水電廠

水電廠全稱水力發電廠，是把水的位能和動能轉換成電能的工廠。它的基本生產過程是：從河流高處或其他水庫內引水，利用水的壓力或流速衝動水輪機旋轉，將重力勢能和動能轉變成機械能，然後水輪機帶動發電機旋轉，將機械能轉變成電能。電站一般主要由擋水建築物(壩)、泄洪建築物(溢洪道或閘)、引水建築物(引水渠或隧洞，包括調壓井)及電站廠房(包括尾水渠、升壓站)四大部分組成。 主要組成部分有：水工建築物、水力機械設備、發電設備、變電設備、配電設備、輸電設備和控制及輔助設備。

基本介紹

• 中文名：水電廠
• 外文名：hydraulic power plant
• 全稱：水力發電廠
• 水電廠分類：堤壩式水電廠
• 水電廠分類：引水式水電廠
• 領域：能源
• 學科：水力水電

發展前景

中國經濟已進入新的發展時期，在國民經濟持續快速增長、工業現代化進程加快的同時，資源和環境制約趨緊，能源供應出現緊張局面，生態環境壓力持續增大。據此，加快西部水力資源開發、實現西電東送，對於解決國民經濟發展中的能源短缺問題、改善生態環境、促進區域經濟的協調和可持續發展，無疑具有非常重要的意義。另外，大力發展水電事業將有利於縮小城鄉差距、改善農村生產生活條件，對於推進地方農業生產、提高農民收入，加快脫貧步伐、促進民族團結、維護社會穩定，具有不可替代的作用。水電開發通過投資拉動、稅收增加和相關服務業的發展，將把地方資源優勢轉變為經濟優勢、產業優勢，以此帶動其他產業發展，形成支撐力強的產業集群，有力促進地方經濟的全面發展。

水力發電原理

水力發電就是利用水力(具有水頭)推動水力機械(水輪機)轉動，將水能轉變為旋轉機械能，如果在水輪機上接上另一種機械(發電機),隨著水輪機的旋轉便可發出電來，這時機械能又轉變為電能。

水力發電在某種意義上講是水的勢能變成旋轉機械能，又變成電能的轉換過程。根據原理可推算出水力發電的出力公式如下：

P=9.81ηHQ
P：出力單位：kW（千瓦）機組機端傳出的功率。
H：水頭單位：m（米）作用在水輪機上的有效水頭，它等於水庫水位與下游水位之差（即：毛水頭）減去引水部分水頭損失，水頭損失△h，據經驗，一般為Hg（毛水頭）的3%~10%，輸水道短取小值。
Q：流量單位：m3/s（立方米/秒）水電廠水輪機的引用流量。
η：水輪發電機組效率，包括水輪機的效率和發電機的效率，η不但與水輪機、發電機的類型和參數有關，還會隨機組運行工況的改變而改變，不是一個固定值。為簡化計算，令k=9.81η，則可把出力公式簡化為：

P=kHQ
k：水電站出力係數。大中型水電站k=8.0~8.5；中小型水電站k=6.5~8.0，對小型電廠：k=6.0~6.5。
各國一般把裝機容量0.5萬kW以下的水電站定為小水電站，0.5萬～10萬kW為中型水電站，10萬～100萬kW為大型水電站，超過100萬kW的為巨型水電站。

組成部分作用

水電站一般主要由擋水建築物(壩)、泄洪建築物(溢洪道或閘)、引水建築物(引水渠或隧洞，包括調壓井)及電站廠房(包括尾水渠、升壓站)四大部分組成。
主要組成部分有：水工建築物、水力機械設備、發電設備、變電設備、配電設備、輸電設備和控制及輔助設備。

水工建築物的組成與作用

1.水工建築物的組成

擋水建築物——壩泄水建築物——溢洪道、泄水孔、溢流壩、泄洪洞閘門——進水閘門、尾水閘門、溢洪道閘門
用水建築物——水電站進水引水建築物（渠道或隧洞、壓力鋼管、進水口）和廠房

2.水工建築物的作用
壩的作用：是攔截水流、抬高水位、形成水庫，造成上下游之間的水位差，使電站具備水力發電的基本條件。在有調節庫容的壩式水電站上，壩同時實現集中河段落差和調節河流中的流量的雙重作用，不僅為水電廠服務，同時還有防汛、灌溉、航運、工業給水等作用。

