1.2　水电站基础

1.2.1　水能及水能资源

1.2.1.1　水能(waterpower,hydropower)

水能是以位能、压能和动能等形式存在于江、河、湖、海河川径流等水体中所具有的天然能量资源,是能源的重要组成部分。2006年颁布的《中华人民共和国可再生能源法》明确水能为可再生能源。

1.2.1.2　水能资源(waterpower resources,hydropower resources)

指江、河、湖、海中的水能蕴藏量。水能资源理论蕴藏量为河川或湖泊的水能能量(年水量与水头的乘积),以年电量和平均功率(年电量/8760)表示,其量值与是否布置梯级电站无关,与其国土面积、河川径流量和地形高差有关,分河段计算后累积。一般以理论蕴藏量和技术可开发量表示:

技术可开发量指在当前技术水平条件下,可开发利用的水力资源量。经济可开发量指在当前技术、经济条件下,具有经济开发价值的水力资源量。

1.2.1.3　我国水能资源蕴藏量

根据2005年11月25日发布的中华人民共和国水力资源复查成果,我国大陆水力资源理论蕴藏量在1万kW及以上的河流共3886条,理论蕴藏量为69440万kW,年发电量为60829亿kW·h;技术可开发装机容量54164万kW,年发电量24740亿kW·h;经济可开发装机容量40180万kW,年发电量17534亿kW·h。截至2014年底我国水电装机容量达到3.0亿kW,已达到技术可开发容量的55%。由于我国地势西高东低,地形高低悬殊,因此河流落差巨大,虽然我国国土面积、年径流总量小于加拿大和美国等国,但水能蕴藏量居世界首位。全国水能蕴藏量,划分为10个流域(片)进行统计,见表1.2.1。

我国的水能资源还具有以下三大特点:

(1)资源总量十分丰富,但人均资源量并不富裕。以电量计,我国可开发的水电资源约占世界总量的15%,但人均资源量只有世界均值的70%左右,并不富裕。到2050年左右中国达到中等发达国家水平时,如果人均装机从现有的0.252kW加到1kW,总装机约为15亿kW,即使6.94亿kW(2005年普查)的水能蕴藏量开发完毕,水电装机也只占总装机的45%左右。

(2)分布不均衡,与经济发展的现状不匹配。我国水电资源主要集中在长江、黄河的中上游,雅鲁藏布江的中下游,珠江、澜沧江、怒江和黑龙江上游,这7条江河最少可开发的大、中型水电资源都在1000万kW以上,总量约占全国大、中型水电资源量的90%。全国大中型水电100万kW以上的河流共18条,水电资源约为4.26亿kW,约占全国大、中型资源量的97%。

按行政区划分,我国水电主要集中在经济发展相对滞后的西部地区。西南、西北11个省(自治区、直辖市)包括云、川、藏、黔、桂、渝、陕、甘、宁、青、新,水电资源约为4.07亿kW,占全国水电资源量的78%,其中云、川、藏三省(自治区)共2.9473亿kW,占57%。而经济相对发达、人口相对集中的东部沿海11省(自治区、直辖市),包括辽、京、津、冀、鲁、苏、浙、沪、穗、闽、琼,仅占6%。

(3)江河来水量的年内和年际变化大。中国是世界上季风最显著的国家之一,冬季多由北部西伯利亚和蒙古高原的干冷气流控制,干旱少水,夏季则受东南太平洋和印度洋的暖湿气流控制,高温多雨。受季风影响,降水时间和降水量在年内高度集中,一般雨季2～4个月的降水量能达到全年的60%～80%。降水量年际间的变化也很大,长江、珠江、松花江年径流最大与最小比值为2～3倍,淮河达15倍,海河更达20倍之多。根据情况优先建设具有年调节和多年调节水库的水电站,可以显著提高水电的供电质量,增强流域水资源调控能力。

我国及世界上部分国家水能资源开发情况见表1.2.2。

1.2.2　水力发电的基本原理及常规水电站发电流程

1.2.2.1　发电原理

“人往高处走,水往低处流”,河道中的水流在地心引力(重力场)的作用下,中高处的水流相对于较低的位置就具有势能,其高差越大,流量越多,势能就越大,做功的能力就越大。如图1.2.1所示,在河道上取任意L(m)长的河段,其上断面为1-1断面,下断面为2-2断面,河道的坡降为i,其间水面降落的垂直高度(通常称为落差或水头)为H1-2(m)。设在T(s)时段内有(m3)的水量通过断面,则两断面间的水体所具有的能量E1-2为

