[科普中国]-水电厂

发展前景

中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大。据此，加快西部水力资源开发、实现西电东送，对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，无疑具有非常重要的意义。另外，大力发展水电事业将有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入，加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用2。水电开发通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展，将把地方资源优势转变为经济优势、产业优势，以此带动其他产业发展，形成支撑力强的产业集群，有力促进地方经济的全面发展。

水力发电基本原理水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为旋转机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机),随着水轮机的旋转便可发出电来，这时机械能又转变为电能3。

水力发电在某种意义上讲是水的势能变成旋转机械能，又变成电能的转换过程。根据原理可推算出水力发电的出力公式如下：

P=9.81ηHQ
P：出力单位：kW（千瓦）机组机端传出的功率。
H：水头单位：m（米）作用在水轮机上的有效水头，它等于水库水位与下游水位之差（即：毛水头）减去引水部分水头损失，水头损失△h，据经验，一般为Hg（毛水头）的3%~10%，输水道短取小值。
Q：流量单位：m3/s（立方米/秒）水电厂水轮机的引用流量。
η：水轮发电机组效率，包括水轮机的效率和发电机的效率，η不但与水轮机、发电机的类型和参数有关，还会随机组运行工况的改变而改变，不是一个固定值。为简化计算，令k=9.81η，则可把出力公式简化为：

P=kHQ
k：水电站出力系数。大中型水电站k=8.0~8.5；中小型水电站k=6.5~8.0，对小型电厂：k=6.0~6.5。
各国一般把装机容量0.5万kW以下的水电站定为小水电站，0.5万～10万kW为中型水电站，10万～100万kW为大型水电站，超过100万kW的为巨型水电站。

水电站组成部分及作用水电站一般主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站)四大部分组成。
主要组成部分有：水工建筑物、水力机械设备、发电设备、变电设备、配电设备、输电设备和控制及辅助设备4。

水工建筑物的组成与作用1.水工建筑物的组成

挡水建筑物——坝泄水建筑物——溢洪道、泄水孔、溢流坝、泄洪洞闸门——进水闸门、尾水闸门、溢洪道闸门
用水建筑物——水电站进水引水建筑物（渠道或隧洞、压力钢管、进水口）和厂房

2.水工建筑物的作用
坝的作用：是拦截水流、抬高水位、形成水库，造成上下游之间的水位差，使电站具备水力发电的基本条件。在有调节库容的坝式水电站上，坝同时实现集中河段落差和调节河流中的流量的双重作用，不仅为水电厂服务，同时还有防汛、灌溉、航运、工业给水等作用。

溢洪道、泄水孔的作用：宣泄洪水，防止洪水漫顶，确保大坝安全，故又称泄洪建筑物。有的泄水建筑物还可以用来放空水库或施工导流等。泄水建筑物按泄流方式可分为溢洪道和深式泄水道两类。

闸门的作用：调节流量和控制洪水。闸门可根据它所在的位置的不同分为低水头闸门和高水头闸门。发电用的进水口闸门和底孔闸门属于高水头闸门，溢洪道上的闸门属于低水头闸门。从其结构划分，最常见的有平板闸门和弧形闸门。尾水闸门主要是设备检修时使用。
用水建筑物的作用：可分为进水和引水建筑物，它包括进水口和引水道，其作用是将坝内的水引到厂房供水轮发电机组使用。

引水道可分为：渠道、隧洞（有压和无压）、压力水管、渡槽和倒虹吸等一些引水式水电站在引水建筑物上还设有压力前池、调压室或调压井等
主厂房：用来安装水轮发电机组及其辅助设备的厂房，以及组装、检修发电机组的装配场。

副厂房：安装配电设备及其运行管理设施的厂房。副厂房一般包括水电站的运行、控制、试验、管理用房，以及操作人员工作、生活的用房。

水力机械设备的组成与作用
1.水力机械设备的组成主阀水轮机轴导轴承尾水管
2.水力机械设备的作用主阀：（球阀、蝶阀）事故时，紧急切断水流，防止机组飞逸事故发生；机组检修时，切断水流；长时间停机时，关闭蝶阀，减少漏水量，节约水资源。
水轮机：按安装方式可分为立式、卧式；按水流能量转换的特征，可分为反击式（利用水流体的动能和势能）和冲击式（仅利用水流的动能）。反击式：轴流式（定浆：H：3~50m，转浆：H：3~80m）、混流式（H=30~700m）、斜流式（H=40~200m）、贯流式（2～30m）。
冲击式：适用于高水头、小流量的小型机组，水斗式水轮机（切击式）（40~2000m，一般常用水头范围40~800m）、斜击式水轮机（50~400m）、双击式水轮机（6~150m）。水轮机的组成部分及作用蜗壳：形成水力环量。座环：承受机组全部重量。
底环及顶盖：固定活动导叶并形成转轮室。转轮：水能转换成旋转机械能。
活动导叶：控制水流量，达到调节转速和出力的目的。轴：传递机械能。
导轴承：承受径向水推力和控制摆度。尾水管：回收能量并导出水流。