溢洪道、泄水孔的作用：宣洩洪水，防止洪水漫頂，確保大壩安全，故又稱泄洪建築物。有的泄水建築物還可以用來放空水庫或施工導流等。泄水建築物按泄流方式可分為溢洪道和深式泄水道兩類。

閘門的作用：調節流量和控制洪水。閘門可根據它所在的位置的不同分為低水頭閘門和高水頭閘門。發電用的進水口閘門和底孔閘門屬於高水頭閘門，溢洪道上的閘門屬於低水頭閘門。從其結構劃分，最常見的有平板閘門和弧形閘門。尾水閘門主要是設備檢修時使用。
用水建築物的作用：可分為進水和引水建築物，它包括進水口和引水道，其作用是將壩內的水引到廠房供水輪發電機組使用。

引水道可分為：渠道、隧洞（有壓和無壓）、壓力水管、渡槽和倒虹吸等一些引水式水電站在引水建築物上還設有壓力前池、調壓室或調壓井等
主廠房：用來安裝水輪發電機組及其輔助設備的廠房，以及組裝、檢修發電機組的裝配場。

副廠房：安裝配電設備及其運行管理設施的廠房。副廠房一般包括水電站的運行、控制、試驗、管理用房，以及操作人員工作、生活的用房。

水力機械設備的組成與作用

1.水力機械設備的組成主閥水輪機軸導軸承尾水管
2.水力機械設備的作用主閥：（球閥、蝶閥）事故時，緊急切斷水流，防止機組飛逸事故發生；機組檢修時，切斷水流；長時間停機時，關閉蝶閥，減少漏水量，節約水資源。
水輪機：按安裝方式可分為立式、臥式；按水流能量轉換的特徵，可分為反擊式（利用水流體的動能和勢能）和衝擊式（僅利用水流的動能）。反擊式：軸流式（定漿：H：3~50m，轉漿：H：3~80m）、混流式（H=30~700m）、斜流式（H=40~200m）、貫流式（2～30m）。
衝擊式：適用於高水頭、小流量的小型機組，水斗式水輪機（切擊式）（40~2000m，一般常用水頭範圍40~800m）、斜擊式水輪機（50~400m）、雙擊式水輪機（6~150m）。水輪機的組成部分及作用蝸殼：形成水力環量。座環：承受機組全部重量。
底環及頂蓋：固定活動導葉並形成轉輪室。轉輪：水能轉換成旋轉機械能。
活動導葉：控制水流量，達到調節轉速和出力的目的。軸：傳遞機械能。
導軸承：承受徑向水推力和控制擺度。尾水管：回收能量並導出水流。

發電機的組成部分及作用

1. 發電機主要組成部分
   定子、轉子、推力軸承、導軸承、軸、機架、冷卻器、制動器。
   

2.發電機主要組成部分的作用定子：產生感應電勢。轉子：產生旋轉磁場。
推力軸承：承受軸向水推力及機組轉動部件自重。導軸承：承受徑向水推力和控制擺度。軸：傳遞機械能。
上機架：安裝推力軸承、上導軸承、集電環等。下機架：安裝下導軸承、制動器。
冷卻器：軸承冷卻器用於冷卻軸承，空氣冷卻器用於冷卻發電機。

