水力发电及水电站主机设备选择

水力发电及水电站主机设备选择专题报告主讲人:边善庆二○○四年八月前言人类在劳动生产中要利用自然力量，最初是使用家畜，以后才利用机械。第一台机械原动机就是水力机械。三千多年前在我国、埃及和印度就开始有水碓、水碾、水磨、水车等简单机械，利用水力来进行生产。我国最早的关于水力机械的文字记载出现在汉朝，距今已有1900多年。法国在六世纪才有人知道建筑水磨。欧洲在十五、十六世纪由于手工业工场的发展，在手工业生产中利用水力比较普遍，这时就有了浮动抽水站和水力织布机等机械。在发电机没有发明以前，水力机械只是把水能转变为机械能，各种水力机械都是直接推动各种生产机械（如磨粉、车水等）。十九世纪后期，由于资本主义工业的发展，要求更大量的动力；人类陆续发明了发电机和高压输电线，这时水力就可以转变为应用十分方便的电力，同时又可以把电力输送到很远的地方去。因此水电站建设在资本主义国家中得到了很快的发展。一个世纪以前，当时世界上一些先进的工业国家所兴建的第一座水电站，以及随之而建起的第一批水电站，按目前标准来说，都是属于小型的，甚至是微型水电站。但是这些小型水电站的意义是十分重大的，因为它们不仅为水电开发在技术上开创了一条道路，而且也为当时新兴的工业提供了廉价的电力。1878年在法国巴黎附近，建造的塞尔曼兹水电站是世界上最早的水电站。1882年，美国的威斯康辛州的阿普尔顿水电站投入运行，仅是一台提供1.8KW照明用的直流发电机。1912年，我国在云南昆明附近石龙坝建成第一座水电站，安装德国西门子公司的二台240KW水轮发电机组。水力发电是水能利用的主要形式。由于我国的水力资源极为丰富，而且具备许多优越条件，因此我国的水电建设将具有极其广阔的发展前景。第一章水力发电的基本概念水力发电是利用河流中水的落差（水头）和流量为特征值所积蓄的势能和动能，通过水轮机转变为机械能，然后带动发电机发出电能，经母线通过低压断路器接至升压变压器，将电压升高接入电网输电系统。水力发电所用的河川水流是取之不尽、用之不竭的能源，与其他能源的开发相比，不需要昂贵的燃煤开采、运输等复杂环节，因而水力发电的成本低。同时，水电的应用还节约了大量煤炭、石油、天然气等重要原料，并有利于环境保护。1.水力发电的基本条件一条河流的上游总比较高些，下游总比较低些，因为河流水位高低的差别，就产生了水能，这种能量称为位能或势能。我们知道：任何物体由高处落向低处会产生一定的力量，所以河水由高处流向低处就会产生一定的水力。由于河流水面高低的差别（叫做落差或水头），所以产生水力，这是构成水力的一个基本条件。此外，水力的大小还决定于河流中流量的多少，这是和落差同样重要的另一个基本条件。落差和流量都直接影响水力的大小，落差和流量愈大，水电站的出力也就愈大。落差一般是用米来表示。例如黄河从青海发源地流入渤海，全长4845公里，水流总共降落4368米，平均每公里落差0.9米，也就是平均水面比降为万分之九。该比降可以表示落差集中的程度。像黄河上游的坡降较陡，可达千分之二到三，落差比较集中，水力利用也比较方便；下游比较平坦，比降仅有万分之几，落差非常分散，水力利用也就要困难些。一个水电站所利用的落差，就是水电站的上游水面和通过水轮机后的下游水面之差（如图1）。水电站上游和下游的水面经常变动，落差也就随着变动。流量是河流中单位时间内流过的水量，以一秒钟内流过多少立方米来表示。流量在时间上的变化非常显著。我国的河流一般在夏季、秋季流量较大，冬季、春季比较小，各月、各天的流量不同，各年的水量也不同。像黄河通过三门峡的最大流量曾达到每秒18500立方米，而最小流量只有每秒160立方米，相差达100多倍。天然的水力随着流量的变化而忽大忽小，很不适用，所以必须修建水库，调节流量，才能充分地利用水力资源。一般河流的流量在上游比较小；因为各支流的汇入，下游流量逐渐增大。所以上游的落差虽集中，但是流量较小；下游流量虽大，但是落差比较分散。因此，往往在河流的中游段利用水力最为经济。