水電廠

中國經濟已進入新的發展時期，在國民經濟持續快速增長、工業現代化進程加快的同時，資源和環境制約趨緊，能源供應出現緊張局面，生態環境壓力持續增大。據此，加快西部水力資源開發、實現西電東送，對於解決國民經濟發展中的能源短缺問題、改善生態環境、促進區域經濟的協調和可持續發展，無疑具有非常重要的意義。另外，大力發展水電事業將有利於縮小城鄉差距、改善農村生產生活條件，對於推進地方農業生產、提高農民收入，加快脱貧步伐、促進民族團結、維護社會穩定，具有不可替代的作用 ^[2]  。水電開發通過投資拉動、税收增加和相關服務業的發展，將把地方資源優勢轉變為經濟優勢、產業優勢，以此帶動其他產業發展，形成支撐力強的產業集羣，有力促進地方經濟的全面發展。

水力發電就是利用水力（具有水頭）推動水力機械（水輪機）轉動，將水能轉變為旋轉機械能，如果在水輪機上接上另一種機械（發電機），隨着水輪機的旋轉便可發出電來，這時機械能又轉變為電能 ^[3]  。

水力發電在某種意義上講是水的勢能變成旋轉機械能，又變成電能的轉換過程。根據原理可推算出水力發電的出力公式如下：

P=9.81ηHQ

P：出力單位：kW（千瓦）機組機端傳出的功率。

H：水頭單位：m（米）作用在水輪機上的有效水頭，它等於水庫水位與下游水位之差（即：毛水頭）減去引水部分水頭損失，水頭損失△h，據經驗，一般為Hg（毛水頭）的3%~10%，輸水道短取小值。

Q：流量單位：m3/s（立方米/秒）水電廠水輪機的引用流量。

η：水輪發電機組效率，包括水輪機的效率和發電機的效率，η不但與水輪機、發電機的類型和參數有關，還會隨機組運行工況的改變而改變，不是一個固定值。為簡化計算，令k=9.81η，則可把出力公式簡化為：

P=kHQ

k：水電站出力系數。大中型水電站k=8.0~8.5；中小型水電站k=6.5~8.0，對小型電廠：k=6.0~6.5。

各國一般把裝機容量0.5萬kW以下的水電站定為小水電站，0.5萬～10萬kW為中型水電站，10萬～100萬kW為大型水電站，超過100萬kW的為巨型水電站。

水電站一般主要由擋水建築物（壩）、泄洪建築物（溢洪道或閘）、引水建築物（引水渠或隧洞，包括調壓井）及電站廠房（包括尾水渠、升壓站）四大部分組成。

主要組成部分有：水工建築物、水力機械設備、發電設備、變電設備、配電設備、輸電設備和控制及輔助設備 ^[4]  。

水工建築物的組成與作用

1.水工建築物的組成

擋水建築物——壩泄水建築物——溢洪道、泄水孔、溢流壩、泄洪洞閘門——進水閘門、尾水閘門、溢洪道閘門

用水建築物——水電站進水引水建築物（渠道或隧洞、壓力鋼管、進水口）和廠房

2.水工建築物的作用

壩的作用：是攔截水流、抬高水位、形成水庫，造成上下游之間的水位差，使電站具備水力發電的基本條件。在有調節庫容的壩式水電站上，壩同時實現集中河段落差和調節河流中的流量的雙重作用，不僅為水電廠服務，同時還有防汛、灌溉、航運、工業給水等作用。

溢洪道、泄水孔的作用：宣泄洪水，防止洪水漫頂，確保大壩安全，故又稱泄洪建築物。有的泄水建築物還可以用來放空水庫或施工導流等。泄水建築物按泄流方式可分為溢洪道和深式泄水道兩類。

閘門的作用：調節流量和控制洪水。閘門可根據它所在的位置的不同分為低水頭閘門和高水頭閘門。發電用的進水口閘門和底孔閘門屬於高水頭閘門，溢洪道上的閘門屬於低水頭閘門。從其結構劃分，最常見的有平板閘門和弧形閘門。尾水閘門主要是設備檢修時使用。