发电机的组成部分及作用发电机主要组成部分
定子、转子、推力轴承、导轴承、轴、机架、冷却器、制动器。

2.发电机主要组成部分的作用定子：产生感应电势。转子：产生旋转磁场。
推力轴承：承受轴向水推力及机组转动部件自重。导轴承：承受径向水推力和控制摆度。轴：传递机械能。
上机架：安装推力轴承、上导轴承、集电环等。下机架：安装下导轴承、制动器。
冷却器：轴承冷却器用于冷却轴承，空气冷却器用于冷却发电机。

制动器：停机时制动发电机，防止长时间低速旋转损坏推力轴承。

变电设备的组成部分及作用1.变电设备组成
油浸式变压器：底座、钟罩、油枕、铁芯、绕组及散热装置等。干式变压器：铁芯、绕组、箱体及散热装置等。

2.变电设备的作用
变压器：升高交流电压或降低交流电压。

1.配电设备主要有：断路器（开关）、隔离开关（闸刀）、互感器、避雷器、母线、导线等。
2.配电设备的作用

断路器（开关）：关合、承载、开断运行回路正常电流、过载电流。

隔离开关（闸刀）：合闸时承载正常回路电流、过载电流，分闸时符合绝缘距离和有明显断开标志。

配电设备的组成及作用电压互感器（PT）：把高电压降为标准电压，供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电压为100V。

电流互感器（CT）：把大电流降为标准电流，供保护、计量、仪表等装置使用。一般标准电流为5A或1A。

避雷器：限制过电压以保护电气设备。

母线：汇集、分配和传送电能。
导线：传送电能。

输电设备的组成及作用1.输电设备的组成
线路、铁塔（电杆）、避雷线等。

2.输电设备的作用线路：传送电能。铁塔（电杆）：固定导线和避雷线。避雷线：保护架空输电线路

控制设备的组成及作用1 .控制设备主要有：
励磁装置、调速装置、继电保护、同期装置、自动装置、计算机监控系统、直流系统等。
2.控制设备的作用
励磁装置：为发电机转子提供直流电建立磁场，控制发电机机端电压或调整机组无功功率。
调速装置：控制机组转速或调整机组有功功率。
继电保护：监视电力系统的正常运行，当被保护的元件发生故障时，自动迅速地、有选择地发出跳闸命令，将故障设备从系统中切除，保证正常设备继续运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全、连续供电。
同期装置：不同电源间的同期并网。类型：自同期、准同期（自动准同期、手动准同期、灯光熄灭准同期）。
自动装置：完成一定功能的自动装置。类型：重合闸装置、低周启动装置、高周切机装置。

计算机监控系统：通过对电站各种设备信息进行采集、处理，实现自动监视、控制、调节、保护等功能，保证设备安全稳定运行，按电力系统要求进行优化运行，合理充分利用水能，保证电能质量，减少运行与维护成本，改善运行条件，实现无人值班或少人值守。

硬件组成有：工作站、服务器、网络设备、GPS时钟、UPS电源、现地LCU、数据采集设备及通信设备等。
直流系统：为开关设备的操作、二次设备提供可靠能源。直流系统组成：蓄电池、充电装置、配电装置。

辅助设备的组成及作用1.水电厂辅助设备的组成：
水系统：技术供水、渗漏排水、检修排水。油系统：绝缘油、润滑油。
气系统：高压气、中压气、低压气。

2.水电厂辅助设备的作用技术供水系统：
主要对象：发电机空气冷却器、发电机推力轴瓦及导轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器、主轴密封、水冷式变压器、水冷式空气压缩机、深井泵润滑水、消防用水等。

技术供水水源：上游水库（压力钢管或蜗壳、坝前取水）、下游水库、地下水源等。

技术供水的方式：自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。

排水系统：防止厂房内部积水和潮湿，保证机组过流部件和厂房水下部分的检修。

包括：生产用水的排水、检修排水、渗漏排水、厂区排水。

油系统：
润滑油：透平油、空气压缩机油、机械油及润滑脂等。

润滑油的作用：润滑、散热、传递能量。

绝缘油：变压器油、电缆油、开关油。

绝缘油的作用：绝缘、散热、消弧。
气系统：
高压气系统：供油压装置压力油罐补气。
中压气系统：水导轴承检修密封围带、蝴蝶阀止水围带。
低压气系统：机组停机制动、调相压水、风动工具、吹扫用气。

水电厂分类分类标准按集中落差

堤坝式水电厂（又分坝后式和河床式），引水式水电厂和混合式水电厂；

按径流调节程度

无调节水电厂和有调节水电厂；前述水电厂是专供发电用的，另外有一种特殊形式的水电厂，叫抽水蓄能电厂（十三陵电厂），这类电厂有上下两个水库，电厂中有发电和抽水两类设施，电厂在系统峰荷时发电（调峰），系统低谷时抽水耗电（填谷），另有调相、调频和备用的作用；我国目前最大的水电厂是三峡，装机容量1820万KW，26台70万KW机组，参与发电的是14台机组，即980万KW；（二滩水电厂，装机容量330万KW，6台55万KW机组）最大抽水蓄能水电厂：广东抽水蓄能水电厂，装机容量240万KW，8台30万KW机组3。