我们知道了一个水电站利用的落差和流量，则水从高处落下，在单位时间内所做的功，叫水流功率可用下式表示：No=γQH(kg-m/s)式中γ—水的比重，每立方米水等于1000公斤重。Q—流量，以每秒立方米计。H—落差，以米计。但是，水流功率一般不用kg-m/s表示，而用千瓦或马力作单位，它们之间的关系为：1kW=102(kg-m/s)1HP=75(kg-m/s)所以水流功率也可用下式表示：1000No=———QH=9.81QH(kW)1021000或No=———QH=13.33QH(HP)75当水流作功时，必然有一定能量的损失。所以实际上所作的功比No小。即：N=Noη=9.81QHη(kW)N=Noη=13.33QHη(HP)式中N——水电站的出力。η——效率系数。当初步估算出力时，效率系数可采用0.82，则水电站的出力可简化为：N=8QH(kW)●例如某个水电站引用流量100m3/s，利用水头50m，它的出力为：N=8×100×50=40000kW由于河流中的流量和落差经常在变化，而且用电需要也随时在变化，所以水电站所发的电也是各季、各天、各时不同的。水电站所生产的发电量是以千瓦时（度）来计算的。因为一小时等于3600秒，用W/3600来代替上述公式的流量，就可以得到计算电能的公式如下：E=8×W/3600×H=WH/450(kW·h)l例如某个水电站一年中利用的水量是20亿m3，平均水头45m，它的年发电量为：E=200×107×45/450=200×106=2亿(kW·h)2水力资源的开发2.1我国水力资源的开发我国水力资源十分丰富，水能资源理论蕴藏总量（未包括台湾省）6.76亿kW，居世界第一位。其中，长江流域占40%，西藏各河流约占21.5%，西南各国际河流约占16.7%，黄河流域占6%，珠江流域占5.2%，其它约占10.6%。在地区分布上，我国水力资源的72%集中在西南地区，其次是中南、西北、华东、东北，华北和内蒙最少。长江是我国第一条大河，流域面积约194万平方公里，全长约5200公里，全部落差约5600米，总蕴藏量约2亿多kW，年总水量超过1万亿m3。长江的水力资源大部集中在上游，即我国的西南地区，四川宜宾以上约占64%；宜宾以上坡度大，宜宾以下流量大。长江由四川流入湖北，经过了世界有名的特大型三峡水电站，其发电能力达1820万kW，装设26台70万kW水轮发电机组。黄河的综合利用流域规划已在二十世纪五十年代编制完成。按照规划内容，除了黄河下游的严重水害将得到根本解决外，并将在黄河干流从青海龙羊峡以下到海口止共3670公里间建立46座水力枢纽，总发电容量可达2300万kW。其中刘家峡、盐锅峡、青铜峡、八盘峡、三门峡和龙羊峡等大型水电站都已建成，不仅供给西北地区各工业城市的用电，并可为黄河下游的灌溉和航运创造十分有利的条件。南方的珠江是我国的第三条大河。根据有关资料，珠江流域也有不少优越的水力发电地址，现正进行对全流域的有系统的勘测研究工作。我国水力资源中技术上可开发的装机容量约3.78亿kW，相应年发电量1.923万亿kW·h。但总开发率很低，东西部开发差异很大。全国平均开发率按2003年水电发电量计仅14.7%，约居世界第70多位，排在很多发展中国家如印度、巴西、埃及、越南、泰国等国家之后。当前我国西部地区的水电开发才刚刚开始，开发水平仅7.5%，开发潜力巨大。因此，21世纪水电要结合国家的西部大开发机遇，实施大规模西电东送的战略。2.2我国水力资源开发的特点（1）我国的一些大型水电站在地区分布上很有利，一般都处于人口稠密地区的附近，所以它的经济价值很高。如黄河的三门峡、刘家峡；长江的三峡、葛洲坝；四川的大渡河、岷江；浙江的新安江和东北的松花江等。同时我国水力资源的分布也恰巧弥补了我国煤矿分布上的缺陷，我国的西南、西北以及长江以南的地区缺少质好量大的煤矿，建设火电厂的条件较差，但是这些地区都有丰富的水力可以利用。（2）我国许多水力资源都具有巨大的综合利用的作用。