用水建築物的作用：可分為進水和引水建築物，它包括進水口和引水道，其作用是將壩內的水引到廠房供水輪發電機組使用。

引水道可分為：渠道、隧洞（有壓和無壓）、壓力水管、渡槽和倒虹吸等一些引水式水電站在引水建築物上還設有壓力前池、調壓室或調壓井等

主廠房：用來安裝水輪發電機組及其輔助設備的廠房，以及組裝、檢修發電機組的裝配場。

副廠房：安裝配電設備及其運行管理設施的廠房。副廠房一般包括水電站的運行、控制、試驗、管理用房，以及操作人員工作、生活的用房。

水力機械設備的組成與作用

1.水力機械設備的組成主閥水輪機軸導軸承尾水管

2.水力機械設備的作用主閥：（球閥、蝶閥）事故時，緊急切斷水流，防止機組飛逸事故發生；機組檢修時，切斷水流；長時間停機時，關閉蝶閥，減少漏水量，節約水資源。

水輪機：按安裝方式可分為立式、卧式；按水流能量轉換的特徵，可分為反擊式（利用水流體的動能和勢能）和衝擊式（僅利用水流的動能）。反擊式：軸流式（定漿：H：3~50m，轉漿：H：3~80m）、混流式（H=30~700m）、斜流式（H=40~200m）、貫流式（2～30m）。

衝擊式：適用於高水頭、小流量的小型機組，水斗式水輪機（切擊式）（40~2000m，一般常用水頭範圍40~800m）、斜擊式水輪機（50~400m）、雙擊式水輪機（6~150m）。水輪機的組成部分及作用蝸殼：形成水力環量。座環：承受機組全部重量。

底環及頂蓋：固定活動導葉並形成轉輪室。轉輪：水能轉換成旋轉機械能。

活動導葉：控制水流量，達到調節轉速和出力的目的。軸：傳遞機械能。

導軸承：承受徑向水推力和控制擺度。尾水管：回收能量並導出水流。

發電機的組成部分及作用

1.發電機主要組成部分

定子、轉子、推力軸承、導軸承、軸、機架、冷卻器、制動器。

2.發電機主要組成部分的作用

定子：產生感應電勢。轉子：產生旋轉磁場。

推力軸承：承受軸向水推力及機組轉動部件自重。導軸承：承受徑向水推力和控制擺度。軸：傳遞機械能。

上機架：安裝推力軸承、上導軸承、集電環等。下機架：安裝下導軸承、制動器。

冷卻器：軸承冷卻器用於冷卻軸承，空氣冷卻器用於冷卻發電機。

制動器：停機時制動發電機，防止長時間低速旋轉損壞推力軸承。

變電設備的組成部分及作用

1.變電設備組成

油浸式變壓器：底座、鐘罩、油枕、鐵芯、繞組及散熱裝置等。乾式變壓器：鐵芯、繞組、箱體及散熱裝置等。

2.變電設備的作用

變壓器：升高交流電壓或降低交流電壓。

1.配電設備主要有：斷路器（開關）、隔離開關（閘刀）、互感器、避雷器、母線、導線等。

2.配電設備的作用

斷路器（開關）：關合、承載、開斷運行迴路正常電流、過載電流。

隔離開關（閘刀）：合閘時承載正常回路電流、過載電流，分閘時符合絕緣距離和有明顯斷開標誌。

配電設備的組成及作用

電壓互感器（PT）：把高電壓降為標準電壓，供保護、計量、儀表等裝置使用。一般標準電壓為100V。

電流互感器（CT）：把大電流降為標準電流，供保護、計量、儀表等裝置使用。一般標準電流為5A或1A。

避雷器：限制過電壓以保護電氣設備。

母線：彙集、分配和傳送電能。

導線：傳送電能。

輸電設備的組成及作用

1.輸電設備的組成

線路、鐵塔（電杆）、避雷線等。

2.輸電設備的作用線路：傳送電能。鐵塔（電杆）：固定導線和避雷線。避雷線：保護架空輸電線路

控制設備的組成及作用

1.控制設備主要有：

勵磁裝置、調速裝置、繼電保護、同期裝置、自動裝置、計算機監控系統、直流系統等。

2.控制設備的作用

勵磁裝置：為發電機轉子提供直流電建立磁場，控制發電機機端電壓或調整機組無功功率。

調速裝置：控制機組轉速或調整機組有功功率。

繼電保護：監視電力系統的正常運行，當被保護的元件發生故障時，自動迅速地、有選擇地發出跳閘命令，將故障設備從系統中切除，保證正常設備繼續運行，將事故限制在最小範圍，提高系統運行的可靠性，最大限度地保證向用户安全、連續供電。

