水力发电原理

ID:128229 · 发表于 2016-6-29 22:59

Hydroelectric Power Principle
水力发电原理

江河水流一泻千里，蕴藏着巨大能量，把天然水能加以开发利用转化为电能，就是水力发电。构成水能的两个基本要素是流量和落差，流量由河流本身决定，直接利用河水的动能利用率会很低，因为不可能在整个河流的截面水布满水轮机。

水力利用主要利用势能，利用势能必须有落差，但河流自然落差一般沿河流逐渐形成，在较短距离内水流自然落差较低，需通过适当的工程措施，人工提高落差，也就是将分散的自然落差集中，形成可利用的水头。

水力发电的原理与基本类型

常用的集中落差方式有筑坝、引水方式或两者混合方式。

筑坝发电方式

在落差较大的河段修建水坝，建立水库蓄水提高水位，在坝外安装水轮机，水库的水流通过输水道（引水道）到坝外低处的水轮机，水流推动水轮机旋转带动发电机发电，然后通过尾水渠到下游河道，这是筑坝建库发电的方式。图1是坝式发电原理图。

图1 筑坝建库发电原理图

由于坝内水库水面与坝外水轮机出水面有较大的水位差H0，水库里大量的水通过较大的势能进行做功，可获得很高的水资源利用率。采用筑坝集中落差的方法建立的水电站称坝式水电站，主要有坝后式水电站与河床式水电站。

引水发电方式

在河流高处建立水库蓄水提高水位，在较低的下游安装水轮机，通过引水道把上游水库的水引到下游低处的水轮机，水流推动水轮机旋转带动发电机发电，然后通过尾水渠到下游河道，引水道会较长并穿过山体，这是一种引水发电的方式。图2是引水发电原理图。

图2 引水发电原理图

由于上游水库水面与下游水轮机出水面有较大的水位差H0，水库里大量的水通过较大的势能进行做功，可获得很高的水资源利用率。采用引水方式集中落差的水电站称为引水式水电站，主要有有压引水式水电站与无压引水式水电站。

水电站主要工作参数

通过水电站主要工作参数可以对水电站工作原理进一步了解。水电站主要工作参数包括流量、水头、出力等。

1．流量Q为单位时间内通过水轮机的水体积，单位m3／s。

2．静水头Ho（也称毛水头，即水的落差）单位m

水电站上游水位为Zu，下游水位为Zd，则有：

Ho =Zu- Zd

3．出力 单位时间内的天然水能Pt称为水电站理论出力，即

水电站的实际出力要小于理论出力。在由水能转化为电能过程中，会产生能量损失，主要有水头损失与能量转化损失：

水流经输水道后会损失一部分能量，称为水头损失Ah，它与流道长度、截面形状和尺寸、构造材料、铺设方式等等因素有关，须在电站总体布置完成后才可做出较精确的计算。初步计算时，可估计Ah=(1%～10%)Ho，输水道长、流速大的取大值，输水道短、流速小的取小值。

除此外在能量转化过程中还将损失一些能量，水轮机的效率约90%至95%、发电机的效率约90%至98%、传动设备也会有能量损失，水电站实际出力P为

式中：ηt 为水轮发电机组总效率，k为水电站出力系数。对中小型电站，k值一般取为6.5～8.0。
坝式水电站

Dam Type Hydroelectric Station

在河道上拦河筑坝抬高上游水位，形成较大的上下游水位差，构成水电站水头，这种水能开发方式称为坝式开发。采用坝式开发的水电站称为坝式水电站。坝式开发可用形成的蓄水库调节流量，使得水能利用程度较充分。蓄水库可同时解决防洪、供水等部门的水利问题。坝式水电站一般建设在非溢流坝段，常见的是河床式水电站与坝后式水电站。

河床式水电站

河床式水电站大多建造在河流中下游河道底坡平缓的河段上。水电站厂房与坝排成一体，共同阻挡河水，这种坝一般不高，中小水电站水头为10m左右，主要靠流量大出力，属低水头大流量型水电站，图1是河床式水电站厂房横剖面图。

图1 河床式水电站厂房横剖面图

河床式水电站水头低，不会形成大面积水库，通常建在河流的中下游。河床式水电站枢纽最常见的布置方式是泄水闸（或溢流坝）在河床中部，厂房建在一边或两边。广西西津水电站是河床式水电站，图2是该电站照片，左侧是溢流坝拦截河水，右侧是河床式厂房即拦截河水又让通过的河水推动水轮机发电。

图2 西津水电站（图片来自网络）

西津水电站枢纽总坝长约800m，最大坝高41m，平均落差20m。图片左侧是土坝与重力坝；靠中部是溢流坝，用于宣泄洪水，溢流坝段长112m；右侧是河床式厂房，厂房段长132m，厂房即拦截河水又让通过的河水推动水轮机发电，主厂房长103.5m、宽58.35m、高60.9m，厂房内安装4台转浆式水轮发电机组，总装机容量23.44万kW。

湖北葛洲坝水利枢纽是大型河床式水电站，大坝为混凝土重力坝，全长2595 米，最大坝高5 3 . 8 米，大坝布置从右岸起：大江冲沙闸、一号船闸、大江电站厂房、二江泄水闸、二江电站厂房、二号船闸、三江冲沙闸、三号船闸，葛洲坝水库总库容15.8亿立方米。图3是葛洲坝水利枢纽的照片（三江部分太远未标识）。