这些水力资源的开发，都能同时满足国家当前迫切的防洪、发电、灌溉、航运等要求。例如黄河的开发和治理，就要同时解决黄河的防洪、发电、灌溉、航运，水土保持等问题，这是河流综合利用的原则。我国长江三峡水电站显著的经济效益，也体现了这个原则：水库总库容393亿m3，其中221亿m3的防洪库容，能有效控制长江洪水；年发电量847亿kW·h，辐射大半个中国，可使全国人均每年增加电量70kW·h；万吨级船队可直达重庆，单向年通过能力将从目前的1000万吨增加到5000万吨，运输成本可降低35%；年发电量相当于燃烧5000万吨原煤的能量，可相应减少温室效应和酸雨，保护了环境。（3）我国的许多水力地址，特别是目前选择并准备开发的一些水电站，大都有很好的自然条件。由于地形、地质、水文条件优越，因而工程量比较小，而发电量却比较大。例如原苏联古比雪夫水电站装机容量210万kW，混凝土量是700万m3，约每千瓦要用3.5m3的混凝土，此外还要大量的土方；而我国黄河上的若干水电站，每千瓦约只用1.5m3左右的混凝土。同时我国土建工程的造价与机电设备和金属材料采购金额相比，是比较低的；水电站工程所需的石料和砂石料，大都可以在工地附近取得。此外，我国的气候条件也比较好，绝大部分地区可以一年四季施工。这些自然条件的优越，可以大大地缩短水电建设的周期。总的来说，我国的水力资源是极为丰富的，而且具备许多优越条件，但结合我国的实际情况，在水电开发中需要特别注意两个问题：一是河流中的泥沙问题，二是水库建设涉及的移民问题。因为河流中挟带的泥沙，在最严重的情况下可以很快将水库淤满，如流入渠道会引起渠道淤塞，粗粒泥沙通过水轮机会引起转轮叶片的磨损。如果在平原河流上修建大型水库，就会造成一定的淹没损失，并需妥善地解决水库建设涉及的移民问题。这两个问题，我们在规划水电站开发时，必须慎重地加以考虑。2.3世界水力资源的开发全世界理论水力资源蕴藏量目前还没有一个准确的数字，有人估计大约60-70亿kW。据《国际水力发电与大坝》杂志1999年统计资料，按年发电量估算，世界理论水力资源蕴藏量为405，000亿kW·h，技术可开发水力资源为143，200亿kW·h。截止到1998年底，全世界水电总装机容量约为6.9亿kW，年发电量约为27610亿kW·h，开发利用程度约为19.3%。世界上大多数发达国家，一般都优先发展水电，水电开发程度在60%以上的国家共有9个，分别是：法国（96.9%）、瑞士（84.9%）、墨西哥（69.9%）、奥地利（69.1%）、德国（68.9%）、美国（67.4%）、日本（66.6%）、挪威（64.5%）、意大利（63%）。发展中国家水电开发利用程度长期不高，但近二、三十年来，尤其是二十世纪80年代中期，一些国家水电开发速度大大加快，如巴西、巴拉圭、委内瑞拉、土耳其和中国等。目前世界上水电装机容量排在前5位的国家，分别是：美国（7540万kW）、中国（7297万kW）、加拿大（6567.8万kW）、巴西（5451.4万kW）、俄罗斯（4394万kW）。目前各大洲水力资源开发情况表地区理论水力技术可开发已开发资源水电开发资源水力资源装机年发电量程度（亿kW·h）（亿kW·h）（万kW）（亿kW·h）（％）亚洲203003.7267903.0722980.837841.0211.5非洲33242.0819235.192033.31637.273.3南美洲75026.0528899.5210543.945742.5919.9中北美洲64858.6216308.1815420.707496.9446.0欧洲24287.309731.8116738.985434.8055.8大洋洲4451.201156.141330.57429.8737.2合计404868.97143233.9169048.3327582.4919.3从上表可以看出，世界水电开发程度以欧洲为最高，而非洲和亚洲较低。因此，对于非洲、亚洲和南美洲来说，今后开