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水能开发利用原理详解

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图G6.1天然河道水流的能量式中p1＝p2，且在不太长的河段，天然河道的水流可以近似认为是均匀流，因此，，于是式中H——断面1-1与断面2-2的水位差，也称为落差，m。图G6.2为在河流上筑坝及修建水电站，集中落差发电。表G6.1出力系数表若计算时段Δt以小时为单位，由式可得Δt时段水电站的发电量E为式和式为水电站水能计算的基本方程。

1.水流的能量和功率

如图G6.1所示，从河流中取出一个河段，利用水力学中的伯努力方程可得Δt时段内水体W（m3）从断面1-1至断面2-2所消耗的能量E

式中　Z1、Z2——1-1、2-2断面的位置水头，m；

——1-1、2-2断面压强水头，m；

v1、v2——1-1、2-2断面平均流速，m/s；

α1、α2——1-1、2-2断面流速不均匀系数；

γ——水的容重，其值等于9.81×103N/m3；

g——重力加速度。

图G6.1　天然河道水流的能量

——1-1、2-2断面压强水头，m；

v1、v2——1-1、2-2断面平均流速，m/s；

α1、α2——1-1、2-2断面流速不均匀系数；

γ——水的容重，其值等于9.81×103N/m3；

g——重力加速度。

图G6.1　天然河道水流的能量

式（G6.1）中p1＝p2，且在不太长的河段，天然河道的水流可以近似认为是均匀流，因此，，于是

式中　H——断面1-1与断面2-2的水位差，也称为落差，m。

水体W从断面1-1至断面2-2所消耗的能量即该河段中所蕴藏的水能资源；也是水体W由断面1-1至断面2-2所做的功。因此，水流的功率

式中　N——水流的功率，N·m/s；

Δt——计算时段，s；

Q——时段平均流量，m3/s。

天然状态下，这部分能量消耗在水流的内部摩擦、携带泥沙及克服沿程河床阻力等方面，可以利用的部分往往很小，且能量分散。为了充分利用两断面间的能量，就要修筑一些水利设施如壅水坝、引水渠道、隧洞等，以集中落差，减小沿程能量的消耗。图G6.2为在河流上筑坝及修建水电站，集中落差发电。

利用水能发电的原理是：水流冲动水轮机，将水能转变成机械能；水轮机带动发电机，将机械能转变成电能。

图G6.2　坝后式水电站示意图

2.水电站的出力和发电量

筑坝后引水发电，设q为发电引水流量，m3/s；H为坝上、下游的水位差，也称为水头，m，则式（G6.3）改写为

在水能利用中常将功率称为出力，也称容量，常用单位kW，由于1kW＝1000N·m/s，故式（G6.4）转化为

式（G6.5）所表示的出力是理想状态下的，水电站运行过程中存在水头损失和能量损失，实际出力要小一些。

水头损失是指水流通过拦污栅、进水口、引水管到水轮机，并经尾水管排入下游河道的整个过程中，产生的沿程水头损失和局部水头损失。若将各种水头损失记为ΔH，则作用在水轮机上的净水头为

H净＝H-ΔH

能量损失是水电站在发电过程中能量转换和传递时所产生的损失，通过能量转换和传递效率来体现。令η为机组总效率，η水、η传、η发分别为水轮机、传动装置和发电机的效率，则η＝η水η传η发。

考虑水头损失和能量损失后，水电站实际出力为

水电站机组效率的大小与水头、机组类型等有关，详细考虑往往比较复杂，实际计算中，通常将机组效率作为常数近似处理，并令K＝9.81η，这样式（G6.6）改写为

式中　K——反映机组效率的一个综合效率系数，称为出力系数，可参考表G6.1选用。

水头损失ΔH与管长、管材、断面型式等有关，初步规划设计时，这些尚未确定，水能计算时，可参照同类已建成的水电站的情况估计ΔH，以后再作校核。根据一些工程单位的经验，ΔH约为H的3%～10%，管道短时则取小值，管道长则取大值。

表G6.1　出力系数表

若计算时段Δt以小时为单位，由式（G6.7）可得Δt时段水电站的发电量E为

式（G6.7）和式（G6.8）为水电站水能计算的基本方程。

式（G6.1）中p1＝p2，且在不太长的河段，天然河道的水流可以近似认为是均匀流，因此，，于是

式中　H——断面1-1与断面2-2的水位差，也称为落差，m。

水体W从断面1-1至断面2-2所消耗的能量即该河段中所蕴藏的水能资源；也是水体W由断面1-1至断面2-2所做的功。因此，水流的功率

式中　N——水流的功率，N·m/s；

Δt——计算时段，s；

Q——时段平均流量，m3/s。

天然状态下，这部分能量消耗在水流的内部摩擦、携带泥沙及克服沿程河床阻力等方面，可以利用的部分往往很小，且能量分散。为了充分利用两断面间的能量，就要修筑一些水利设施如壅水坝、引水渠道、隧洞等，以集中落差，减小沿程能量的消耗。图G6.2为在河流上筑坝及修建水电站，集中落差发电。

利用水能发电的原理是：水流冲动水轮机，将水能转变成机械能；水轮机带动发电机，将机械能转变成电能。

图G6.2　坝后式水电站示意图

2.水电站的出力和发电量

筑坝后引水发电，设q为发电引水流量，m3/s；H为坝上、下游的水位差，也称为水头，m，则式（G6.3）改写为

在水能利用中常将功率称为出力，也称容量，常用单位kW，由于1kW＝1000N·m/s，故式（G6.4）转化为

式（G6.5）所表示的出力是理想状态下的，水电站运行过程中存在水头损失和能量损失，实际出力要小一些。

水头损失是指水流通过拦污栅、进水口、引水管到水轮机，并经尾水管排入下游河道的整个过程中，产生的沿程水头损失和局部水头损失。若将各种水头损失记为ΔH，则作用在水轮机上的净水头为

H净＝H-ΔH

能量损失是水电站在发电过程中能量转换和传递时所产生的损失，通过能量转换和传递效率来体现。令η为机组总效率，η水、η传、η发分别为水轮机、传动装置和发电机的效率，则η＝η水η传η发。

考虑水头损失和能量损失后，水电站实际出力为

水电站机组效率的大小与水头、机组类型等有关，详细考虑往往比较复杂，实际计算中，通常将机组效率作为常数近似处理，并令K＝9.81η，这样式（G6.6）改写为

式中　K——反映机组效率的一个综合效率系数，称为出力系数，可参考表G6.1选用。

水头损失ΔH与管长、管材、断面型式等有关，初步规划设计时，这些尚未确定，水能计算时，可参照同类已建成的水电站的情况估计ΔH，以后再作校核。根据一些工程单位的经验，ΔH约为H的3%～10%，管道短时则取小值，管道长则取大值。

表G6.1　出力系数表

若计算时段Δt以小时为单位，由式（G6.7）可得Δt时段水电站的发电量E为

式（G6.7）和式（G6.8）为水电站水能计算的基本方程。