水力发电原理及水电站设备简介

水力发电原理及水电站概况

本课程主要内容为介绍水力发电的基本原理，以及概述性地介绍水电站各组成系统的设备的类型、作用。主要是让读者从总体上了解水电站是如何实现水能转化为电能？实现这个过程需要哪些设备的支撑？这些设备的具体分工是如何的？由于本课程为总体性概述，因此对于具体设备的工作原理和内部结构则不作具体性的阐述，若读者对这些问题感兴趣，可以参考其他水力专业性书籍。

一.水力发电基本原理及水电站在电力系统中的工作方式

1.水力发电基本原理

水力发电过程其实就是一个能量转换的过程。通过在天然的河流上，修建水工建筑物，集中水头，然后通过引水道将高位的水引导到低位置的水轮机，使水能转变为旋转机械能，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现从水能到电能的转换。发电机发出的电再通过输电线路送往用户，形成整个水力发电

到用电的过程。

如图1-1所示，高处

水库中的水体具有较大的

势能，当水体经由压力管

道流进安装在水电站厂房

内的水轮机而排至水电站

的下游时，水流带动水轮

机的转轮旋转，使得水动

能转变为旋转的机械能，

水轮机带动同轴的发电机转子切割磁力线，在发电机的定子绕组上产生感应电动势，当定子绕组与外电路接通时，发电机就向外供电了。如此，水轮机的选择机械能就通过发电机转变为电能。

2. 水电站的出力和发电量的计算

水电站在某时刻输出的功率，称为水电站在该时刻的出力。水电站的理论出力公式如下：

)(81.9kW QH gQH t gVH P g g g t ===ρρ

上式中的Q 为水轮机的引用流量，H g 为水电站上、下游的高程差，称为水电站的毛水头。

水电站的实际出力公式如下：

)(81.9)(81.9kW KQH QH h H Q P g ==∆-=ηη

上式中H 称为水轮机的工作水头，△h 为水头损失；η为水轮发电机组的总效率；K=水电站的出力系数，对于大中型水电站，K 值可取为8.0～8.5，对于小型水电站，K 值一般取为6.5～8.0。

3. 水电站的运行特点

目前，在我国的电力系统中，主要是火电厂与水电站以及少数的核电厂、风力发电厂、地热能发电厂联合工作。为了使得各类电厂合理分担电力系统的负荷，各种类型的电厂在电力系统中承担着不尽

相同的作用。以下图2-1为电力系统日负荷曲线

图：

一般来说，由于火电和核电机组在机组性能

上的特点，它们一般在电力系统中主要承担基荷

和腰荷的负荷，而结合水电机组的特点以及不同

的季节，水电机组在承担电力负荷上选择性更为

灵活。下面我们先了解一下水电站的运行特点：

（1） 水电站的工作情况随河川径流的多变

而变化。水电站的出力和发电量受到天然径流来

水量的影响，虽然水库具有调节径流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度调节（水库库容越大，调节的作用就越明显），导致水电站在枯水季节出力和发电量得不到保证，丰水季节又往往由于库容不足弃水而导致水能难以利用。

（2）水电站的运行费用与实际发出的电量多少无关。建成后的水电站，其发电量的多少主要与其来水径流量的多少有关，而其运行费用却基本不会因此而有所增减。因此，应当尽量使水电站多发电，而减少系统中火电厂的发电量，从而减低火电厂相应燃料的消耗，提高整个电力系统的经济性。

（3）水轮发电机组操作灵活，启停迅速，通常只需要几分钟就可以启动或停机，增减负荷十分方便。因此利用水库调节，水电站适宜在电力系统中承担调峰、调频和事故备用等任务。

（4）由于水资源及其水库具有综合利用的性质，水利系统各部门对水电站及其水库会提出各种综合利用要求，因而水电站及其水库的运行调度方式必然会受到他们的制约。

4.水电站在系统中工作方式的一般原则

决定水电站在系统中的工作方式的原则是尽量使得电力系统供电的可靠性和经济型最大化。具体的基本原则有以下几条：

（1）为了充分利用水能，无调节水电站适宜全年担负系统基荷工作，有调节水电站在枯水期宜在峰荷工作，随着来水增多，可从峰荷逐步过渡到担任丰水期的基荷工作。

（2）为了节省煤耗或油耗，火电厂宜担负较为均匀的负荷，所以最好在基荷工作。但在丰水期，水电站还是应以全部装机容量在基荷工作，此时火电厂应担负峰荷，虽然单位煤耗有所增加，但可由于水电站减少弃水，从而在总体上节约了煤耗总量，使得电力系统的总成本下降。

（3）应尽量使得各水电站机组在高效率区内运行，避免长时期在低水头、低负荷下运行。

（4）由于核电机组调节困难，若过于频繁地大幅度调整负荷，核电机组的安全性将受到影响，所以应优先保证核电机组在基荷位置运行。

根据水电站水库的调节能力，水电站可分为无调节水电站、日调节水电站、

年调节水电站以及多年调节水电站。水库的调节能力不同，导致水电站在系统中的工作方式也不一样，但总体原则是尽量减少水库不必要的弃水，若水库库容不具备调节能力，应使水电站运行在基荷位置，充分利用水资源；若水库库容尚具备调节空间，应使水电站运行在峰荷或腰荷位置，以充分发挥水电机组调节能力强、运行灵活的特点。

二.水电站的基本类型

1.河床式水电站

一般修建在河流中下游河道纵坡平缓的河段上，为了避免大量淹没，坝建得较低，故水头较小。河床式水电站的引用流量一般较大，属于低水头大流量型水电站。其特点是：厂房与坝一起建在河床上，厂房本身承受上游水压力，并成为挡水建筑物的一部分，一般不设专门的引水管道，水流直接从厂房上游进水口进入水轮机。

2.坝后式水电站

坝后式水电站一般修建在河流中上游的山区峡谷地段，受水库淹没限制相对较小，所以坝可建得较高，水头也较大。由于水头较高，厂房不能承受上游过大水压力而建在坝后（坝下游）。其特点是：水电站厂房布置在坝后，厂坝之间常用缝分开，上游水压力全部由坝承担。

3.坝内式水电站

坝内式水电站是指将厂房布置在拦河坝体内部，采用如此布置主要是由于河谷狭窄不足以布置坝后式厂房，而坝高足够允许在坝内留出一定大小的空腔布置厂房。由于坝内式水电站的厂房布置在溢流坝内，坝体内部的空腔削弱了坝体强度，并使得坝体应力复杂化。由于厂房尺寸受到坝体尺寸的限制，因此此类水电站的机电设备选择在尺寸上也受到相应的限制。另外坝内式水电站要特别注意防渗、防潮、通风、照明等问题。