水水电电站站张张明明mzhang@tsinghua.edu.cnmzhang@tsinghua.edu.cn清华大学清华大学水利水电工程系水利水电工程系第一章第一章中国水能资源中国水能资源与水力发电概述与水力发电概述水力发电水力发电水力发电水力发电:将水能转变为电能,在电力工业中起:将水能转变为电能,在电力工业中起着特殊作用着特殊作用水电站水电站:将水能转变为电能的设备和建筑物的综:将水能转变为电能的设备和建筑物的综合体,是生产电能的企业合体,是生产电能的企业水流一般途径:水库及进水口、引水建筑物、水轮水流一般途径:水库及进水口、引水建筑物、水轮机、尾水泄水道机、尾水泄水道能量转换过程:天然水能、可用水能、旋转机械能、能量转换过程:天然水能、可用水能、旋转机械能、电能电能水电站包括水力系统和机电系统水电站包括水力系统和机电系统水工建筑和设备水轮机发电机天然水能可用水能旋转机械能电能水力系统机电系统天然和人工落差→水轮机→发电机,将水体介质所具有的机械能转化为电能水流的出力和能量水流的出力和能量W=Qt1122∇H1∇H2v1v2河长L高程ZH1−2河段的潜在水能2212112212122ppvvEWZZWHgααγγγ−⎛⎞−−=−++=⎜⎟⎝⎠功率(出力,容量)12NQHγ−=水电站的出力和发电量水电站的出力和发电量仍用前述公式,但须考虑两个因素:净水头和仍用前述公式,但须考虑两个因素:净水头和机组效率机组效率净水头净水头HH静水头静水头((毛水头毛水头))HH静静:水电站上、下游水位差:水电站上、下游水位差HH静静==HH11--22−−∆H净水头净水头HH:为水轮机上的工作水头,为:为水轮机上的工作水头,为HH静静除去水电除去水电站进水损失站进水损失∆∆HH11和尾水损失和尾水损失∆∆HH22,,等于水轮机进、出等于水轮机进、出口断面的单位能量差口断面的单位能量差HH==HH静静−∆−∆HH11−∆−∆HH22机组效率机组效率ηη:考虑:考虑水轮发电机组能量损失水轮发电机组能量损失坝式水电站的作用水头水力发电的优缺点水力发电的优缺点优点优点可再生可再生运行成本低,效率高运行成本低,效率高CC水水==(1/10~1/5)(1/10~1/5)CC火火,,ηη水水==0.850.85,,ηη热热==0.40.4最清洁最清洁运行灵活,可调蓄运行灵活,可调蓄具综合效益具综合效益缺点缺点常位于边远山区常位于边远山区淹没损失淹没损失(土建)工程量大(土建)工程量大影响自然条件和生态影响自然条件和生态中国的水能资源及其开发利用中国的水能资源及其开发利用地形与河川概述地形与河川概述地形地形我国国土面积我国国土面积960960万万kmkm22,地势西高东低,明显分为,地势西高东低,明显分为三个阶梯三个阶梯第一阶梯地第一阶梯地:青藏高原,海拔在:青藏高原,海拔在4500m4500m以上以上第二阶梯地第二阶梯地:在大兴安岭、太行山脉、巫山、武陵:在大兴安岭、太行山脉、巫山、武陵山及云贵高原东缘以西,海拔山及云贵高原东缘以西,海拔10001000~~2000m2000m第三阶梯地第三阶梯地:海拔:海拔1000m1000m以下,在大兴安岭、太行以下,在大兴安岭、太行山、巫山、武陵山及云贵高原东缘一线以东山、巫山、武陵山及云贵高原东缘一线以东主要水系主要水系长江长江:我国第一大河,全长:我国第一大河,全长6300km6300km,先后经过青、,先后经过青、藏、川、滇、豫、湘、赣、皖和江苏,在上海注入藏、川、滇、豫、湘、赣、皖和江苏,在上海注入东海(东海(1010省市)省市)黄河黄河:我国第二大河,全长:我国第二大河,全长5400km5400km,流经青、川、,流经青、川、甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁(甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁(99省),于山东垦省),于山东垦利、利津两县间注入渤海利、利津两县间注入渤海黑龙江黑龙江:国际河流,国内流域面积仅次于长江、黄:国际河流,国内流域面积仅次于长江、黄河,列第三位河,列第三位珠江珠江:全长:全长2200km2200km,年径流量位列第二,年径流量位列第二海河海河:干河全长:干河全长70km70km淮河淮河:约长:约长1000km1000km,豫、皖、苏、鲁,豫、皖、苏、鲁钱塘江钱塘江:干流长:干流长410km410km中国水能资源中国水能资源水能资源总蕴藏量水能资源总蕴藏量6.86.8亿亿kWkW,折合年发电量,折合年发电量5.95.9万亿度;技术可开发电量万亿度;技术可开发电量3.83.8亿亿kWkW,折合年发,折合年发电量电量1.91.9万亿度万亿度中国水能资源的分布(按技术可开发量)中国水能资源的分布(按技术可开发量)按地区划分按地区划分西南西南67.8%67.8%中南中南15.5%15.5%西北西北9.9%9.9%华东华东3.6%3.6%东北东北2.0%2.0%华北华北1.2%1.2%按流域及水系划分按流域及水系划分长江53.4%黄河6.1%珠江5.8%淮河0.1%东北诸河2.3%东南沿海诸河2.9%西南国际河流10.9%西藏诸河15.4%西北内陆及新疆2.8%中国水能资源分布的特点中国水能资源分布的特点空间分布上的不均匀性空间分布上的不均匀性时间分布上的不均匀性时间分布上的不均匀性我国河流多为降雨形成径流,年内降水很不均匀:我国河流多为降雨形成径流,年内降水很不均匀:两广、福建、台湾两广、福建、台湾::5~105~10月月长江中下游:长江中下游:4~64~6月月云贵青藏:云贵青藏:4~94~9月月秦岭淮河以北:秦岭淮河以北:7~87~8月月大型水电站的比重很大,单站规模大于大型水电站的比重很大,单站规模大于200200万万kWkW的水电站资源量占的水电站资源量占50%50%优良的水力地址大多集中在高山峡谷地区,电站容优良的水力地址大多集中在高山峡谷地区,电站容量大、水头高、单机容量大、技术复杂量大、水头高、单机容量大、技术复杂中国水电建设的发展中国水电建设的发展第一座水电站建于云南昆明的石龙坝,时间第一座水电站建于云南昆明的石龙坝,时间19121912年,容量年,容量1440kW1440kW水电总装机容量:水电总装机容量:20042004年突破年突破10001000亿亿kWkW,,20062006年底达到年底达到1.2861.286亿千瓦,居世界第一亿千瓦,居世界第一十大水电基地十大水电基地闽、浙、赣1118万kW湘西885万kW长江干流3000万kW乌江560万kW黄河中上游1800万kW金沙江5130万kW雅口1910万kW大渡河1870万kW澜沧江2073万kW红水河1000万kW水电站的开发方式、布置及组成水电站的开发方式、布置及组成按集中水头的方式,水电站可分为三类,按集中水头的方式,水电站可分为三类,即坝式、引水式、混合式水电站即坝式、引水式、混合式水电站坝式开发坝式开发与与坝式水电站坝式水电站特征:由坝集中水头,形成落差,电站规模特征:由坝集中水头,形成落差,电站规模大,水头小于大,水头小于300m300m(三峡最大水头(三峡最大水头113m113m),),所有建筑物均布置在一个枢纽中所有建筑物均布置在一个枢纽中布置原则:布置原则:(1)(1)ii较小;较小;(2)(2)具有综合功能(防具有综合功能(防洪、发电、灌溉或梯级开发);洪、发电、灌溉或梯级开发);(3)(3)具有形成水具有形成水库的地形地质条件库的地形地质条件电站类型电站类型河床式河床式:厂房挡水,电站规模大,适宜于大流量,:厂房挡水,电站规模大,适宜于大流量,低转速轴流式机组低转速轴流式机组坝内式坝内式:河床较窄,机组多,如凤