同期裝置：不同電源間的同期併網。類型：自同期、準同期（自動準同期、手動準同期、燈光熄滅準同期）。

自動裝置：完成一定功能的自動裝置。類型：重合閘裝置、低周啓動裝置、高周切機裝置。

計算機監控系統：通過對電站各種設備信息進行採集、處理，實現自動監視、控制、調節、保護等功能，保證設備安全穩定運行，按電力系統要求進行優化運行，合理充分利用水能，保證電能質量，減少運行與維護成本，改善運行條件，實現無人值班或少人值守。

硬件組成有：工作站、服務器、網絡設備、GPS時鐘、UPS電源、現地LCU、數據採集設備及通信設備等。

直流系統：為開關設備的操作、二次設備提供可靠能源。直流系統組成：蓄電池、充電裝置、配電裝置。

輔助設備的組成及作用

1.水電廠輔助設備的組成：

水系統：技術供水、滲漏排水、檢修排水。油系統：絕緣油、潤滑油。

氣系統：高壓氣、中壓氣、低壓氣。

2.水電廠輔助設備的作用技術供水系統：

主要對象：發電機空氣冷卻器、發電機推力軸瓦及導軸承冷卻器、水輪機導軸承冷卻器、主軸密封、水冷式變壓器、水冷式空氣壓縮機、深井泵潤滑水、消防用水等。

技術供水水源：上游水庫（壓力鋼管或蝸殼、壩前取水）、下游水庫、地下水源等。

技術供水的方式：自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。

排水系統：防止廠房內部積水和潮濕，保證機組過流部件和廠房水下部分的檢修。

包括：生產用水的排水、檢修排水、滲漏排水、廠區排水。

油系統：

潤滑油：透平油、空氣壓縮機油、機械油及潤滑脂等。

潤滑油的作用：潤滑、散熱、傳遞能量。

絕緣油：變壓器油、電纜油、開關油。

絕緣油的作用：絕緣、散熱、消弧。

氣系統：

高壓氣系統：供油壓裝置壓力油罐補氣。

中壓氣系統：水導軸承檢修密封圍帶、蝴蝶閥止水圍帶。

低壓氣系統：機組停機制動、調相壓水、風動工具、吹掃用氣。

堤壩式水電廠（又分壩後式和河牀式），引水式水電廠和混合式水電廠；

無調節水電廠和有調節水電廠；前述水電廠是專供發電用的，另外有一種特殊形式的水電廠，叫抽水蓄能電廠（十三陵電廠），這類電廠有上下兩個水庫，電廠中有發電和抽水兩類設施，電廠在系統峯荷時發電（調峯），系統低谷時抽水耗電（填谷），另有調相、調頻和備用的作用；我國最大的水電廠是三峽，裝機容量1820萬KW，26台70萬KW機組，參與發電的是14台機組，即980萬KW；（二灘水電廠，裝機容量330萬KW，6台55萬KW機組）最大抽水蓄能水電廠：廣東抽水蓄能水電廠，裝機容量240萬KW，8台30萬KW機組 ^[3]  。

水電廠可分為常規水電廠（包括梯級水電廠）、抽水蓄能電廠、潮汐電站和波浪能電站。常規水電廠又可按水頭集中方式、水庫調節徑流性能和裝機規模的區別分類。其中按水頭集中方式可劃分為壩式水電廠、引水式水電廠和混合式水電廠；按水庫調節徑流性能可劃分為多年調節、年調節、季調節、周調節、日調節水電廠和不調節徑流的徑流式水電廠；按單廠裝機容量規模分類，我國現行的劃分標準是單廠裝機容量250MW及以上的為大型，250MW以下至25MW的為中型，小於25MW的為小型。