制動器：停機時制動發電機，防止長時間低速旋轉損壞推力軸承。

變電設備的組成部分及作用

1.變電設備組成
油浸式變壓器：底座、鐘罩、油枕、鐵芯、繞組及散熱裝置等。乾式變壓器：鐵芯、繞組、箱體及散熱裝置等。

2.變電設備的作用
變壓器：升高交流電壓或降低交流電壓。

1.配電設備主要有：斷路器（開關）、隔離開關（閘刀）、互感器、避雷器、母線、導線等。
2.配電設備的作用

斷路器（開關）：關合、承載、開斷運行迴路正常電流、過載電流。

隔離開關（閘刀）：合閘時承載正常迴路電流、過載電流，分閘時符合絕緣距離和有明顯斷開標誌。

配電設備的組成及作用

電壓互感器（PT）：把高電壓降為標準電壓，供保護、計量、儀表等裝置使用。一般標準電壓為100V。

電流互感器（CT）：把大電流降為標準電流，供保護、計量、儀表等裝置使用。一般標準電流為5A或1A。

避雷器：限制過電壓以保護電氣設備。

母線：匯集、分配和傳送電能。
導線：傳送電能。

輸電設備的組成及作用

1.輸電設備的組成
線路、鐵塔（電桿）、避雷線等。

2.輸電設備的作用線路：傳送電能。鐵塔（電桿）：固定導線和避雷線。避雷線：保護架空輸電線路

控制設備的組成及作用

1 .控制設備主要有：
勵磁裝置、調速裝置、繼電保護、同期裝置、自動裝置、計算機監控系統、直流系統等。
2.控制設備的作用
勵磁裝置：為發電機轉子提供直流電建立磁場，控制發電機機端電壓或調整機組無功功率。
調速裝置：控制機組轉速或調整機組有功功率。
繼電保護：監視電力系統的正常運行，當被保護的元件發生故障時，自動迅速地、有選擇地發出跳閘命令，將故障設備從系統中切除，保證正常設備繼續運行，將事故限制在最小範圍，提高系統運行的可靠性，最大限度地保證向用戶安全、連續供電。
同期裝置：不同電源間的同期併網。類型：自同期、準同期（自動準同期、手動準同期、燈光熄滅準同期）。
自動裝置：完成一定功能的自動裝置。類型：重合閘裝置、低周啟動裝置、高周切機裝置。

計算機監控系統：通過對電站各種設備信息進行採集、處理，實現自動監視、控制、調節、保護等功能，保證設備安全穩定運行，按電力系統要求進行最佳化運行，合理充分利用水能，保證電能質量，減少運行與維護成本，改善運行條件，實現無人值班或少人值守。

硬體組成有：工作站、伺服器、網路設備、GPS時鐘、UPS電源、現地LCU、數據採集設備及通信設備等。
直流系統：為開關設備的操作、二次設備提供可靠能源。直流系統組成：蓄電池、充電裝置、配電裝置。

輔助設備的組成及作用

1.水電廠輔助設備的組成：
水系統：技術供水、滲漏排水、檢修排水。油系統：絕緣油、潤滑油。
氣系統：高壓氣、中壓氣、低壓氣。

2.水電廠輔助設備的作用技術供水系統：
主要對象：發電機空氣冷卻器、發電機推力軸瓦及導軸承冷卻器、水輪機導軸承冷卻器、主軸密封、水冷式變壓器、水冷式空氣壓縮機、深井泵潤滑水、消防用水等。

技術供水水源：上游水庫（壓力鋼管或蝸殼、壩前取水）、下游水庫、地下水源等。

技術供水的方式：自流供水、水泵供水、混合供水、射流泵供水。

排水系統：防止廠房內部積水和潮濕，保證機組過流部件和廠房水下部分的檢修。

包括：生產用水的排水、檢修排水、滲漏排水、廠區排水。

油系統：
潤滑油：透平油、空氣壓縮機油、機械油及潤滑脂等。

潤滑油的作用：潤滑、散熱、傳遞能量。

絕緣油：變壓器油、電纜油、開關油。

絕緣油的作用：絕緣、散熱、消弧。
氣系統：
高壓氣系統：供油壓裝置壓力油罐補氣。
中壓氣系統：水導軸承檢修密封圍帶、蝴蝶閥止水圍帶。
低壓氣系統：機組停機制動、調相壓水、風動工具、吹掃用氣。

水電廠分類

分類標準

按集中落差

堤壩式水電廠（又分壩後式和河床式），引水式水電廠和混合式水電廠；

按徑流調節程度

無調節水電廠和有調節水電廠；前述水電廠是專供發電用的，另外有一種特殊形式的水電廠，叫抽水蓄能電廠（十三陵電廠），這類電廠有上下兩個水庫，電廠中有發電和抽水兩類設施，電廠在系統峰荷時發電（調峰），系統低谷時抽水耗電（填谷），另有調相、調頻和備用的作用；我國目前最大的水電廠是三峽，裝機容量1820萬KW，26台70萬KW機組，參與發電的是14台機組，即980萬KW；（二灘水電廠，裝機容量330萬KW，6台55萬KW機組）最大抽水蓄能水電廠：廣東抽水蓄能水電廠，裝機容量240萬KW，8台30萬KW機組。

按利用能源類型

水電廠可分為常規水電廠(包括梯級水電廠)、抽水蓄能電廠、潮汐電站和波浪能電站。常規水電廠又可按水頭集中方式、水庫調節徑流性能和裝機規模的區別分類。其中按水頭集中方式可劃分為壩式水電廠、引水式水電廠和混合式水電廠；按水庫調節徑流性能可劃分為多年調節、年調節、季調節、周調節、日調節水電廠和不調節徑流的徑流式水電廠；按單廠裝機容量規模分類，我國現行的劃分標準是單廠裝機容量250MW及以上的為大型，250MW以下至25MW的為中型，小於25MW的為小型。

