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1、水力发电及水电站主机设备选择专 题 报 告主讲人:边善庆二四年八月,前 言,人类在劳动生产中要利用自然力量，最初是使用家畜，以后才利用机械。第一台机械原动机就是水力机械。 三千多年前在我国、埃及和印度就开始有水碓、水碾、水磨、水车等简单机械，利用水力来进行生产。我国最早的关于水力机械的文字记载出现在汉朝，距今已有1900多年。法国在六世纪才有人知道建筑水磨。欧洲在十五、十六世纪由于手工业工场的发展，在手工业生产中利用水力比较普遍，这时就有了浮动抽水站和水力织布机等机械。 在发电机没有发明以前，水力机械只是把水能转变为机械能，各种水力机械都是直接推动各种生产机械（如磨粉、车水等）。十九世纪后期，
2、由于资本主义工业的发展，要求更大量的动力；人类陆续发明了发电机和高压输电线，这时水力就可以转变为应用十分方便的电力，同时又可以把电力输送到很远的地方去。因此水电站建设在资本主义国家中得到了很快的发展。,一个世纪以前，当时世界上一些先进的工业国家所兴建的第一座水电站，以及随之而建起的第一批水电站，按目前标准来说，都是属于小型的，甚至是微型水电站。但是这些小型水电站的意义是十分重大的，因为它们不仅为水电开发在技术上开创了一条道路，而且也为当时新兴的工业提供了廉价的电力。1878年在法国巴黎附近，建造的塞尔曼兹水电站是世界上最早的水电站。1882年，美国的威斯康辛州的阿普尔顿水电站投入运行，仅是一台
3、提供1.8KW照明用的直流发电机。1912年，我国在云南昆明附近石龙坝建成第一座水电站，安装德国西门子公司的二台240KW水轮发电机组。 水力发电是水能利用的主要形式。由于我国的水力资源极为丰富，而且具备许多优越条件，因此我国的水电建设将具有极其广阔的发展前景。,第一章 水力发电的基本概念,水力发电是利用河流中水的落差（水头）和流量为特征值所积蓄的势能和动能，通过水轮机转变为机械能，然后带动发电机发出电能，经母线通过低压断路器接至升压变压器，将电压升高接入电网输电系统。 水力发电所用的河川水流是取之不尽、用之不竭的能源，与其他能源的开发相比，不需要昂贵的燃煤开采、运输等复杂环节，因而水力发电的
4、成本低。同时，水电的应用还节约了大量煤炭、石油、天然气等重要原料，并有利于环境保护。,1. 水力发电的基本条件,一条河流的上游总比较高些，下游总比较低些，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。我们知道：任何物体由高处落向低处会产生一定的力量，所以河水由高处流向低处就会产生一定的水力。由于河流水面高低的差别（叫做落差或水头），所以产生水力，这是构成水力的一个基本条件。此外，水力的大小还决定于河流中流量的多少，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，落差和流量愈大，水电站的出力也就愈大。 落差一般是用米来表示。例如黄河从青海发源地流入渤海，全长4
5、845公里，水流总共降落4368米，平均每公里落差0.9米，也就是平均水面比降为万分之九。该比降可以表示落差集中的程度。像黄河上游的坡降较陡，可达千分之二到三，落差比较集中，水力利用也比较方便；下游比较平坦，比降仅有万分之几，落差非常分散，水力利用也就要困难些。,一个水电站所利用的落差，就是水电站的上游水面和通过水轮机后的下游水面之差（如图1）。水电站上游和下游的水面经常变动，落差也就随着变动。,流量是河流中单位时间内流过的水量，以一秒钟内流过多少立方米来表示。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。像黄河通过三