单位时间内所做的功称为功率,在水力发电工程中通常称为出力,用N表示,则该河段的平均出力N1-2为

出力N通常以kW(1W=1J/s=1N·m/s)表示,则

1-2河段t小时的总做功量为

这种水流能量在未被利用以前,主要分散地消耗在水流对河床的淘刷、挟带泥沙和相互的撞击上。如果利用一系列的水工建筑物和水电站建筑物(水库或动力渠道),集中河道的落差,并控制和引导水流通过水轮机,将水能转变为旋转机械能,水轮机带动发电机转动,又将旋转机械能转换为电能,再经过变电设备升压后送往电力系统,供给广大用户,这就是水力发电的原理。水电站就是将河流中蕴藏的水能转变为电能而修建的工程建筑物和机械、电气设备的综合体。

用筑坝集中落差并形成水库,通过引水建筑物和水轮发电机组引水发电,则水电站的出力在考虑到引水道的水头损失和水轮机、发电机的效率后可依式(1.2.5)计算为

在初步估算出力时可应用简化公式为

K被称为出力系数。一般,大型水电站出力系数K在8.5以上,中型水电站K=8.0～8.5,小型水电站K=7.5～8.0。

世界上第一座水电站于1878年诞生于法国。我国大陆第一座水电站是云南昆明的石龙坝水电站,1910年7月开工建设,1912年4月发电,装机容量480kW,2006年被国务院批准列入第六批全国重点文物保护单位名单。陕西省第一座水电站为汉中武家沟水电站,系利用褒惠渠跌水修建,装机容量160kW,于1945年开工建设,1946年发电。1949年被炸毁,后重建,运行至1972年报废。随着电力工业的发展,水电站的规模和机组容量也越来越大。目前世界上装机容量最大的是长江三峡水电站,总装机容量达到2250万kW,年发电量为1000多亿kW·h左右;第二是金沙江白鹤滩水电站,装机容量达到1600万kW;江西洪屏抽水蓄电站,总装机容量为240万kW,与广东惠州抽水蓄能电站并列为世界上装机容量最大的抽水蓄能电站;最高的大坝是中国锦屏Ⅰ级大坝,高达305米;单机容量最大的水轮发电机组是向家坝水电站的机组,其单机容量为80万kW。

1.2.2.2　水电站发电流程

河川的水体通过修建大坝、隧洞(渠道)等水工建筑物来集中水头,流经压力管道等将压力水输送至厂房,当机组须运转发电时,打开主阀(有时),再开启导叶(实施调节和控制通过机组的水量)使水流驱动水轮机。水轮机后通过连接的主轴带动发电机旋转,发电机经励磁后,建立电压,并在断路器投入后,开始将产生的电能输送至电力系统。如要调整发电机组的出力,可以通过调整导叶的开度以增减过流水量来实现,发电后的水流经由尾水渠(洞)流回到河道。

水电站能量转换流程:水能→通过水轮机转换为旋转机械能→带动发电机发电将旋转机械能转换为电能→升压站及输电线路→电网→用户。常规水电站发电流程示意图见图1.2.2。

1.2.3　水电站主要组成部分

水电站是由各种水工建筑物(挡水建筑物、泄水及消能建筑物、进水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及厂房)以及发电、变电、配电、输电等机械、电气设备组成的一个有机综合体,机电设备安装在厂房内及各种建筑物上。水电站组成见图1.2.3。现按照水流方向的顺序介绍如下。

1.2.3.1　挡水建筑物

堤坝式、混合式水电站挡水建筑物主要作用是壅高水位,集中水头,形成水库,并具备一定的调蓄能力。引水式水电站挡水建筑物主要作用是壅高水位以形成引水条件。挡水建筑物形式主要有坝(重力坝、拱坝、土石坝)、闸(拦河闸、翻板闸、橡胶坝)等,河床式水电站厂房既是发电厂房也是挡水建筑物。部分规模较小的水电站也有采用弯道无坝引水的形式。

1.2.3.2　泄水及消能建筑物

泄水建筑物作用是泄放水库容纳不了的来水、来沙或放空水库;消能建筑物主要是消散下泄水流的能量(泄洪功率),确保泄水不危及水工建筑物安全,并使建筑物上下游水位衔接。重力坝、拱坝一般采用坝体泄洪,如坝身泄水表孔、中孔、底孔等,或设在坝体外的泄洪洞等;土石坝坝体一般采用岸边式溢洪道、泄水隧洞等。

