04-小水電和抽水蓄能

§4小水電和抽水蓄能關注的問題水力發(fā)電的原理是什么？水輪機的類型有哪些？小水電站的水工建筑物的結構是什么樣？抽水蓄能依據(jù)什么原理運作？其應用狀況如何？我國的小水電資源分布有什么特點？如何對它們進行開發(fā)利用？教學目標了解小水電的概念和我國小水電資源的分布；掌握水力發(fā)電原理和抽水蓄能電站原理；掌握小水電站的三種開發(fā)方式；了解水輪機和水工建筑的分類；了解小水電和抽水蓄能電站的發(fā)展情況。2§4.1水力發(fā)電原理和水電站構成水力發(fā)電是一種把水的勢能和動能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換過程。其基本原理就是，利用水的重量與水流的沖擊力推動水輪機，再由水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，最后通過變電和輸配電設備，將電能輸送到電網(wǎng)或直接供用戶使用。水力發(fā)電的任務就是要集中利用這種被無益消耗掉的水能，以產(chǎn)生工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛利用的電能?！?.1.1水力發(fā)電原理3

在水電站(廠)中，水輪發(fā)電機組發(fā)出的電力功率稱為出力。所謂水流的出力就是單位時間內(nèi)的水能，能量的大小以水頭和流量來度量：

N=9.81ηQH式中，N為水電站出力(kW)；

η為水輪發(fā)電機組的總效率，其值為0.70～0.90；Q為流量(m3/s)；H為水頭(m)?！?.1.1水力發(fā)電原理

對于小型水電站出力近似公式為：

N=(6.0～8.0)×QH式中，6.0～8.0為水輪發(fā)電機組的效率系數(shù)。

年發(fā)電量公式為：

E=NT

式中，N為平均出力；T為年利用小時數(shù)。4§4.1.2水電站的開發(fā)方式

按集中落差(水頭)的方式，水電的開發(fā)方式可以分為堤壩式、引水式和混合式等。1．堤壩式水電站在河流中落差較大的適宜地段攔河建壩，形成水庫，將水積蓄起來，抬高上游水位，形成發(fā)電水頭。根據(jù)水電站廠房在水利樞扭中的位置，堤壩式水電站又分為壩后式和河床式等型式。5壩后式水電站如圖4.3所示，廠房建在壩的后面，全部上游水壓由壩體承受，適用于水頭較高的情況。水庫的水流經(jīng)壩體內(nèi)的壓力水管引入廠房推動水輪發(fā)電機發(fā)電。6河床式水電站，如圖4.4所示，發(fā)電廠房修建在河床中，作為壩體的一部分也起擋水作用，直接承受上游水的壓力。水流由上游進入廠房，驅(qū)動水輪發(fā)電機后泄入下游。77§4.1.2.2引水式水電站引水式水電站，如圖4.5所示，一般建筑在山區(qū)水流湍急的河道上，或河床坡度較陡的地方，由引水渠道造成水頭，而且一般不需修壩或只修低堰，適用于水頭很高的情況。88§4.2.2.3混合式水電站在適宜開發(fā)的河段攔河筑壩，壩上游河段的落差由壩來集中，壩下游河段的落差由壓力引水道集中，而水電站的水頭則由這兩部分落差共同形成，由此而修建的水電站稱為混合式水電站，兼有堤壩式和引水式兩種水電站的特點。99§4.1.3水力發(fā)電機組和水輪機

水力發(fā)電機組包括水輪機、發(fā)電機及與其配套的水輪機調(diào)速器、油壓裝置、勵磁裝置和電站控制設備等。

按照工作的水頭高低可將水力發(fā)電機組分為低水頭、中水頭和高水頭水力發(fā)電機。

水力發(fā)電機組還可按照安裝方式分為立式和臥式。1010

發(fā)電機組中的水輪機是將水能轉(zhuǎn)換成機械能并為發(fā)電機提供原動力的水力原動機。

根據(jù)水流對水輪機轉(zhuǎn)輪的作用方式，水輪機可以分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類。反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪能量轉(zhuǎn)換，是在有壓管流中進行的；沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪能量轉(zhuǎn)換，是在無壓大氣中進行的。1．反擊式水輪機