6、门峡的最大流量曾达到每秒18500立方米，而最小流量只有每秒160立方米，相差达100多倍。天然的水力随着流量的变化而忽大忽小，很不适用，所以必须修建水库，调节流量，才能充分地利用水力资源。 一般河流的流量在上游比较小；因为各支流的汇入，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。,我们知道了一个水电站利用的落差和流量，则水从高处落下，在单位时间内所做的功，叫水流功率可用下式表示： No =Q H (kg-m/s) 式中 水的比重，每立方米水等于1000公斤重。 Q 流量，以每秒立方米计。 H 落差，以米计。,
7、但是，水流功率一般不用kg-m/s表示，而用千瓦 或马力作单位，它们之间的关系为： 1 kW= 102 (kg-m/s) 1 HP= 75 (kg-m/s) 所以水流功率也可用下式表示： 1000 No = Q H = 9.81QH (kW) 102 1000 或 No = Q H =13.33QH (HP) 75,当水流作功时，必然有一定能量的损失。所以实际上所作的功比No小。即： N = No = 9.81QH(kW) N = No = 13.33QH(HP) 式中 N 水电站的出力。 效率系数。 当初步估算出力时，效率系数可采用0.82，则水电站的出力可简化为： N = 8QH (kW)
8、, 例如某个水电站引用流量100m3/s，利用水头50m，它的出 力为： N = 810050 = 40000 kW 由于河流中的流量和落差经常在变化，而且用电需要也随时在变化，所以水电站所发的电也是各季、各天、各时不同的。水电站所生产的发电量是以千瓦时（度）来计算的。 因为一小时等于3600秒，用W/3600来代替上述公式的流量，就可以得到计算电能的公式如下： E = 8W/3600H =WH/450 (kWh) l例如某个水电站一年中利用的水量是20亿m3，平均水头45m，它的年发电量为： E = 20010745/450=200106 =2亿 (kWh),2 水力资源的开发,2.1 我国
9、水力资源的开发 我国水力资源十分丰富，水能资源理论蕴藏总量（未包括台湾省）6.76亿kW，居世界第一位。其中，长江流域占40%，西藏各河流约占21.5%，西南各国际河流约占16.7%，黄河流域占6%，珠江流域占5.2% ，其它约占10.6%。在地区分布上，我国水力资源的72%集中在西南地区，其次是中南、西北、华东、东北，华北和内蒙最少。 长江是我国第一条大河，流域面积约194万平方公里，全长约5200公里，全部落差约5600米，总蕴藏量约2亿多kW，年总水量超过1万亿m3。长江的水力资源大部集中在上游，即我国的西南地区，四川宜宾以上约占64%；宜宾以上坡度大，宜宾以下流量大。长江由四川流入湖北
10、，经过了世界有名的特大型三峡水电站，其发电能力达1820万kW，装设26台70万kW水轮发电机组。,黄河的综合利用流域规划已在二十世纪五十年代编制完成。按照规划内容，除了黄河下游的严重水害将得到根本解决外，并将在黄河干流从青海龙羊峡以下到海口止共3670公里间建立46座水力枢纽，总发电容量可达2300万kW。其中刘家峡、盐锅峡、青铜峡、八盘峡、三门峡和龙羊峡等大型水电站都已建成，不仅供给西北地区各工业城市的用电，并可为黄河下游的灌溉和航运创造十分有利的条件。 南方的珠江是我国的第三条大河。根据有关资料，珠江流域也有不少优越的水力发电地址，现正进行对全流域的有系统的勘测研究工作。,我国水力资源中
11、技术上可开发的装机容量约3.78亿kW，相应年发电量1.923万亿kWh。但总开发率很低，东西部开发差异很大。全国平均开发率按2003年水电发电量计仅14.7%，约居世界第70多位，排在很多发展中国家如印度、巴西、埃及、越南、泰国等国家之后。当前我国西部地区的水电开发才刚刚开始，开发水平仅7.5%，开发潜力巨大。因此，21世纪水电要结合国家的西部大开发机遇，实施大规模西电东送的战略。,2.2 我国水力资源开发的特点,（1）我国的一些大型水电站在地区分布上很有利，一般都处于人口稠密地区的附近，所以它的经济价值很高。如黄河的三门峡、刘家峡；长江的三峡、葛洲坝；四川的大渡河、岷江；浙江的新安江和东北
