发电动力系统概论水力发电A.docVIP

第二章 水力发电 第一节 概述 水力资源作为可再生的清洁能源，是能源资源的重要组成部分，我国水力资源丰富，在能源平衡和能源可持续发展中占有重要的地位。据统计，中国河流水能资源蕴藏量6.94亿，年发电量60800亿；技术可开发水能资源的装机容量5.42亿，年发电量24700亿；经济可开发装机容量为4.02亿，经济可开发年发电量为17500亿。全国水力资源总量，包括理论蕴藏量、技术可开发量和经济可开发量，均居世界首位。 中国河流大都是从高山和高原上奔腾而下流向海洋。因而河道陡峻，落差巨大，是中国河流的突出特点。根据普查，中国主要大河流的总落差可达2000～3000m，有的甚至达4000～5000m。长江、黄河、雅鲁藏布江、澜沧江，怒江等，天然落差都高达5000m左右，形成了一系列世界上落差最大的河流。构成河流水力资源的两大要素是径流和落差，中国具有径流丰沛和落差巨大的优越自然条件。 水力资源蕴藏量，系河流多年平均流量和全部落差经逐段计算的水能资源理论平均出力。水力资源蕴藏量之大小，与河川流域面积、径流量和地形高差有关。 水力发电是电力工业的一大支柱，他是将水流的能量转换为电能。水力发电利用一系列的水工建筑物和水电站建筑物，集中河道的落差、形成水库，并控制和引导水流通过水轮机，将水能转变为旋转的机械能，接着由水轮机带动发电机转动从而发出电能。水电站是为开发利用水能资源，将水能转变为电能而修建的工程建筑物和机械、电气设备的综合工程设施（图2-1）。 水能是自然界存在的一次能源，他可以通过水电站方便地转化为二次能源——电能，所以水电既是被广泛而经济利用的常规能源，又是再生能源，是当前世界上众多能源资源中永不枯竭的优质能源。 目前，在大的电力系统中，其电力生产主要依靠水电站、火电站和核电站。由于水轮发电机组启动迅速，出力调整快，运行操作灵便，因而水电是电力系统中最好的调峰、调频和事故备用电源。水电站与火电站、核电站相互补充，使得水能资源获得比较充分的利用，使得火电和核电机组得以稳定运行，其经济效益是十分显著的。 水力发电不需要消耗燃料，而且水电站的运行人员也较少，其生产成本较低；在开发水电的同时还可以综合解决防洪、灌溉、供水、航运、水产养殖等方面的需要，其综合利用的效益也最高；水力发电对水体和空气都不会发生污染，而且在水电站建成后对改善气候和自然环境，发展旅游事业都大有稗益。 在发展水电事业中也有一些不利因素，这主要是在修建水电站，特别是修建拥有高坝大库的水电站时，往往淹没损失较大，土建工程量也大，因而使得一次投资大，工期长，而且水力发电也要受河道中天然流量变化的影响等。 图2-1（a） 清江隔河岩水电站 图2-1（b） 长江葛洲坝水电站 图2-2 河段水能示意图 一、水力发电的基本原理 河道中的水流在重力的作用下，由高处向低处运动，从而将水流的势能转变为动能，这样水流就具有做功的能力，其高差越大，流量越多，做功的能力就越大。如图2-2所示，在河道上取任意取（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，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（s）时段内有（m3）的水量通过断面，则水体所具有的能量为 （） （2-1） 式中 ——水的重度，＝9810。 单位时间内所作的功称为功率（水电工程中称为出力），因此河段的平均出力为 （） （2-2） 式中，表示时段（s）内的平均流量（）。功率通常以表示，所以 （） （2-3） 水流的能量在未被利用以前，主要分散地消耗在水流对河床的冲刷、挟带泥沙和相互的撞击上。若通过筑坝集中落差，则水轮发电机的功率与发电量在扣除引水建筑的水头损失并考虑水轮机与发电机的效率后，可按式（2-5）计算 （2-5） 式中：——水电站工作水头，等于水电站的毛水头（水电站上、下游水位之差）减去引水系统的水头损失，即； ——水轮发电机组的效率，等于水轮机效率和发电机效率的乘积，即。 水电站的水头和流量是经常变化的，因此，水电站的出力也不是固定不变的。当选定发电机后，水电站的最大出力将受到发电机容量的限制。制造厂规定的机组最大工作出力称为额定出力，亦即铭牌出力。一座水电站往往安装多台机组，各机组额定出力的总和称为装机容量，他是水电站全部机组满载运行时的最大出力值，也是表示水电站规模和生产能力的一个重要指标。 在实际运行过程中，水电站并不是经常以全部