閘門主要是設(shè)備檢修時使用。
用水建筑物的作用：可分為進(jìn)水和引水建筑物，它包括進(jìn)水口和引水道，其作用是將壩內(nèi)的水引到廠房供水輪發(fā)電機(jī)組使用。
引水道可分為：渠道、隧洞（有壓和無壓）、壓力水管、渡槽和倒虹吸等 一些引水式水電站在引水建筑物上還設(shè)有壓力前池、調(diào)壓室或調(diào)壓井等
主廠房：用來安裝水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的廠房，以及組裝、檢修發(fā)電機(jī)組的裝配場。
副廠房：安裝配電設(shè)備及其運(yùn)行管理設(shè)施的廠房。副廠房一般包括水電站的運(yùn)行、控制、試驗、管理用房，以及操作人員工作、生活的用房。
1. 水力機(jī)械設(shè)備的組成 主閥 水輪機(jī) 軸 導(dǎo)軸承 尾水管
2.水力機(jī)械設(shè)備的作用 主閥：（球閥、蝶閥）事故時，緊急切斷水流，防止機(jī)組飛逸事故發(fā)生；機(jī)組檢修時，切斷水流；長時間停機(jī)時，關(guān)閉蝶閥，減少漏水量，節(jié)約水資源。
水輪機(jī)：按安裝方式可分為立式、臥式；按水流能量轉(zhuǎn)換的特征，可分為反擊式（利用水流體的動能和勢能 ）和沖擊式（僅利用水流的動能 ）。
反擊式：軸流式（定漿：H：3~50m，轉(zhuǎn)漿：H：3~80m）、混流式（H=30~700 m ）、斜流式（H=40~200m）、貫流式（2～30m） 。
沖擊式：適用于高水頭、小流量的小型機(jī)組，水斗式水輪機(jī)（切擊式）（40~2000m，一般常用水頭范圍40~800m）、斜擊式水輪機(jī)（50~400m）、雙擊式水輪機(jī)（6~150m）。
水輪機(jī)的組成部分及作用
蝸殼：形成水力環(huán)量。
座環(huán)：承受機(jī)組全部重量。
底環(huán)及頂蓋：固定活動導(dǎo)葉并形成轉(zhuǎn)輪室。
轉(zhuǎn)輪：水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。
活動導(dǎo)葉：控制水流量，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和出力的目的。
軸：傳遞機(jī)械能。
導(dǎo)軸承：承受徑向水推力和控制擺度。
尾水管：回收能量并導(dǎo)出水流。
（三）、發(fā)電機(jī)的組成部分及作用
1.發(fā)電機(jī)主要組成部分
定子、轉(zhuǎn)子、推力軸承、導(dǎo)軸承、軸、機(jī)架、冷卻器、制動器。
2.發(fā)電機(jī)主要組成部分的作用
定子：產(chǎn)生感應(yīng)電勢。
轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。
推力軸承：承受軸向水推力及機(jī)組轉(zhuǎn)動部件自重。
導(dǎo)軸承：承受徑向水推力和控制擺度。
軸：傳遞機(jī)械能。
上機(jī)架：安裝推力軸承、上導(dǎo)軸承、集電環(huán)等。
下機(jī)架：安裝下導(dǎo)軸承、制動器。
冷卻器：軸承冷卻器用于冷卻軸承，空氣冷卻器用于冷卻發(fā)電機(jī)。
制動器：停機(jī)時制動發(fā)電機(jī)，防止長時間低速旋轉(zhuǎn)損壞推力軸承。 （四）、變電設(shè)備的組成部分及作用 1.變電設(shè)備組成
油浸式變壓器：底座、鐘罩、油枕、鐵芯、繞組及散熱裝置等。 干式變壓器：鐵芯、繞組、箱體及散熱裝置等。 2.變電設(shè)備的作用
變壓器：升高交流電壓或降低交流電壓。 1. 配電設(shè)備主要有：斷路器（開關(guān)）、隔離開關(guān)（閘刀）、互感器、避雷器、母線、導(dǎo)線等。
2.配電設(shè)備的作用 斷路器（開關(guān)）：關(guān)合、承載、開斷運(yùn)行回路正常電流、過載電流。 隔離開關(guān)（閘刀）：合閘時承載正�；芈冯娏�、過載電流，分閘時符合絕緣距離和有明顯斷開標(biāo)志。 （五）、配電設(shè)備的組成及作用 電壓互感器（PT）：把高電壓降為標(biāo)準(zhǔn)電壓，供保護(hù)、計量、儀表等裝置使用。一般標(biāo)準(zhǔn)電壓為100V。
電流互感器（CT）：把大電流降為標(biāo)準(zhǔn)電流，供保護(hù)、計量、儀表等裝置使用。一般標(biāo)準(zhǔn)電流為5A或1A。
避雷器：限制過電壓以保護(hù)電氣設(shè)備。 母線：匯集、分配和傳送電能。
導(dǎo)線：傳送電能。 （六）、輸電設(shè)備的組成及作用 1. 輸電設(shè)備的組成
線路、鐵塔（電桿）、避雷線等。 2.輸電設(shè)備的作用 線路：傳送電能。 鐵塔（電桿）：固定導(dǎo)線和避雷線。 避雷線：保護(hù)架空輸電線路 （七）、控制設(shè)備的組成及作用 1. 控制設(shè)備主要有：
