水力发电原理及水电站类型

第一章水力发电原理基础水力发电的原理基础水电站的类型水轮机的主要类型水轮机的型号和装置形式水轮机的基本工作参数水轮机的工作原理水电站水电站是将水能转换成水轮旋转的机械能，再由发电机最终将旋转的机械能转换成电能的场所。在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生需要修建一系列水工建筑物。包括：进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备的厂房和变电站，总体称为水电站。水电站是水、机、电的综合体。一、水力发电的概念水力发电:利用河流中蕴藏的水能来生产电能。在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定方式将“载能水”输送到水轮机中，使：水能→水轮机旋转的机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户。水轮发电机组装置原理图建坝蓄水发电电站水力发电的转换过程天然水能可利用水能旋转机械能电能建筑物和设备水轮机发电机水利系统机电系统水力发电的几个要素N——水电站装机容量或水轮机的功率Q——通过水轮机的流量H——水轮机的水头η——水轮机的效率QHN81.9（一）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（一）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。（二）我国水电事业的发展1.我国的水能资源状况水能资源是河川径流所具有的天然资源、是能源的重要组成部分。国家发展改革委2005年发布的全国水力资源复查结果，我国水电资源理论蕴藏量年电量6.08万亿千瓦时，理论蕴藏量装机6.94亿千瓦；技术可开发装机5.42亿千瓦，技术可开发年电量2.47万亿千瓦时；经济可开发装机4.02亿千瓦，经济可开发年电量1.75万亿千瓦时。特点一：总量丰富，开发不足可开发总量世界第一，占世界总量16.7％。到2008年底，水电装机容量达到了1.65亿千瓦，按技术可开发量计算占可开发量30%，低于发达国家60％的平均水平。东部，已开发70%以上(可开发的大型水电站只剩下3座，共1610MW，即浙江摊坑电站(600MW，目前在建)、大均电站(46万kW)和福建街面电站(30万kW)；西部，开发率仅7.5%大有可为！2.我国水能资源的特点特点二：地区分布不均，与经济发展不匹配东部地区(13个省市)水电资源占全国总量的8%，中部地区(6个省)占11%，而西部地区(12个省、市、自治区)高达81％；但51％用电量在东部。雅鲁藏布江西电东送地区水能蕴藏量可能开发的水能资源装机容量(MW)年发电量亿(kW.h/a)占全国比重(%)装机容量(MW)年发电量(亿kW.h/a)占全国比重(%)华北12299.31077.41.8691.98232.251.2东北12126.61062.31.81199.45383.912.0华东30048.82632.34.41790.22687.943.6中南64083.75613.89.56743.492973.6515.5西南47331241462.170.023234.3313050.3667.8西北841777373.912.54193.771904.939.9全国67604759221.8100.037853.2419233.04100.0年内降雨集中在汛期；年际间江河来水量变化大。特点三：江河来水量时间分布不均汛期70%30%非汛期须建设（年调节、多年调节）大型水库。特点四：我国水电资源相对集中在一些高山大河地区，不少水电站的装机容量超过1000MW。三峡(长江)1820万kW，溪落渡(金沙江)超过1000万kW。雅鲁藏布江下游的墨脱电站，计划开凿35km长的隧洞，引水2000m3/s以上，落差可超过2000m，电站装机可达4500万kW。大型电站，水头高、单机容量大，带来很多技术难题，且淹没损失大，移民数量多。（三）我国水电开发状况我国水电开发有三大特点：1、成绩很大。突出表现在以下三方面：水电装机容量跃居世界第一。水电建设技术已具世界水平。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。2.困难不少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3.机遇难得:今后15－20年是水电建设的良好机遇期西部大开发战略的机遇东部：水能资源占6％，开发率大于70％；西部：水能资源占78%，开发率仅8％。实施“西电东送”，变资源优势为经济优势。全面建设小康社会对电力的要求；符合电力工业中长期发展规划，提供清洁、优质电能；《可再生能源法》确认水能为可再生能源；《京都议定书》：温室气体减排；当前我国经济发展迅速，投资环境良好。我国的能源概况与水电建设能源结构：“煤为基础、多元发展”；煤炭为主体、电力为中心，油气、新能源全面展；提高煤炭利用效率和清洁性。需求预测：全面建设小康社会：2020年GDP翻两番，预测电力需求9.2亿kW，估计水电达2.3亿kW，每年需新增近千万kW。发展战略：“大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电”（电力工业中长期发展规划）。（四）我国水电事业发展设想三峡水利枢纽三峡水利枢纽三峡工程采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”方案。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035m，坝顶高程185m，正常蓄水位175m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3。装机容量1820万kW，26×70万kW，年均发电量849亿度。泄洪坝段每秒泄洪能力为11万m3/s，左岸通航建筑物，年单向通过能力500万t。双线五级船闸，可通过万吨级船队；单线一级垂直升船机，可快速通过3000t级客货轮。