滩、枫树坝、上:河床较窄,机组多,如凤滩、枫树坝、上游江游江厂顶溢流式厂顶溢流式:丹江口、贵州修定:丹江口、贵州修定坝后式坝后式:布置灵活(可直接布置在坝后,如三峡):布置灵活(可直接布置在坝后,如三峡)地下电站地下电站:要有良好的地质条件,电站布置灵活,:要有良好的地质条件,电站布置灵活,如二滩、白山、小浪底如二滩、白山、小浪底坝后河岸引水式坝后河岸引水式河床式水电站坝内式水电站坝后式水电站透视图坝后河岸引水式水电站(隔河岩水电站)优缺点优缺点利用水库调节水流,水能利用充分,发电有保证利用水库调节水流,水能利用充分,发电有保证建筑物集中布置便于运行管理,如小浪底建筑物集中布置便于运行管理,如小浪底可综合利用可综合利用掩没损失大掩没损失大移民多移民多工程量大,工期长,投资大工程量大,工期长,投资大技术复杂技术复杂枢纽组成枢纽组成坝:附有泄洪孔(表深底)、冲沙孔、取水口、筏坝:附有泄洪孔(表深底)、冲沙孔、取水口、筏道、渔道、航道道、渔道、航道发电引水建筑物:进口及其附属建筑物(栅、检修发电引水建筑物:进口及其附属建筑物(栅、检修门、工作门)、压力管道,尾水建筑物门、工作门)、压力管道,尾水建筑物发电、变电、配电建筑物:主副厂房、变压器场、发电、变电、配电建筑物:主副厂房、变压器场、开关站开关站引水式开发引水式开发与与引水式水电站引水式水电站特征:靠引水道来集中水头。水头高特征:靠引水道来集中水头。水头高((可达可达2000m2000m以上),电站规模小,综合利用价值以上),电站规模小,综合利用价值低,有低坝或无坝低,有低坝或无坝布置原则布置原则ii较大之河流(山区、中上游)较大之河流(山区、中上游)跨流域开发(利用隧洞穿过分水岭)跨流域开发(利用隧洞穿过分水岭)截弯取水截弯取水厂房类型厂房类型地面式:下苇店地面式:下苇店地下式:福建古田溪地下式:福建古田溪优缺点优缺点淹没损失小,移民少淹没损失小,移民少无调节水库,水量利用率低,综合利用价值差无调节水库,水量利用率低,综合利用价值差大多需设置调压室大多需设置调压室对高压管道技术质量要求高对高压管道技术质量要求高枢纽组成部分枢纽组成部分无压引水式水电站无压引水式水电站(具有很长的无压引水渠)(具有很长的无压引水渠)首部枢纽:拦河坝、闸、进水口、沉沙池首部枢纽:拦河坝、闸、进水口、沉沙池引水建筑物:渠道、渡槽、倒虹吸、压力前池、调引水建筑物:渠道、渡槽、倒虹吸、压力前池、调节池、压力管道、泄水道节池、压力管道、泄水道厂房枢纽:主副厂房、尾水建筑物、启闭设备、变厂房枢纽:主副厂房、尾水建筑物、启闭设备、变压器场、开关站压器场、开关站有压引水式水电站有压引水式水电站(具有很长的有压引水道)(具有很长的有压引水道)首部枢纽:拦河坝、进水口首部枢纽:拦河坝、进水口引水建筑物:一般为压力隧洞、调压室、压力管道引水建筑物:一般为压力隧洞、调压室、压力管道厂区枢纽:主副厂房、尾水建筑物、启闭设备、变厂区枢纽:主副厂房、尾水建筑物、启闭设备、变压器场、开关站压器场、开关站无压引水式水电站有压引水式水电站示意图水库闸门室坝溢流坝有压隧洞调压室高压管道厂房尾水渠开关站混合式开发混合式开发与与混合式水电站混合式水电站特征特征利用坝和引水道共同集中落差(具有坝式开发和引利用坝和引水道共同集中落差(具有坝式开发和引水式开发的共同优点)水式开发的共同优点)就建筑物的组成和型式来看,混合式、有压引水式就建筑物的组成和型式来看,混合式、有压引水式以及坝后河岸引水式是相同的以及坝后河岸引水式是相同的布置原则布置原则前有筑坝建库条件前有筑坝建库条件后部较大,且具有一定落差后部较大,且具有一定落差厂房类型厂房类型地面厂房地面厂房地下厂房地下厂房混合式水电站抽水蓄能电站抽水蓄能电站装设具有抽水及发电两种功能的机组,利用电装设具有抽水及发电两种功能的机组,利用电力系统低谷负荷期间的剩余电能向上