水能是一種可再生能源，是一種很經濟、很清潔的能源。我國水能理論蘊藏量為6.8億千瓦，居世界首位。由於自然條件和技術上的原因，必須對河流進行分段開發。即，自河流的上游起，由上而下地擬定一個河段接一個河段的水利樞紐系列、呈階梯狀的分布形式，這樣的開發方式稱為梯級開發。通過梯級開發方式所建成的一連串的水電站，稱為梯級式水電站。
基本介紹
- 中文名：梯級水電站
- 外文名：cascade hydropower stations
- 能源：水能
- 能源特點：經濟、清潔
- 釋義：梯級開發建成的水電站
- 時間：1880年
概念,發展沿革,特徵,面臨問題,
概念
水能是一種可再生能源，是一種很經濟、很清潔的能源。我國水能理論蘊藏量為6．8億千瓦，居世界首位。由於自然條件和技術上的原因，必須對河流進行分段開發。即，自河流的上游起，由上而下地擬定一個河段接一個河段的水利樞紐系列、呈階梯狀的分布形式，這樣的開發方式稱為梯級開發。通過梯級開發方式所建成的一連串的水電站，稱為梯級式水電站。
上述概念是一般的概念。實際生活中常說的梯級水電站，著重是指水能資源開發中，相鄰聯繫比較緊密、互相影響比較顯著、地理位置相對比較靠近的水電站群。當河流比較長、上下游相距很遠時，我們則把它分成河段來考察，如黃河上游、岷江上游等，以便更好地揭示梯級電站的整體功能和有機聯繫。
發展沿革
水力發電的出現，始於1880年（庚辰年）前後。當時法國的塞爾美茲製糖工廠、英國的下屋化學工廠、美國的可拉礦山等都建立了小規模水電廠，主要用於自備的動力驅動。1882年前後，在美、英、法等國出現了專門供電的水電廠，其中以大發明家愛迪生在美國威斯康星州創建的亞伯爾水電站較為著名，（水頭3米裝機10．5千瓦），故常常把它作為水電站誕生的正式代表。在水電站創建的第一個10年，容量一般都很小。如瑞典1882年建立的該國第一座水電站，只有3馬力的容量；日本在1889年建立的該國第一座水電站也只有65馬力的容量。在水電站發展的第二個10年，裝機容量開始有較大增長。1892年，美國奈亞格拉水電站建成，安裝了11台4000千瓦水輪發電機；1895年，美國尼加拉水電站發電，裝機達14．7萬千瓦。1895年，在法國下羅納河建成聖克來水電站，裝機10．7萬千瓦。在以後的兩個10年中，水電站規模迅速擴大，裝機容量發展很快，美國的密西西比河從1913年至1930年的17年中，水電站裝機從14．7萬千瓦發展到965萬千瓦，增加了65倍。前蘇聯在此期間也修建了裝機達55．8萬千瓦的第聶伯水電站。但是，水電站發展的前40年中，多數國家都處於單目標、單個電站孤立開發、獨立管理的狀態。唯有日本在20世紀的前30年中出現了按河流水系進行梯級開發的趨勢，並取得了較好的成效。但是，當時也沒有明確提出對河流進行梯級開發的概念。
1933年，美國在田納西河流域的開發方案中首次提出多目標梯級開發的主張，並加以實施。此後，康伯蘭河、密蘇里河、哥倫比亞河、科羅拉多河、阿肯色河等相繼按照田納西 河的開發方式進行多目標梯級開發。
與此同時，前蘇聯在1931年到1934年間完成了伏爾加河的梯級開發規劃，並付諸實施。
水力發電發展的第二個40年，是梯級開發迅猛發展的時代。大多數已開發國家在這一時期都以開發水能作為自己國家能源建設的重點，優越的水電電源點大都獲得了開發。
已開發國家水電建設從20世紀70年代以後開始走向平穩發展時代。而拉美一些開發中國家則從60年代開始了水電建設的高潮，梯級開發進展很快。巴西在1958年到1986年的28年中，對巴拉那河及其支流進行了一連串梯級開發，共建成梯級電站17座，總庫容為179．22億立方米，總裝機達3958萬千瓦。這使它從1950年的水電裝機154萬千瓦居世界第12位躍居為世界第5位。
目前，世界上梯級水電站開發建設最完善的有美國和加拿大境內的哥倫比亞河，乾支流共建42座梯級、總裝機達3335萬千瓦，是世界上梯級數最多的河流；
巴西和阿根廷、巴拉圭等國境內的巴拉那河，乾支流共建30座梯級，總裝機達4854萬千瓦，是世界上裝機容量最大的河流；
蘇聯的葉尼塞河，乾支流共建梯級9座，總庫容達4679億立方米，是世界上水庫庫容最大的河流；還有蘇聯的伏爾加河，法國的羅納河，加拿大的拉格朗德河，美國的密西西比河，歐洲的萊茵河、多瑙河等梯級水電站的開發建設都很有特點，不僅獲得了巨大的水電能源，而且獲得了綜合的社會經濟效益。