反擊式水輪機在水電站中應用最廣泛，適用于多種水頭和流量的水電站。其應用范圍是水頭H=2～300m，出力P=4～10000kW。

反擊式水輪機主要是利用水流的壓能(一小部分為水流動能)做功。水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時，因葉片的作用，水流改變了壓力、流速，從而對葉片產(chǎn)生了反作用力，形成旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。1111根據(jù)水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的方向，反擊式水輪機可以分為軸流式、混流式、斜流式和貫流式。1)軸流式水輪機1212軸流式水輪機的特點是水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時，始終是沿著軸的方向。軸流式水輪機的水流在進入轉(zhuǎn)輪前已經(jīng)轉(zhuǎn)過90°彎角，水流沿主軸軸線方向進入轉(zhuǎn)輪，又沿主軸軸線方向流出轉(zhuǎn)輪。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)同時做旋轉(zhuǎn)運動和軸向運動，沒有徑向運動，所以稱為“軸流式”。這類水輪機適用于3～80m水頭的水電站，屬于低水頭、大流量機型。2)混流式水輪機混流式水輪機的特點是水流先徑向進入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪?；炝魇剿啓C的水流進入轉(zhuǎn)輪前沿主軸半徑方向，在轉(zhuǎn)輪內(nèi)轉(zhuǎn)為斜向，最后沿主軸軸線方向流出轉(zhuǎn)輪。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動的同時，還進行徑向運動和軸向運動，所以稱為“混流式”。1313這類水輪機適用于30～800m水頭的水電站，屬于中等水頭、中等流量機型，同時它運行穩(wěn)定，效率高，目前轉(zhuǎn)輪的最高效率已達94％，是應用最廣泛的水輪機。3)斜流式水輪機斜流式水輪機，其轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運動與混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪一樣，但其轉(zhuǎn)輪葉片又與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片一樣，如圖4.8所示。14這種水輪機吸取了混流式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的優(yōu)點，通過調(diào)節(jié)葉片角度可適應較大的水頭范圍，適用于40～200m水頭的水電站，屬于中等水頭、中等流量機型。144)貫流式水輪