可分成純抽水蓄能、混合式和調水式三種類型。

壩式水電廠或稱壩庫式、堤壩式、蓄水式水電廠，是水電開發的基本方式之一。壩式水電廠是由河道上的擋水建築物壅高水位而集中水頭的水電廠。當水頭不高且河道較寬時，用廠房作為擋水建築物的一部分，這類水電廠又稱河牀式水電廠，也屬於壩式水電廠。

壩式水電廠的發電廠房有壩後式、壩內式、溢流式、岸邊式、地下式和河牀式幾種類型。

引水式水電廠是水電開發的基本形式之一。這類水電，宜建在河道坡降較陡的河段或大河灣處，在河段上游築壩引水，用引水渠道、隧洞、壓力水管等將水引到河段下游，用以集中水頭髮電。這類水電廠大都為高水頭水電廠。跨流域引水發電的水電廠必然是引水式水電廠。

混合式水電廠或稱水庫引水式水電廠，這類水電廠由擋水建築物和引水系統共同集中發電水頭，並由水庫調節徑流發電。

式水電廠，是在河道中攔河築低壩或閘，基本不調節徑流，靠天然徑流發電的水電廠。當來水流量大於水輪機過水能力時，水電廠滿出力運行，多餘水量經泄水建築物直接泄向下遊，稱為棄水；當來水流量小於水輪機過水能力時，則有部分發電機組容量來被利用。水電廠的這種運行方式稱為徑流發電。

梯級水電廠是分佈在一條河流上下游有水流聯繫的水電廠羣，其各級水電廠可以是壩式、引水式或混合式水電廠等不同類型。各類水電廠都有各自的優缺點，建設梯級水電廠可以互相取長補短，取得提高資源利用率，協調水資源綜合利用之間的矛盾，縮短總工期，減少總投資等梯級效益。

抽水蓄能電廠建有上下兩座水庫，其間用壓力隧洞或壓力水管相連接。它是利用電力系統低谷負荷時的剩餘電力從下庫抽水雷存到上庫，在高峯負荷時從上庫放水至下庫發電的水電廠。

在電力系統中，發電廠一般有火電廠、水電廠、核電廠、風電場、太陽能電廠等幾類。在水力資源貧乏地區，火電廠所佔比例較大，而在水力資源豐富且開發程度較高的地區，水電廠則佔有較大的比例，風電場和太陽能屬於新能源，最近幾年發展比較迅速。水電廠在電力系統的主要作用有以下幾項 ^[3]  ：

（1）提供電能。是水電廠的主要任務。

（2）調峯。有調節能力的主力水電廠擔任。

（3）調頻。有水庫且調節能力較強的大型機組擔任，中國的頻率50±0.2Hz。

（4）調相。具備調相運行能力，可根據電網要求參與系統無功功率平衡。

（5）作為事故備用。由於水輪發電機組具有迅速起動投入併網發電的特點，當電力系統突然發生事故時，急需補充電量，常把水電廠的機組作為事故備用機組。

（6）蓄能作用。抽水蓄能水電廠低谷時抽水用電儲能，在用電高峯時發電向系統供電，滿足負荷需要。

水電屬於清潔能源，根據水電的特點和在電力系統中的作用，運行方式一般遵循以下原則：

1.充分利用水能。無調節能力的一般擔任基荷運行，主要是徑流電廠；有調節能力的枯水期一般參與調峯運行，豐水期為避免棄水一般逐步過渡到基荷運行，調峯任務轉交給火電廠。

2.為降低火電廠煤耗，節約資源，枯水期水電廠參與調峯運行，讓火電廠在高效區運行。豐水期則水電廠在基荷運行，火電廠最大限度參與調峯運行，最大限度減少棄水。

3.合理分配負荷，儘量使水電機組在高效率區運行。水電機組一般避免在低水頭、低負荷區運行，在低水頭、低負荷區運行時，不但效率低，還有可能會處在振動區運行，影響機組的安全運行和使用壽命。

中國首個主體工程採用膠結壩技術的水電站——沙坪一級水電站，是大渡河干流水電規劃的22個梯級水電站中第20級沙坪梯級水電站的第一級，採用堤壩式開發，主要以發電為主，兼顧下游防洪和用水要求，總庫容2123萬立方米。 ^[5]