第六章 水电站的布置形式及组成建筑物

第二篇水电站建筑物水电站是利用水能资源发电的场所，是水、机、电的综合体。其中为了实现水力发电，用来控制水流的建筑物称为水电站建筑物。本篇主要讨论水电站引水系统的布置、结构设计和水力计算；水电站厂区枢纽的布置设计和结构特点。第六章水电站的布置形式及组成建筑物重点：坝式、引水式、混合式开发的水电站的布置特点及组成建筑物。第一节水电站的基本开发方式及其布置形式由N=9.81ηQH可知，要发电必须有流量和水头，关键是形成水头。要充分利用河流的水能资源，首先要使水电站的上、下游形成一定的落差，构成发电水头。因此就开发河流水能的水电站而言，按其集中水头的方式不同分为坝式、引水式和混合式三种基本方式。抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。形成水头方式——水电站的开发方式。一、坝式水电站在河流峡谷处拦河筑坝，坝前雍水，在坝址处形成集中落差，这种开发方式为坝式开发。在坝址处引取上游水库中水流，通过设在水电站厂房内的水轮机，发电后将尾水引至下游原河道，上下游的水位差即是水电站所获取的水头。用坝集中水头的水电站称为坝式水电站。(一)坝式水电站特点(1)坝式水电站的水头取决于坝高。目前坝式水电站的最大水头不超过300m。(2)坝式水电站的引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分。(由于筑坝，上游形成的水库，可以用来调节流量）目前世界上装机容量超过2000MW的巨型水电站大都是坝式水电站。此外坝式水电站水库的综合利用效益高，可同时满足防洪、发电、供水等兴利要求。(3)坝式水电站的投资大，工期长。原因：工程规模大，水库造成的淹没范围大，迁移人口多。适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。(二)坝式水电站的形式1．河床式电站(powerstationinriverchannel)——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。——适用水头：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。——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；——厂房高度取决于水头的高低。——引用流量大、水头低。——主要包括：挡水坝、泄水坝、厂房、船闸、鱼道等。注：厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。葛州坝水电站坝后式水电站2．坝后式水电站(powerstaionatdamtoe)——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。——坝后式水电站一般修建在河流的中上游。——库容较大，调节性能好。——如为土坝，可修建河岸式电站。——举世瞩目的三峡水电站就是坝后式水电站，其装机容量为18200MW。三门峡水电站三峡水电站二、引水式水电站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低坝(或无坝)取水，通过人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电。用引水道集中水头的电站称为引水式水电站。特点：(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。类型：(1)无压引水式(freeflow)：引水道是无压的(如明渠)(2)有压引水式(pressureflow)：引水道是有压的(压力隧洞)适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。1．无压引水式电站引水建筑物是无压的：明渠(openchannel)、无压隧洞(freeflowtunnel)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。无压引水式水电站2．有压引水式电站引水建筑物是有压的：压力隧洞(pressuretunnel)主要建筑物：低坝，引水隧洞(有压)，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。有压引水式水电站三、混合式水电站(mixedpowerplant)在一个河段上，同时采用高坝和有压引水道共同集中落差的开发方式称为混合式开发。坝集中一部分落差后，再通过有压引水道集中坝后河段上另一部分落差，形成了电站的总水头。这种开发方式的水电站称为混合式水电站。适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。在工程时间中多称为引水式，很少用混合式水电站这个名称。北京下马岭引水电站四、抽水蓄能电站(pumpedstoragepowerstation)随着经济的发展以及人民生活水平的提高，电力负荷和电网日益扩大，系统负荷的峰谷差越来越大，预计到21世纪初，我国东北、华北、华东均将成为几百万兆瓦的电力系统，它们的峰谷差将达到1万MW，因此解决调峰填谷的任务愈来愈迫切。在电力系统中，核电站和火电站不能适应电力系统负荷的急剧变化，且受到技术最小出力的限制，调峰能力有限，而且火电机组调峰煤耗多，运行维护费用高。而水电站启动与停机迅速、运行灵活，适宜担任调峰、调频、事故备用。抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的调峰问题；建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机组；抽水蓄能和放水发电两个过程：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；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。随着电力行业的改革，实行负荷高峰高电价、负荷低峰低电价后，抽水蓄能电站的经济效益将是显著的。我国已建抽水蓄能电站有：(1)广东抽水蓄能电站，其装机容量为2400MW(8×300MW)；(2)天荒坪抽水蓄能电站，其装机容量为1800MW(6×300MW)；(3)十三陵抽水蓄能电站，其装机容量为800MW(4×200MW)；(4)潘家口抽水蓄能电站，其装机容量为420MW（3×90MW+150MW），联合型；(5)西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，其装机容量为90MW(4×22.5MW)。五、潮汐电站(tidalenergypowerstation)潮汐电站示意图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。潮汐的最大潮差为8.9m；北美芬迪湾蒙克顿港最大潮差竟达19m。世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kW，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万kW.h。潮汐发电与原理：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。潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。最大的潮汐电站——法国朗斯电站由于潮汐发电的开发成本较高和技术上的原因，所以发展不快。六、河流的梯级开发和梯级水电站一条河流的水力蕴藏量是一定的，如果在下游建一个高坝大库，则调节能力很好，但淹没损失太大。如果修多个较低的坝形成一系列的较小的水库，则淹没小得多。后一种方式为梯级开发。梯级开发方案是一条河流的综合利用规划。梯级水电站开发的原则是：(1)在地形地质和淹没限制等条件许可时，尽可能使各枢纽首尾衔接，以充分利用落差；(2)不允许淹没的河段，尽可能用低坝河床式或引水式开发；(3)最上游一级的开发，最好是有较大的水库，以提高其调节控制性能；(4)开发顺序是首先建设比较关键的开发条件较优的工程。河流中上游有修较大水库的条件时，最好首先建设，对下游工程施工有利按调节能力分成：无调节水电站：无水库，来流较多时需要弃水。有调节水电站：有较大水库，可调节天然径流。分为日调节、月调节、年调节等。第二节水电站的组成建筑物挡水建筑物：坝、闸一、枢纽建筑泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、过坝建筑物：过船、过木、过鱼二、发电建筑物进水建筑物：进水口、沉沙池、引水建筑物引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：前池、调压室水电站主厂房建筑物厂区枢纽厂房副厂房变电站、开关站本章小结1．水电站的基本类型有坝式、引水式及混合式。坝式水电站分为河床式、坝后式；引水式水电站分有压引水式和无压引水式电站；混合式开发多为有压引水式电站。就其建筑物的组成及结构型式而言，坝后河岸引水、混合式及有压引水式电站是相同的。这部分是水电站建筑物最基本的概念，也是本章的重点，应牢固掌握。2．抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。抽水蓄能电站主要解决电力系统的调峰问题，尤其在我国东北、华北、华东等水能资源相对短缺的地区，加快抽水蓄能电站的建设速度很有必要；潮汐电站是开发海水能源的主要型式，应有所了解。3．水电站建筑物由引水系统和厂区枢纽两大部分组成。水电站的类型不同，建筑物的组成有所不同；厂区枢纽包括厂房建筑物和变电站。这部分也是本章的重点。