貫流式水輪機的特點是水流從進口到尾水管出口都是軸向的。貫流式水輪機的轉(zhuǎn)輪結構及轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運動與軸流式水輪機的轉(zhuǎn)輪完全一樣，也有貫流定槳式和貫流轉(zhuǎn)槳式兩種形式。與軸流式水輪機不同的是貫流式水輪機的水流從進入水輪機到流出水輪機幾乎始終與主軸線平行貫通，“貫流式”因此而得名。15154)貫流式水輪貫流式水輪機按結構形式分為軸伸貫流式、燈泡貫流式、豎井貫流式和全貫流式四種，其中燈泡貫流式水輪機結構合理，效率較高，所以應用最多。1616軸伸貫流式水輪機組燈泡貫流式水輪機組2．沖擊式水輪機沖擊式水輪機是利用水流的動能推動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功的。它不用尾水管、蝸殼和復雜的導水機構，因此，其構造要比反擊式水輪機簡單，便于維護管理。沖擊式水輪機中的水流是以射流的形式?jīng)_擊作用于轉(zhuǎn)輪的，從而使轉(zhuǎn)輪輸出機械力矩。根據(jù)射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式，沖擊式水輪機分為水斗式、斜流式(或斜擊式)和雙擊式三種機型。水斗式水輪機是目前應用最廣泛的一種沖擊式水輪機，適用于高水頭、小水量的電站。17171)水斗式水輪機水斗式水輪機是目前應用最廣泛的一種沖擊式水輪機，習慣上稱為沖擊式水輪機。這種水輪機的水流由噴嘴形成高速運動的射流，射流沿著轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面的切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪斗葉，所以又稱為切擊式水輪機，如圖4.11所示。水斗式水輪機的水斗由兩個勺形體并列組成，圖4.12是水斗截面圖。18182)斜擊式水輪機斜擊式水輪機主要工作部件和水斗式水輪機基本相同，只是工作射流與轉(zhuǎn)輪進口平面呈某一角度α，射流斜著射向轉(zhuǎn)輪，故稱為斜擊式水輪機，如圖4.13所示。圖4.14是斜擊式水輪機輪葉截面圖。斜擊式水輪機適用于較小型的水輪機，主要應用在水流落差比較高的地方，比如瀑布、山上小溪、高山流水邊等，水頭在20～300m，功率在500kW以下。19193)雙擊式水輪機雙擊式水輪機的應用水頭較低，沒有水斗式和斜擊式水輪機中的噴嘴，而是在壓力管道末端接了一段與轉(zhuǎn)輪寬度相等的矩形斷面的噴管，如圖4.15所示。雙擊式水輪機形成的水流流速比較小，水流流出噴管后，首先從轉(zhuǎn)輪外圓柱面的頂部向心地進入轉(zhuǎn)輪流過葉片，將70％～80％的水能轉(zhuǎn)換成機械能，然后從轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔下落，繞過主軸從轉(zhuǎn)輪的內(nèi)圓柱面離心地第二次進入轉(zhuǎn)輪流過葉片，將余下的20％～30％的水能轉(zhuǎn)換成機械能，最后水流從葉片外緣離心地離開轉(zhuǎn)輪。所謂“雙擊”，是指水流兩次流過轉(zhuǎn)輪葉片。2020雙擊式水輪機的結構簡單，但效率最低，適用于5～100m水頭的鄉(xiāng)村小水電站。3.可逆式水輪機可逆式水輪機是一種新型的水輪機，多用在抽水蓄能電站和潮汐電站中。抽水蓄能電站中的可逆式水輪機，正轉(zhuǎn)時可作為水泵運行，抽水蓄能；反轉(zhuǎn)時可作水輪機運行，放水發(fā)電。應用在潮汐電站中的可逆式水輪機，正反轉(zhuǎn)都可作水泵運行抽水蓄能，也都可作水輪機運行放水發(fā)電?？赡媸剿啓C的機型有可逆混流式、可逆斜流式、可逆軸流式和可逆貫流式四種。2121§4.1.4水電站的水工建筑水電站的水工建筑物包括攔河壩、閘、引水渠道、壓力前池、壓力水管及廠房、尾水渠道等。1．攔水建筑攔水建筑物主要是壩，用于截斷河流、集中落差和水量、形成水庫的大型水工建筑，壩是水利樞紐工程的主體。