按開發方式

可分成純抽水蓄能、混合式和調水式三種類型。

具體類型

壩式水電廠

壩式水電廠或稱壩庫式、堤壩式、蓄水式水電廠，是水電開發的基本方式之一。壩式水電廠是由河道上的擋水建築物壅高水位而集中水頭的水電廠。當水頭不高且河道較寬時，用廠房作為擋水建築物的一部分，這類水電廠又稱河床式水電廠，也屬於壩式水電廠。

壩式水電廠的發電廠房有壩後式、壩內式、溢流式、岸邊式、地下式和河床式幾種類型。

引水式水電廠

引水式水電廠是水電開發的基本形式之一。這類水電，宜建在河道坡降較陡的河段或大河灣處，在河段上游築壩引水，用引水渠道、隧洞、壓力水管等將水引到河段下游，用以集中水頭髮電。這類水電廠大都為高水頭水電廠。跨流域引水發電的水電廠必然是引水式水電廠。

混合式水電廠

混合式水電廠或稱水庫引水式水電廠，這類水電廠由擋水建築物和引水系統共同集中發電水頭，並由水庫調節徑流發電。

徑流式水電廠

式水電廠，是在河道中攔河築低壩或閘，基本不調節徑流，靠天然徑流發電的水電廠。當來水流量大於水輪機過水能力時，水電廠滿出力運行，多餘水量經泄水建築物直接泄向下游，稱為棄水；當來水流量小於水輪機過水能力時，則有部分發電機組容量來被利用。水電廠的這種運行方式稱為徑流發電。

梯級水電廠

梯級水電廠是分布在一條河流上下游有水流聯繫的水電廠群，其各級水電廠可以是壩式、引水式或混合式水電廠等不同類型。各類水電廠都有各自的優缺點，建設梯級水電廠可以互相取長補短，取得提高資源利用率，協調水資源綜合利用之間的矛盾，縮短總工期，減少總投資等梯級效益。

抽水蓄能電廠

抽水蓄能電廠建有上下兩座水庫，其間用壓力隧洞或壓力水管相連線。它是利用電力系統低谷負荷時的剩餘電力從下庫抽水雷存到上庫，在高峰負荷時從上庫放水至下庫發電的水電廠。

電力系統作用

在電力系統中，發電廠一般有火電廠、水電廠、核電廠、風電場、太陽能電廠等幾類。在水力資源貧乏地區，火電廠所占比例較大，而在水力資源豐富且開發程度較高的地區，水電廠則占有較大的比例，風電場和太陽能屬於新能源，最近幾年發展比較迅速。水電廠在電力系統的主要作用有以下幾項：

(1)提供電能。是水電廠的主要任務。

(2)調峰。有調節能力的主力水電廠擔任。

(3)調頻。有水庫且調節能力較強的大型機組擔任，中國的頻率50±0.2Hz。

(4)調相。具備調相運行能力，可根據電網要求參與系統無功功率平衡。

(5)作為事故備用。由於水輪發電機組具有迅速起動投入併網發電的特點，當電力系統突然發生事故時，急需補充電量，常把水電廠的機組作為事故備用機組。

(6)蓄能作用。抽水蓄能水電廠低谷時抽水用電儲能，在用電高峰時發電向系統供電，滿足負荷需要。

水電屬於清潔能源，根據水電的特點和在電力系統中的作用，運行方式一般遵循以下原則：

1.充分利用水能。無調節能力的一般擔任基荷運行，主要是徑流電廠；有調節能力的枯水期一般參與調峰運行，豐水期為避免棄水一般逐步過渡到基荷運行，調峰任務轉交給火電廠。

2.為降低火電廠煤耗，節約資源，枯水期水電廠參與調峰運行，讓火電廠在高效區運行。豐水期則水電廠在基荷運行，火電廠最大限度參與調峰運行，最大限度減少棄水。

3.合理分配負荷，儘量使水電機組在高效率區運行。水電機組一般避免在低水頭、低負荷區運行，在低水頭、低負荷區運行時，不但效率低，還有可能會處在振動區運行，影響機組的安全運行和使用壽命。