三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、南水北调、供水灌溉等十大效益，是世界上任何巨型电站都无法比拟的！三峡水利枢纽世界施工难度最大的水利工程。2000年砼浇筑量为548.17万立方米，月浇筑量最高达55万立方米。施工期流量最大的水利工程。三峡工程截流流量9010立方米/秒，施工导流最大洪峰流量7.9万立方米/秒世界泄洪能力最大的泄洪闸。最大泄洪能力10.25万立方米/秒。世界规模最大、难度最高的升船机。世界水库移民最多、工作量最为艰巨的移民建设工程三峡工程水库动态移民最终可达113万。小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市以北40km的黄河干流上，是以防洪为主，兼顾防凌、减淤、灌溉和发电综合利用的一座特大型工程。工程由大坝、泄洪建筑物及发电系统组成。大坝为粘土斜心墙堆石坝，坝顶长1667m，最大坝高154m，库容126.5亿m3，泄水建筑物包括集中布置的10座进水塔，9条泄洪排沙隧洞、一个正常溢洪道和三个消力塘组成；发电系统由6条引水隧洞和一座地下厂房、主变室、尾闸室及三条尾水洞组成。总装机容量6×30万千瓦，多年平均发电量51亿度。新安江水电站新安江水电站新安江水电站位于钱塘江支流新安江上，浙江省建德县境内，由中国自己设计、施工，自制设备，自行安装的第一座大型水电工程。电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益，电站装机容量662.5MW，保证出力178MW，多年平均年发电量18.6亿KW·h，以220KV和110KV高压输电线路各4回接入华东电力系统。大坝为混凝土宽缝隙重力坝，最大坝高105米。工程于1957年4月开工，1960年4月第一台机组发电，1978年最后一台机组投运。二滩水电站二滩水电站二滩工程是二十世纪建成的中国最大的水电站。总装机容量330万kW，单机容量55万kW，这在21世纪初三峡电站建成之前，均列全国第一，单机容量排世界前10位。二滩拱坝坝高240m为中国第一高坝。在双曲拱坝排行中，高度居亚洲第一、世界第三；承受总荷载980万t，列世界第一。总泄水量22480m3/s，在高坝中为世界第一。进水口高度为80m，调压室高度70m，均居全国第一。亚洲最大的地下厂房洞室群。由厂房、主变压器室、尾水调压室三大洞室及压力管道、尾水管、尾水洞、母线洞、交通洞、通风洞、排水洞（廊道）、进风竖井、排风竖井、电梯竖井、电缆斜井等组成庞大洞室群。地下洞室开挖量370万m3。其中，厂房长280m、宽25.5m、高65m。二、水电站的基本类型按水电站的组成建筑物及特征分为：坝式、河床式、引水式电站按调节能力分成：无调节水电站、有调节水电站(一)坝式水电站用坝集中水头的水电站称为坝式水电站，其特点有：水头取决于坝高。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。投资大，工期长。适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。2.坝后式水电站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。坝后式水电站坝后厂房万家寨坝后式水电站向家坝水电站三峡水电站坝后厂房坝后厂房泄洪坝段(二)河床式电站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。注：厂房本身起挡水作用是河床式电站的主要特征。河床式电站河床式电站河床厂房富春江河床式电站泄洪闸葛州坝水电站河床厂房河床厂房开关站船闸泄洪闸(三)引水式水电站用引水道集中水头的电站称为引水式水电站特点：水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。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。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。适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。类型：1.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。无压引水式水电站1-坝;2-进水口;3-沉沙池;4-引水渠道;5日调节池;6-压力前池;7-压力管道;8-厂房;9-尾水渠;10-配电所;11-泄水道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，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。有压引水式水电站石龙坝水电站云南昆明石龙坝水电站是我国大陆的第一座水电站，其装机容量仅为1440kW，1910年7月开工建设，1912年4月发电。（四）混合式水电站混合式水电站是由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站，可以充分利用河流有利的天然条件，在坡降平缓河段上筑坝形成水库，以利于径流调节，在其下游坡降很陡或落差集中的河段采用引水方式得到在的水头，如图1-5示（五）抽水蓄能电站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。抽水蓄能电站示意图黑麋峰抽水蓄能电站下水库上水库发电系统(六）潮汐电站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。潮汐发电原理法国朗斯潮汐电站1966年投入运行，是第一个商业化电站。该电站装机24台，每台1万千瓦，共24万千瓦。设计年平均发电量5.44亿度。机组为灯泡贯流式，转轮直径5.3米。法国朗斯潮汐电站江夏潮汐电站一、枢纽建筑物挡水建筑物：坝、闸泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢流坝过坝建筑物：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：引水道、压力管道、尾水道平水建筑物：前池、调压