常見的壩型有土壩、混凝土重力壩、拱壩和支墩壩。22221)土壩土壩壩體寬厚，由散粒土體壓實而成。一般都是就地取材，由人工堆建而成。土壩構造簡單，對地質(zhì)條件要求不高。土壩具有能適應變形、抗震能力強等性能，工作可靠，壽命較長。但土壩要求具有較好的防滲透設施。2)混凝土重力壩混凝土重力壩是用混凝土和漿砌石修筑的大體積擋水建筑物，主要靠自身的重力作用維持壩體的穩(wěn)定，承受迎水面的水平推力和壩體自身的重力。混凝土重力壩的壩體用水泥澆筑在巖基層的壩基上。23233)拱壩和支墩壩拱壩和支墩壩都是水泥石料結構。拱壩的迎水面呈拱形，迎水面的載荷靠拱體傳遞到拱壩兩岸的巖體上。支墩壩通常由多個迎水斜面或小型拱面組成，斜面或小型拱面的接合處采用體積大、重量大的支墩來承受擋水面?zhèn)鱽淼妮d荷，再由支墩傳遞到壩基。24242．引水建筑引水口是由河道或水庫引取發(fā)電用水的入水口，通常要設置必要的閘門，即進水閘。引水渠道可以是隧洞、渠道或管道，其作用是將具有一定水頭并且符合水質(zhì)要求的水輸送到水電廠，分為無壓引水和有壓引水兩種類型。上游水位高或有大型水庫的水電廠常采用有壓引水方式。有壓引水的水流充滿整個隧洞斷面，隧洞壁承受較大的內(nèi)水壓力。上游水位低或只有較小型水庫的水電廠常采用無壓引水方式，無壓引水隧洞的工作情況與明渠相同，水在無壓引水隧洞中具有自由水面，無壓引水的主要問題是防污和防沙。25252．引水建筑圖4.16為無壓隧洞引水式水電廠示意圖。26263．發(fā)電廠房根據(jù)水輪機型號，水電站廠房布置分為以下幾種。(1)臥軸沖擊式水輪機廠房：適用于高水頭、小流量的引水式或混合式水電站。水流經(jīng)過壓力水管進入水輪機。水輪機和發(fā)電機安裝在同一層，兩者轉(zhuǎn)速相同，則同軸傳動；若轉(zhuǎn)速不同，則用帶或齒輪傳動。(2)臥軸混流式水輪機廠房：適用于中水頭引水式、壩后式或混合式水電站。具有金屬蝸殼，發(fā)電機多為橫軸，與水輪機置于同一層。(3)軸流定槳式水輪機廠房：適用于低水頭引水式電站。水流由引水渠直接流入導水渠，再進入水輪機室，無壓力水管。(4)立輪混流式水輪機廠房：適用于中水頭水電站。水輪機、發(fā)電機均為立軸，同軸傳動。廠房分發(fā)電機層和水輪機層，多為金屬蝸殼。(5)貫流式水輪發(fā)電機廠房：適用于低水頭、大流量河床式水電站。2727§4.2小水電的概念和應用特點小水電也包括小小型和微型水電站，但小小型和微型電站一般完全局限于為局部地區(qū)供電。聯(lián)合國工發(fā)組織召開的國際小水電第二次會議建議對小水電的規(guī)模作以下定義：小水電站為1001～12000kW，小小水電站為101～1000kW，微型水電站為100kW及以下。28§4.2.1小水電的概念282005年2月份頒布的《中華人民共和國可再生能源法》(以下簡稱《可再生能源法》)將裝機容量為5萬kW及以下的水電站定義為小水電。圖4.17所示為一座建在山上的小水電站。§4.2.2小水電應用特點水電的開發(fā)方式有堤壩式、引水式和混合式三種，我國的小水電站多半為引水式，如利用天然瀑布、急灘、河段跌水、河流彎道、高山湖泊、跨流域引水等，這是利用山區(qū)小河自然坡降的一種較為經(jīng)濟的開發(fā)方式。壩式和混合式電站數(shù)量較少，但因為其有調(diào)節(jié)水庫，往往成為梯級開發(fā)或地區(qū)供電中的骨干電站。29按照對天然水流的利用方式和調(diào)節(jié)能力，水電站可分為徑流式和蓄水式兩種。一般的小水電站基本都是徑流式電站，這種電站通常只是建造的低矮攔洪壩或者引水堰，很少或者沒有水被儲存起來，因此也被稱為無調(diào)節(jié)水電站。當來水流量大于電站水輪機過水能力時，水電站滿功率運行，多余的水量不通過機組發(fā)電，直接經(jīng)泄水道泄向下游(棄水)；當來水較少時，全部來水通過機組發(fā)電，但有部分裝機容量因缺水而未被利用。徑流式水電站中有高水頭或低水頭的引水式水電站，也有低水頭的壩式水電站。