12、的松花江等。同时我国水力资源的分布也恰巧弥补了我国煤矿分布上的缺陷，我国的西南、西北以及长江以南的地区缺少质好量大的煤矿，建设火电厂的条件较差，但是这些地区都有丰富的水力可以利用。,（2）我国许多水力资源都具有巨大的综合利用的作用。这些水力资源的开发，都能同时满足国家当前迫切的防洪、发电、灌溉、航运等要求。例如黄河的开发和治理，就要同时解决黄河的防洪、发电、灌溉、航运，水土保持等问题，这是河流综合利用的原则。我国长江三峡水电站显著的经济效益，也体现了这个原则：水库总库容393亿m3，其中221亿 m3的防洪库容，能有效控制长江洪水；年发电量847亿kWh，辐射大半个中国，可使全国人均每年增加电
13、量70kWh；万吨级船队可直达重庆，单向年通过能力将从目前的1000万吨增加到5000万吨，运输成本可降低35%；年发电量相当于燃烧5000万吨原煤的能量，可相应减少温室效应和酸雨，保护了环境。,（3）我国的许多水力地址，特别是目前选择并准备开发的一些水电站，大都有很好的自然条件。由于地形、地质、水文条件优越，因而工程量比较小，而发电量却比较大。例如原苏联古比雪夫水电站装机容量210万kW，混凝土量是700万m3，约每千瓦要用3.5 m3的混凝土，此外还要大量的土方；而我国黄河上的若干水电站，每千瓦约只用1.5 m3左右的混凝土。同时我国土建工程的造价与机电设备和金属材料采购金额相比，是比较低
14、的；水电站工程所需的石料和砂石料，大都可以在工地附近取得。此外，我国的气候条件也比较好，绝大部分地区可以一年四季施工。这些自然条件的优越，可以大大地缩短水电建设的周期。,总的来说，我国的水力资源是极为丰富的，而且具备许多优越条件，但结合我国的实际情况，在水电开发中需要特别注意两个问题：一是河流中的泥沙问题，二是水库建设涉及的移民问题。因为河流中挟带的泥沙，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会引起转轮叶片的磨损。如果在平原河流上修建大型水库，就会造成一定的淹没损失，并需妥善地解决水库建设涉及的移民问题。这两个问题，我们在规划水电站开发时，必须慎重地加
15、以考虑。,2.3 世界水力资源的开发,全世界理论水力资源蕴藏量目前还没有一个准确的数字，有人估计大约60-70亿kW。据国际水力发电与大坝杂志1999年统计资料，按年发电量估算，世界理论水力资源蕴藏量为405，000亿kWh，技术可开发水力资源为143，200亿kWh。截止到1998年底，全世界水电总装机容量约为6.9亿kW，年发电量约为27610亿kWh，开发利用程度约为19.3%。 世界上大多数发达国家，一般都优先发展水电，水电开发程度在60%以上的国家共有9个，分别是：法国（96.9%）、瑞士（84.9%）、墨西哥（69.9%）、奥地利（69.1%）、德国（68.9%）、美国（67.4%
16、）、日本（66.6%）、挪威（64.5%）、意大利（63%）。发展中国家水电开发利用程度长期不高，但近二、三十年来，尤其是二十世纪80年代中期，一些国家水电开发速度大大加快，如巴西、巴拉圭、委内瑞拉、土耳其和中国等。目前世界上水电装机容量排在前5位的国家，分别是：美国（7540万kW）、中国（7297万kW）、加拿大（6567.8万kW）、巴西（5451.4万kW）、俄罗斯（4394万kW）。,目前各大洲水力资源开发情况表,地区 理论水力 技术可开发 已开发资源 水电开发 资源 水力资源 装机 年发电量 程度 （亿kWh） （亿kWh） （万kW） （亿kWh） （） 亚洲 203003.72 67903.0722980.837841.02 11.5 非洲 33242.08 19235.192033.31637.27 3
