水力发电概述

一、水力发电概述
　　水力发电就是将天然河流的水能转变为电能，来供给人们应用。发电所利用的能量来源是多种多样的，如：太阳能、江河的水力、空气流动所产生的风力都可以发电。利用水能的水力发电成本便宜，建设水电站还可以和其他水利事业结合起来进行。我国的水力资源非常丰富，条件也很优越，水力发电在国民经济建设中起着重要的作用。
　　一条河流的上游水位比其下游水位高，因为河流水位高低的差别，就产生了水能，这种能量称为位能或势能。河流水面高低的差别称为落差，也叫水位差或水头。这个落差是构成水力的一个基本条件。此外，水力的大小还取决于河流中水流量的大小，这是和落差同样重要的另一个基本条件。落差和流量都直接影响水力的大小；落差的水量愈大，水力也就愈大；如果落差和水量都比较小，水电站的出力也就较小。
　　落差一般是用米来表示。水面比降是落差和距离的比数，可以表示落 差集中的程度。落差比较集中，水力利用就比较方便。一个水电站所利用的落差，就是这个水电站的上游水面和通过水轮机后的下游水面之差。（图1）

流量是河流中单位时间内流过的水量，它以一秒钟内流过多少立方米来表示。一立方米的水量是一吨。一条河流的流量是随时随 地变化着的，所以我们谈流量时一定要说明它流过的具体地点的时间，流量在时间上的变化非常显著。我国的河流一般在夏季秋季雨季流量较大，冬季春季比较小，各月各天的流量不同，各年的水量也不同。一般河流的流量在上游比较小；因为各支流汇入，下游流量逐渐增大。所以上游的落差虽集中，但是流量较小；下游流量虽大，但是落差比较分散。因此，往往在河流的中游段利用水力最为经济。

    知道了一个水电站所利用的落差和流量，就可以用下列公式计算它的出力：
      N= GQH

式中  N--出力，单位为千瓦，也可称功率；
      Q--流量，以每秒立方米计；
      H--落差，以米计；
      G = 9.8 , 为重力加速度, 单位: 牛顿/千克
　　按上述公式算得的是理论功率，没有扣除任何损失。实际上，在水力发电过程中，水轮机、传动设备、发电机等都有不可避免的功率损失。所以，理论功率要打一个折扣，也就是要乘上效率系数（符号：K）才是我们所能利用的实际功率。
　　水电站中发电机设计的功率叫额定功率,实际发出的功率叫做实际功率。在能量的转变过程中，不免要损失一部分的能量。水力发电过程中主要有水轮机、发电机的损耗（管道也有损失）。农村微型水电站中各种损失总共约占全部理论功率的40～50%，所以水电站出力实际上只能利用理论功率的50～60%，也就是效率约为0.5～0.60（其中水轮机效率0.70～0.85，发电机效率0.85～0.90，管道、传动设备效率0.80～0.85）。 因此，水电站实际功率（出力）可按下式计算：
　　K--水电站的效率，微型水电 站 粗约计算时采用(0.5～0.6)；上式换入这个数值，可简化为：
　　N=(0.5～0.6)QHG 实际功率=效率×流量×落差×9.8
　　利用水力发电就是利用水力推动一种机械，这种机械叫做水轮机，如我国古老的水车，就是极简单的水轮机。现在应用的各种水轮机，就是适应各种具体的水力条件，使它更有效地转动起来，将水能变为机械能。在水轮机上再连接另一种机械--发电机，使得发电机的转子跟着水轮机转动起来，就可以发出电来。发电机可分作两部分：与水轮机连接在一起转动的部分及发电机的固定部分。与水轮机连接在一起转动的部分叫做发电机的转子，转子四周设有许多磁极；在转子外围的一圈是发电机的固定部分，叫做发电机的定子，定子裹绕了许多铜线圈。当转子的许多磁极在定子铜线圈中间转动的时候，铜线上就会产生电流，发电机就是把机械能转变为电能。
　　发电站所发出的电能，由各种用电设备气转变为机械能（电动机或称马达）、光能（电灯）、热能（电炉）等等。
二、水电站的组成
　　水电站的组成包括：水工建筑物、机械设备、电气设备。
（一）水工建筑物
　　它有堰(坝），进水闸，渠道（或隧洞），压力前池（或调节池），压力管道，厂房和尾水渠等。
　　在河道中筑一座堰（坝）来拦阻河水，使水面抬高，形成一个水库。这样，从堰（坝）上水库的水面到坝下河流的水面之间就形成了集中的落差，再通过用输水管或隧道，把水引入水力发电站。在比较陡的河道上，利用引水渠道也可以形成落差。如：一般天然河流每公里的落差有10米，如果在这段河道的上端开一渠道引进河水，渠道沿着河道开挖，渠道的坡降开得平些，假如使渠道中的落差每公里只下降1米，这样水在渠道中流了5公里，水面只降落5米，而水在天然河道走了5公里后却降落了50米。这时，再用输水管或隧洞把渠道的水引回到河边的发电厂房里，就有45米的集中落差可以利用来发电了图2