29投資小水電站需要考慮的主要經(jīng)濟指標有單位千瓦投資、單位電能投資、電能成本、裝機年利用小時數(shù)、電能售價。小水電站主要經(jīng)濟指標按下列公式計算3030§4.3我國的小水電資源我國的小水電資源主要分布在遠離大電網(wǎng)的山區(qū)，既是農(nóng)村能源的重要組成部分，也是大電網(wǎng)的有力補充。從分布區(qū)域來看(圖4.18)，我國農(nóng)村水能資源技術可開發(fā)量華北地區(qū)為2909MW，占全國的2.3%；東北地區(qū)為5550MW，占全國的4.3%；華東地區(qū)為18839MW，占全國的14.7%；中南地區(qū)為27057MW，占全國的21.1%；西南地區(qū)為56740MW，占全國的44.3%；西北地區(qū)為16937MW，占全國的13.2%。圖4.19為我國農(nóng)村水能資源技術可開發(fā)流域分布圖，長江流域技術可開發(fā)量為55317MW，占全國的43.2%。3131§4.4小水電的發(fā)展公元元年前后的西漢王朝后期，中國就有了利用水力舂米的記載。19世紀末，隨著電的發(fā)明，人類開始利用水力來發(fā)電。1878年，世界第一座水力發(fā)電工程在英國諾森伯蘭郡克拉格塞德建成給單弧燈供電。1880、1881年在密歇根州大急流城和美國紐約尼亞加拉大瀑布的小水電站開始發(fā)(直流)電用于磨粉廠。1882年9月30日，在威斯康星州阿普爾頓，第一座愛迪生水電站，火神街電廠開始發(fā)電，出力12.5kW，被一些機構列為世界上第一座水電站。3232自1930年代起，由于大中型水電站和電力事業(yè)的發(fā)展，許多國家出現(xiàn)關閉小水電站或縮減小水電站數(shù)量和裝機容量的現(xiàn)象。到1970年代后期，由于世界性石油價格上漲，出現(xiàn)能源危機，西方許多國家對小水電重新關注，開展了一系列勘測設計和科學研究工作。2005年，全球可再生能源市場增長迅猛。全球小水電新增裝機500萬kW，總量達6600萬kW，其中3850萬kW的裝機容量分布在中國。截至2012年年底，小水電(小于10MW)裝機量約為7500萬kW，分布在148個國家和地區(qū)。3333§4.4.2我國小水電的發(fā)展自1912年中國大陸建成第一座小水電站——云南石龍壩水電站，至1949年，中國小水電站總裝機容量僅為3.7MW。20世紀50年代，為了充分利用水能資源，中央政府要求凡能利用的水能必須安裝小水電機組。到了20世紀60年代，小水電發(fā)展速度逐漸加快，平均每年新增裝機幾萬千瓦，一些小水電站開始并網(wǎng)運行或與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。小水電的快速發(fā)展階段是20世紀80年代以后。3434至2013年年底，我國已建成小水電機組45000臺，總裝機容量達6500萬kW，年發(fā)電量2000.00億kW·h，總裝機容量占我國水電裝機容量的24.3%，年發(fā)電量占全國水力發(fā)電的22.3%，在水力發(fā)電中占有重要地位。根據(jù)《中國能源中長期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》，未來我國小水電資源的開發(fā)利用還將繼續(xù)保持強勁勢頭，預計到2030年全國小水電裝機容量將達到9300萬kW，開發(fā)利用程度達到72.7%左右，至2050年，我國所擁有的小水電總裝機容量可達到1億kW。353536在取得驕人成績的同時，也面臨一些亟需解決的問題。(1)上網(wǎng)電價低，開發(fā)成本上升。（主要制約因素）(2)國家投入不足，優(yōu)惠政策缺乏穩(wěn)定性。(3)無序開發(fā)，資源浪費嚴重。(4)易引起環(huán)境和社會問題。36§4.5抽水蓄能電站§4.5.1抽水蓄能電站的構成和原理抽水蓄能發(fā)電是水能利用的另一種形式，它不是開發(fā)水力資源向電力系統(tǒng)提供電能，而是以水體作為能量儲存和釋放的介質(zhì)，在電力有剩余時把能量儲存起來，在電力不足時把能量釋放出來，對電網(wǎng)的電能供給起重新分配和調(diào)節(jié)的作用。抽水蓄能電站一般采用兼具水泵和水輪機兩種工作方式的可逆式水輪機。3737可逆式水輪發(fā)電機組有兩種工況：（1）在電力負荷出現(xiàn)低谷時(夜間)，可逆式水輪機作為水泵運行，發(fā)電機作為電動機運行，電動機從電網(wǎng)吸收電能(火電機組發(fā)出的過剩電能)并帶動水泵，將下水庫的水抽到上水庫儲存起來，稱為正向抽水（2）在電力負荷出現(xiàn)高峰時，將上水庫的水釋放下來，可逆式水輪機當作水輪機運行，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)出