勵磁裝置、調(diào)速裝置、繼電保護(hù)、同期裝置、自動裝置、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等。
2. 控制設(shè)備的作用
勵磁裝置：為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電建立磁場，控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓或調(diào)整機(jī)組無功功率。
調(diào)速裝置：控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或調(diào)整機(jī)組有功功率。
繼電保護(hù)：監(jiān)視電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)被保護(hù)的元件發(fā)生故障時，自動迅速地、有選擇地發(fā)出跳閘命令，將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，保證正常設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，將事故限制在最小范圍，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全、連續(xù)供電。
同期裝置：不同電源間的同期并網(wǎng)。類型：自同期、準(zhǔn)同期（自動準(zhǔn)同期、手動準(zhǔn)同期、燈光熄滅準(zhǔn)同期）。
自動裝置：完成一定功能的自動裝置。類型：重合閘裝置、低周啟動裝置、高周切機(jī)裝置。
計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：通過對電站各種設(shè)備信息進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等功能，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，按電力系統(tǒng)要求進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，合理充分利用水能，保證電能質(zhì)量，減少運(yùn)行與維護(hù)成本，改善運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)無人值班或少人值守。硬件組成有：工作站、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、GPS時鐘、UPS電源、現(xiàn)地LCU、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及通信設(shè)備等。
直流系統(tǒng)：為開關(guān)設(shè)備的操作、二次設(shè)備提供可靠能源。 直流系統(tǒng)組成：蓄電池、充電裝置、配電裝置。
（八）、輔助設(shè)備的組成及作用
1.水電廠輔助設(shè)備的組成：
水系統(tǒng)：技術(shù)供水、滲漏排水、檢修排水。
油系統(tǒng)：絕緣油、潤滑油。
氣系統(tǒng)：高壓氣、中壓氣、低壓氣。
2.水電廠輔助設(shè)備的作用
技術(shù)供水系統(tǒng)：
主要對象：發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、發(fā)電機(jī)推力軸瓦及導(dǎo)軸承冷卻器、水輪機(jī)導(dǎo)軸承冷卻器、主軸密封、水冷式變壓器、水冷式空氣壓縮機(jī)、深井泵潤滑水、消防用水等。
技術(shù)供水水源：上游水庫（壓力鋼管或蝸殼、壩前取水）、下游水庫、地下水源等。
技術(shù)供水的方式：自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。
排水系統(tǒng)：防止廠房內(nèi)部積水和潮濕，保證機(jī)組過流部件和廠房水下部分的檢修。包括：生產(chǎn)用水的排水、檢修排水、滲漏排水、廠區(qū)排水。
油系統(tǒng)：
潤滑油：透平油、空氣壓縮機(jī)油、機(jī)械油及潤滑脂等。
潤滑油的作用：潤滑、散熱、傳遞能量。
絕緣油：變壓器油、電纜油、開關(guān)油。
絕緣油的作用：絕緣、散熱、消弧。
氣系統(tǒng)：
高壓氣系統(tǒng)：供油壓裝置壓力油罐補(bǔ)氣。
中壓氣系統(tǒng)：水導(dǎo)軸承檢修密封圍帶、蝴蝶閥止水圍帶。
低壓氣系統(tǒng)：機(jī)組停機(jī)制動、調(diào)相壓水、風(fēng)動工具、吹掃用氣。