消能建筑物结合泄水建筑物布置,是用以消耗下泄水流能量,减轻下游河床冲刷的设施,一般有消力池、消力塘、消力槛、消力墩等型式。消力池是经过开挖而建成在泄水建筑物下游的较深水池,其底板称为护坦。消力槛是设置在护坦末端,高出河底的混凝土槛;消力墩是设置在护坦里的混凝土墩;挑流坎是把下泄水流挑射至下游离坝基较远处的鼻坎(差动式、连续式)。

1.2.3.3　引水建筑物

引水建筑物包括进水建筑物、输水建筑物、平水建筑物。

1.进水建筑物

进水建筑物作用是从河流或水库取得所需的流量。进水口是水电站水流的进口,按照发电要求将水引入水电站的引水道。进水口应保证水流平顺、对称,流速变化均匀,不发生回流和漩涡,不出现淤积,不聚集污物。设置有拦污、防冰、拦沙及冲沙等设备。

进水口按照水流条件可分为开敞式进水口、浅孔式进水口和深孔式进水口,开敞式进水口又称无压进水口,浅孔式和深孔式属有压进水口。压力引水一般为深式进水口(竖井式、岸塔式、塔式及坝式),无压引水进水建筑物一般为开敞式进水口。

2.输水建筑物

输水建筑物主要作用是集中落差,输送流量,包括渠道、隧洞、渡槽、压力管道、倒虹吸等。

3.平水建筑物

平水建筑物在水电站负荷变化时用以平稳引水建筑物中流量和压力的变化,保证水电站调节稳定的建筑物。对有压引水式水电站为调压井(调压塔);对无压引水式电站为渠道末端的压力前池,前池还有将无压水变为有压水的作用。

1.2.3.4　厂房

水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施。集中布置了主要机电设备,使其具有良好的运行、管理、安装、检修等条件,也是运行人员进行生产和活动的场所。按设备布置、运行要求的空间,可分为主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站。按结构及布置特点可分为地面式(坝后式、河床式、岸边式)、地下式(地下式、半地下式、窑洞式)、其他型式厂房(坝内式及厂顶溢流式)等。

(1)主厂房。是水电站厂房的主要组成部分,布置着水电站的主要动力设备(水轮发电机组)和各种辅助设备,以及安装、检修设备的装配场(安装间)。立式机组主厂房以发电机层楼板面为界,垂直面上分为发电机层、水轮机层、蜗壳层等。发电机层为安放水轮发电机组及辅助设备和仪表、盘柜的场地,也是运行人员巡回检查机组、监视仪表的场所。水轮机层是指发电机层以下,蜗壳大体积混凝土以上的这部分空间。在水轮机层一般布置调速器的接力器、水力机械辅助设备(如油、气、水管路)、电气设备(如发电机引出线、中性点引出线、接地、灭磁装置等)、厂用电的配电设备等。蜗壳层除过水部分外,均为大体积混凝土,布置较为简单。

(2)副厂房。布置着控制设备、电气设备和辅助设备,是水电站的动行、控制、监视、通信、试验、管理和运行人员工作的场所。

(3)尾水渠。尾水渠紧邻厂房布置,可看作是退水建筑物,主要作用是使发电尾水与下游河道合理衔接,并回收部分水头。

1.2.3.5　水轮发电机组及其辅助系统

水轮发电机组和电气主接线如同电气系统的心脏和主动脉。水轮发电机组将水轮机输出的旋转机械能转变为电能,是水电站输出电能的源头。电气主接线则是采用适当的方式将水轮发电机、发电机电压设备、主变压器、高压配电装置、电力系统等连接在一起,以实现电能的生产、汇集、升压以及传输等功能。厂用电系统从机组、主变电网等处取得电源,并根据用电设施需求为电站机组运行、照明、公用设备、坝区用电设备等负荷(点)提供电能。接地系统用以确保水电站电气系统正常运行以及人身、设备安全,目前水电站接地系统充分利用库水、水下钢结构以及自然接地体等降低接地电阻。

1.2.3.6　升压变电站

升压变电站是发电机电压设备和高压配电装置的结合点,水轮发电机产生的电能通过母线传输至主变压器,将发电机出口电压(0.4kV、6.3kV)升高至输电电压(常用有35kV、110kV),降低输电电流,从而有效降低输电损耗。一般情况下,装机容量越大、输送距离越远,则输电电压越高。高压配电装置用于汇集发电机发出的电能,经主变压器送出至电力系统,主要包括敞开式配电装置、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)和混合式配电装置三种类型。