我國水力發電起步雖然較晚，但梯級開發的嘗試卻並不比國外落後多久。1912年，在雲南昆明滇池的出口上建造了我國第一座水電站――石龍壩水電站，安裝了兩台240千瓦的水輪發電機。1936年，開始對四川長壽境內的龍溪河進行梯級開發的規劃設計。但因處於戰爭動亂中，到解放時僅完成了很少部分工程。新中國建立後，河流水能資源的梯級開發迅速發展。1959年建成了龍溪河梯級水電站，1973年建成了古田溪梯級水電站，1972年建成了以禮河梯級水電站，1980年建成了貓跳河梯級水電站，1986年建成了田洱河梯級水電站。但是，由於經濟和技術條件的限制以及體制、政策方面的原因，新中國建立後的前30年，水力發電事業總的來說發展規模並不大。已開發建成的梯級電站都是中小型河流。迄今為止尚無一條大型河流完全實現了梯級開發。改革開放以來，特別是最近10年，水電開發日益引起各方面重視，梯級電站建設出現新的勢頭。黃河上游梯級經過50年的開發建設，已建成5座大中型電站，形成312億立方米的庫容和擁有 300萬千瓦的裝機。紅水河梯級、大渡河梯級、岷江梯級正在開發建設之中。金沙江主要支流，雅礱江梯級開發和南向水系瀾滄江梯級開發也拉開了序幕。金沙江幹流、烏江幹流的開發也在計畫之中。如果水電開發的政策和體制能夠不斷完善，中國的水能資源的梯級開發將會以前所未有的速度發展，國民經濟將會得到充足的、廉價的、衛生的、可靠的能源供應。
特徵
河流實行梯級開發，梯級水電站的工作狀況同非梯級開發的個別獨立運行電站就有很大的差別，具有獨立運行電站所沒有的一些工況特徵，這主要是：
梯級水電站對河流的水能利用特徵非常明顯：在水頭利用上，是分級開發、分段利用；在水量利用上是多次開發、重複利用，因此，在上下梯級之間表現出明顯的相互影響的制約。 由於整個梯級都受到上游來水的影響、下游梯級都受到上游水庫調節能力的制約、下一梯級受到上一梯級運行工況的制約，因此梯級電站的調度不僅有各個電站的合理運行調度問題，而且有整個梯級的最佳化調度問題。所以，梯級電站必須實行整個梯級的統一調度，在滿足系統所給定的負荷曲線前提下，實行各個梯級站的經濟運行，以便合理利用水力資源，提高水能利用率
一個河流梯級往往有多個電站，電站之間都相隔一定距離，廠區比較分散，戰線拉得較長，這就使生產指揮受到種種限制。如果各個電站開發方式、布置型式、機組型號和容量不一樣，這又使得生產技術管理複雜化。由於電站分散、生產和生活設施也相對分散，這就使得後勤管理比較複雜。為了適應對梯級電站統一管理的要求，對梯級電站廠區內的道路交通、通訊設施和其它管理技術手段也有很多特殊的要求。總之，梯級電站的生產管理必須有效解決好電站分散與管理集中之間的矛盾。
這主要指梯級電站與系統的關係問題，同時也涉及與所在地方之間的聯繫。如果整個梯級同屬於一個電網，這種聯繫相對單純一些。如果一個梯級分屬於不同的電網，那么梯級管理中的利益衝突與調節將是十分重要的問題。即便是屬於同一個電網，如果構成梯級的電站所有權不一致，那么，也應十分慎重地處理好電站――梯級――系統三者之間的利益關係。由於梯級電站跨越好幾個市縣甚至好幾個省區，這又涉及到不同地方之間的利益關係。這種關係不僅是電量分配問題，而且涉及利稅分配、水量分配、防洪安全、環境影響等多方面問題。
面臨問題
由於梯級電站的運行工況具有上述基本特徵，它的管理就面臨一些特殊問題。這主要是：
衡量一個河流梯級的效益大小，不在於梯級中個別電站的效益大小。一個梯級總廠的整體效益大於該梯級內各個電站效益之和。這個道理是顯而易見的。因此，梯級電站的管理應該把整個梯級的巨觀效益放在首位。首先，在調度管理上，必須在梯級最佳化調度的前提下再進行電站和機組間的最佳化調度和負荷分配，使水能資源利用最充分、最合理，機組設備的利用效率最高；其次，在檢修管理上，要求整個梯級檢修設施總量最小，人員最精、效率最高，避免重複建設、設備閒置和人員分散浪費；第三，在後勤管理上，生活基地、福利設施應相對集中、統籌規劃等等。這些，都是涉及梯級管理的整體效益問題。
由於梯級電站運行時要彼此受到制約和影響，因此，各梯級電站之間的安全也息息相關。梯級電站在管理中必須考慮整個河流梯級的安全問題，由此來決定上下游各級電站的安全運行方式和在危急時刻的操作方式。這也是梯級電站管理中的特殊而重要的問題。
如果梯級電站實行集中管理，是否具備集中管理所要求的基本條件，這就是梯級管理的整體可行性問題。集中管理要求在技術上解決好遙測、遙訊、遙控、遙調手段配套可靠，調度、通訊手段暢通可靠，水工建築、機組設備、自動化設備質量可靠；還要解決好交通道路和運輸能力，保證管理中心與各站之間、站與站之間不可須臾中斷的生產聯繫和調度指揮。如果上述基礎條件不具備，則說明該梯級電站還不具備集中管理的條件，即整體可行性條件不足。