　　利用引水渠道、隧洞或水管（如塑料管、钢管、混凝土管等）来形成集中落差的水电站，叫做引水道式水电站，它 是一种典型的水力发电站布置形式。
    (二)、机械电器设备
    水力发电站除了上述的水工 （堰、渠道、前池、压力管道、厂房）外，还需有下述设备：
    （1）机 械 设 备
    有水轮机、调速器、闸阀、传动设备和非发电设备等。
    （2）电 器 设 备
    有发电机、配电控制盘、变压器及输电线等。
    　　但不是所有的小型水电站都有上述的水工建筑物和机、电设备。如果水头在6米以下的低水头水电站，一般采用导水槽和明槽引水室方式，就没有压力前池和压力水管。供电范围不大输电距离短的发电站，采用直接输电，不需要变压器。有水库的水电站就无需再筑坝。采用深式进水口，坝内涵管（或隧洞）和溢洪道而无需用堰、进水闸、渠道和压力前池等水工建筑物。
　　 建设水电站，首先要进行周密的勘测设计工作。在设计工作中有初步设计、技术设计、施工详图三个设计阶段。要做好设计工作，首先必须进行周密的勘测工作，也就是充分了解当地的自然和经济条件--即地形、地质、水文、资金等情况。只有掌握了这些情况并加以分析研究以后，才可能保证设计的正确性和可靠性。
　　小型水电站的组成部分随水电站型式不同而有多种多样的形式。
　　三、 地 形 测 量
　　地形测量工作的好坏，对工程布置和工程量的估计有较大影响。
　　 地质勘探（地质情况了解）除须对流域地质和沿河地质作一般的了解研究外，还必须对机房基础是否坚固进行了解，它直接影响电站本身的安全。一定水库容积的拦河坝一旦毁坏，不仅损害了水电站本身，还将引起下游生命和财产的巨大损失，因此对前池的地质选择一般都放在首要位。
　　四、 水 文 测 验
　　对水电站来说，最重要的水文资料是河流的水位、流量、含沙量、结冰情况等记载及气象方面的资料和洪水调查资料。 河流流量的大小，影响水电站溢洪道的布置，对洪水的严重情况估计不足，会引起堤坝的毁坏；河流挟带的泥沙在最严重的情况下可以很快将水库淤满。如：流入渠道会引起渠道淤塞，粗粒泥沙通过水轮机并能引起水轮机的磨损。因此，建设水电站必须掌握充分的水文资料。
　　所以在决定修建一个水电站之前，首先要调查研究供电区内经济发展的方向与用电的未来需求量。同时，估计发展区域内其它电源的情况。只有研究分析了以上情况之后，才能决定水电站是否需要修建并决定建设的规模应该多大。
　　总地说来，水电勘测工作的目的是为了供给水电站设计和施工所必须的准确而可靠的基本资料。
　　五、 选定站址的一般条件
　　选定站址的一般条件，可从下面四方面来说明：
　　（一）所选定的站址要能够最经济地利用水能，要能符合节省费用的原则，也就是在电站建成后，所花的钱最少而发出的电能为最多。通常可用估算每年发电的收入和建站的投资来衡量，看看所投入的资金在多少时间内才可以收回。但是，各地的水文、地形条件并不一样，需要电力的情况也不相同，因而其造价和投资不应当受某些数值的限制。
　　（二）所选定的站址处，地形、地质与水文条件都应当比较优越，而且在设计和施工上也要有可能性。修建小型水电站在建筑材料的取用方面，应当尽量符合“就地取材”的原则。
　　（三）所选定的站址要求尽量靠近供电和加工区域，以减少输电设备的投资和电力的损失。
　　（四）选定站址时，应尽量利用已有的水工建筑物。例如在灌溉渠道中即可利用跌水来建立水电站，或在灌溉水库旁建立水电站利用灌溉流量发电等等。因为这些水电站能够符合有水就发电的原则，所以它的经济意义更为明显。

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