按利用能源类型

水电厂可分为常规水电厂(包括梯级水电厂)、抽水蓄能电厂、潮汐电站和波浪能电站。常规水电厂又可按水头集中方式、水库调节径流性能和装机规模的区别分类。其中按水头集中方式可划分为坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂；按水库调节径流性能可划分为多年调节、年调节、季调节、周调节、日调节水电厂和不调节径流的径流式水电厂；按单厂装机容量规模分类，我国现行的划分标准是单厂装机容量250MW及以上的为大型，250MW以下至25MW的为中型，小于25MW的为小型。5

按开发方式

可分成纯抽水蓄能、混合式和调水式三种类型。

具体类型坝式水电厂

坝式水电厂或称坝库式、堤坝式、蓄水式水电厂，是水电开发的基本方式之一。坝式水电厂是由河道上的挡水建筑物壅高水位而集中水头的水电厂。当水头不高且河道较宽时，用厂房作为挡水建筑物的一部分，这类水电厂又称河床式水电厂，也属于坝式水电厂。

坝式水电厂的发电厂房有坝后式、坝内式、溢流式、岸边式、地下式和河床式几种类型。5

引水式水电厂

引水式水电厂是水电开发的基本形式之一。这类水电，宜建在河道坡降较陡的河段或大河湾处，在河段上游筑坝引水，用引水渠道、隧洞、压力水管等将水引到河段下游，用以集中水头发电。这类水电厂大都为高水头水电厂。跨流域引水发电的水电厂必然是引水式水电厂。

混合式水电厂

混合式水电厂或称水库引水式水电厂，这类水电厂由挡水建筑物和引水系统共同集中发电水头，并由水库调节径流发电。

径流式水电厂

式水电厂，是在河道中拦河筑低坝或闸，基本不调节径流，靠天然径流发电的水电厂。当来水流量大于水轮机过水能力时，水电厂满出力运行，多余水量经泄水建筑物直接泄向下游，称为弃水；当来水流量小于水轮机过水能力时，则有部分发电机组容量来被利用。水电厂的这种运行方式称为径流发电。5

梯级水电厂

梯级水电厂是分布在一条河流上下游有水流联系的水电厂群，其各级水电厂可以是坝式、引水式或混合式水电厂等不同类型。各类水电厂都有各自的优缺点，建设梯级水电厂可以互相取长补短，取得提高资源利用率，协调水资源综合利用之间的矛盾，缩短总工期，减少总投资等梯级效益。

抽水蓄能电厂

抽水蓄能电厂建有上下两座水库，其间用压力隧洞或压力水管相连接。它是利用电力系统低谷负荷时的剩余电力从下库抽水雷存到上库，在高峰负荷时从上库放水至下库发电的水电厂。5

水电厂在电力系统中的作用
在电力系统中，发电厂一般有火电厂、水电厂、核电厂、风电场、太阳能电厂等几类。在水力资源贫乏地区，火电厂所占比例较大，而在水力资源丰富且开发程度较高的地区，水电厂则占有较大的比例，风电场和太阳能属于新能源，最近几年发展比较迅速。水电厂在电力系统的主要作用有以下几项3：

(1)提供电能。是水电厂的主要任务。

(2)调峰。有调节能力的主力水电厂担任。

(3)调频。有水库且调节能力较强的大型机组担任，中国的频率50±0.2Hz。

(4)调相。具备调相运行能力，可根据电网要求参与系统无功功率平衡。

(5)作为事故备用。由于水轮发电机组具有迅速起动投入并网发电的特点，当电力系统突然发生事故时，急需补充电量，常把水电厂的机组作为事故备用机组。

(6)蓄能作用。抽水蓄能水电厂低谷时抽水用电储能，在用电高峰时发电向系统供电，满足负荷需要。

水电属于清洁能源，根据水电的特点和在电力系统中的作用，运行方式一般遵循以下原则：

1.充分利用水能。无调节能力的一般担任基荷运行，主要是径流电厂；有调节能力的枯水期一般参与调峰运行，丰水期为避免弃水一般逐步过渡到基荷运行，调峰任务转交给火电厂。

2.为降低火电厂煤耗，节约资源，枯水期水电厂参与调峰运行，让火电厂在高效区运行。丰水期则水电厂在基荷运行，火电厂最大限度参与调峰运行，最大限度减少弃水。

3.合理分配负荷，尽量使水电机组在高效率区运行。水电机组一般避免在低水头、低负荷区运行，在低水头、低负荷区运行时，不但效率低，还有可能会处在振动区运行，影响机组的安全运行和使用寿命。