图3 葛洲坝水利枢纽（图片来自网络）

二江泄水闸是主要泄水通道，是敞开式平底泄水闸，有9 个闸段，共2 7 个闸孔。敞开式平底泄水闸的上部没有阻挡水流的胸墙或档板，闸通道的底板是平直的，所以泄流能力大，有利于泄洪、冲沙、过木、排污、排冰等。

发电站采用低水头轴流式水轮机，大江电站厂房装有14 台各为1 2 . 5万千瓦的水轮发电机组；二江电站厂房装有2 台17 万千瓦水轮发电机组与5 台1 2 . 5万千瓦水轮发电机组，葛洲坝电站装机总容量为2 7 1. 5 万千瓦。

坝后式水电站

当开发河段允许筑较高的坝蓄水来获得较大的水头时，由于上游水压力较大，水电站厂房本身的结构和重量已不足以维持稳定，无法挡水，必须筑建专门的大坝挡水，将厂房布置在坝的下游侧，这种布置称为坝后式水电站，图4 是坝后式水电站厂房横剖面图，在厂房中安装水轮机与水轮发电机。

图4 坝后式水电站厂房横剖面图

坝后式水电站常建于河流中或上游的高山峡谷中，可得到中高水头的落差。

世界上最大的水电站我国的三峡水电站就是坝后式水电站，采用混凝土重力坝。图5是从下游远方眺望三峡水电站的照片，在照片中标出了主要坝段的分布：大坝中间部分是泄洪坝段，两侧是发电厂房坝段，再两侧是非溢流坝段。

三峡大坝全长2309．47米，中部泄流坝长483米，最大坝高181米,水头约110米。

图5--三峡水电站大坝图（图片来自网络）

泄洪坝段的上部有坝顶溢流表孔22个，在坝体下方有深孔泄洪通道23个，表孔溢流通道与深孔泄洪通道间隔分布，图6左图是泄洪坝段的剖面示意图，图中把表孔溢流通道与深孔泄洪通道在同一张图相叠表现。

泄洪主要通过深孔泄洪，可有效带走上游淤积泥沙，在大洪水时进行溢流泄洪。

图6--三峡大坝剖面图

图7照片是大坝深孔泄洪状态。

图7--三峡大坝泄洪状态（图片来自网络）

泄洪坝段的两侧是发电厂房坝段，发电厂房在大坝后方，水轮机引水管道从坝体穿过向下引入发电厂房，见图6左图。在厂房坝段的下方还设有若干个冲沙孔。

图8--坝后厂房布置（图片来自网络）

左侧厂房安装14台70万千瓦水电机组，采用混流式水轮机，右侧厂房安装12台70万千瓦水电机组；在右岸大坝“白石尖”山体内的地下厂房有6台70万千瓦水电机组，这样共有70万千瓦水电机组32台，加上两台5万千瓦电源机组，三峡电站总装机容量达到2250万千瓦。

坝式水电站地下厂房

坝后式水电站根据地形与地质情况，采用把发电厂房建在坝侧的山体内的地下厂房，地下厂房由主厂房洞室、主变压器洞室与引水、供气等隧洞组成，在山体内开凿而成。

我国的四川省宜宾县金沙江下游建设的向家坝水电站采用实体重力坝，最大坝高161米，坝顶长937.5米。水电站除了在靠左岸建设坝后厂房外，在右岸山体内开挖了地下厂房。地下厂房由主厂房洞室与主变压器洞室组成，4条引水隧洞从上游岸边连通厂房4台水轮机，4条尾水隧洞并为2条后通往下游江边，除此还有进厂交通洞、通风洞、排水洞、出线洞、母线洞、安全兼施工洞等。

图9是向家坝水电站的立体布置示意图，图左侧山体透明显示，可看到内部的地下厂房（橙色部分）与相关隧洞水管、主要通道的布置概况。

图9--向家坝水电站立体布置图（图片来自网络）

图10--是在建的向家坝水电站照片

图10--向家坝水电站（图片来自网络）

向家坝水电站的地下厂房与坝后厂房各安装4台80万千瓦的水轮发电机组，总装机容量640万千瓦。

许多采用拱坝的水电站，因地形狭窄，厂房只能建在地下，我国二十世纪建成的最大的水电站二滩水电站就采用地下式厂房。图6是二滩水电站照片。

图11--二滩水电站（图片来自网络）

二滩水电站位于雅砻江下游，距离金沙江的汇合口约 40km ，距攀枝花市约40km，坝址处于高山狭谷中。大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶弧长775m，最大坝高240m。厂房在照片右下方山体内，是地下式厂房，厂房内布置6台单机容量55万kW的混流式水轮发电机组。

坝式水电站建库拦截河水，可通过水库调节流量，使得水能利用程度较充分。同时水库可解决防洪、供水等水利问题，综合利用效益高。但是，由于坝的工程量大，而且会带来库区土地、森林、矿藏淹没损失等环境问题，同时移民安置也是困难问题，所以坝式水电站是投资大、工期长的大型工程。

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