1.2.4　水电站的分类

水电站可分为潮汐、抽水蓄能及常规水电站三大类。常规水电站根据水头高低的不同分为高水头(水头大于70m)、中水头(水头30～70m)和低水头(水头低于30m)水电站;按照装机容量大小可分为小型、中型和大型水电站;根据调节能力可分为径流式、调蓄式;根据河道地形、地质、水文等条件的不同,水电站集中落差、调节流量、引水发电的情况也不同,按集中落差的方式可分为引水式、坝式和混合式水电站。水电站分类如图1.2.5所示。

1.2.4.1　引水式水电站(diversion conduit type development)

用修建引水建筑物(渠道、隧洞)来集中河段落差的水电站为引水式水电站。又可分为无压引水和有压引水水电站。当坝址上游流量较小,水位变化幅度不大时常采用无压引水。在高山峡谷区,当上下游水位变化较大时一般采用有压引水。我国广西的天湖水电站为引水式水电站(一期装机3万kW),最大静水头达1074m。引水式水电站淹没较少,造价较低,但无调蓄能力。运行时将引起厂、坝区间河道减水,如果不按规定泄放生态流量,区间又无较大支流汇入,将引起河道断流,水位下降。引水式水电站平面示意图见图1.2.5。

没有自由液面(液体与空气的交接面)的液流,且其中任一点的压强都大于大气压强,称为“有压流”,亦称“压力流”,例如给水工程管道中的水流。有自由液面的液流则称为“无压流”,例如明渠中的水流。

1.2.4.2　堤坝式水电站(dam type development)

用筑坝来集中河段落差的水能开发方式,它的水头是由坝抬高上游水位而形成。一般位于河道比降较缓,流量较大,并有筑坝建库条件的较大河流上。堤坝式水电站淹没、移民相对较多,优点是布置紧凑,集中运行管理方便,一般还具有一定的调蓄能力,机组选型时,大小机结合,有一台机组能常年运行,可以较好地解决生态流量问题。堤坝式水电站又可分为坝后式和河床式。

1.坝后式水电站

厂房建在坝的后面,上游水压力由坝承担,一般不传到厂房上来。汉江一级支流陕西旬河赵湾(27MW)、大岭(18.9MW)、季家坪(9MW)、钟家坪(7.5MW)梯级水电站均为坝后式水电站。坝后式水电站纵剖面见图1.2.6。

2.河床式水电站

厂房本身起挡水作用是河床式电站的主要特征,厂房工程等别、防洪标准与坝一致。适用于低水头、大流量的水电站,大部分采用轴流式机组或贯流式机组。河床式电站机组安装高程较低,需要特别重视泥沙、拦污等问题。陕西省宁强县嘉陵江巨亭水电站(40MW)为河床式水电站。河床式水电站纵剖面见图1.2.7。

1.2.4.3　混合式水电站(damAnd diversion conduit type development)

用坝和引水道共同来集中河段落差的水能开发方式,兼有堤坝式和引水式水电站的特点。图1.2.8为混合式水电站平面布置图。

各类水电站在水工建筑物型式上有一定差别,详见表1.2.3。

农村小型水电站中引水式水电站比例高,引水式水电站发电时必然要造成坝址、厂址区间河道减水,甚至脱流,因此必须按规定下泄生态流量;堤坝式水电站虽然没有脱流段,但当其进行调蓄或调峰运行时,蓄而不发也会造成下游部分时段减水、脱水,突然未经预警发电放水,易威胁下游河道中人员,因此坝式水电站最好有一台小机组能常年运行,既能保证生态流量下泄,也不会影响经济效益。

潮汐发电(tidal power development)修筑堤坝集中潮汐涨落时的水位差发电的水能开发方式。潮汐发电是在有条件的海湾或感潮口建筑堤坝、闸门和厂房,围成水库,水库水位与外海潮位之间形成一定的潮差(即工作水头),从而可驱动水轮发电机组发电。潮汐发电与普通水力发电原理类似,通过出水库,在涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。潮汐发电的水轮机结构要适合低水头、大流量的特点。

抽水蓄能电站(pumped storage development)利用电力系统负荷低谷时间内的富余电能从下库(池)抽水存入上库(池),在电力系统负荷高峰时间内由上库(池)供水发电的一种水能开发方式。它可将电网负荷低时的多余电能,转变为电网高峰时期的高价值电能,还适于调频、调相,稳定电力系统的周波和电压,且宜为事故备用,还可提高系统中火电站和核电站的效率。图1.2.9为抽水蓄能电站示意图。