水電站(水利建築設施)

水電站，是能將水能轉換為電能的綜合工程設施 。一般包括由擋水、泄水建築物形成的水庫和水電站引水系統、發電廠房、機電設備等。水庫的高水位水經引水系統流入廠房推動水輪發電機組發出電能，再經升壓變壓器、開關站和輸電線路輸入電網。

基本介紹

• 中文名：水電站
• 外文名：hydroelectric power station /hydropower plant 
• 特點：將水能轉換為電能
• 別稱：水電廠

設備構造

建築

水電站，英文：hydroelectric power station /hydropower plant (HPP)水電站是將水能轉換為電能的綜合工程設施，又稱水電廠。它包括為利用水能生產電能而興建的一系列水電站建築物及裝設的各種水電站設備。有些水電站除發電所需的建築物外，還常有為防洪、灌溉、航運、過木、過魚等綜合利用目的服務的其他建築物。這些建築物的綜合體稱水電站樞紐或水利樞紐。

水電站

水電站樞紐的組成建築物有以下6種：

（一）擋水建築物

用以截斷水流，集中落差，形成水庫的攔河壩、閘或河床式水電站的水電站的長房等水工建築物。如混凝土重力壩、拱壩、土石壩、堆石壩及攔河閘等。

（二）泄水建築物

用以宣洩洪水或放空水庫的建築物。如開敞式河岸溢洪道、溢流壩、泄洪洞及放水底孔等。

（三）進水建築物

從河道或水庫按發電要求引進發電流量的引水道首部建築物。如有壓、無壓進水口等。

（四）引水建築物

向水電站輸送發電流量的明渠及其渠系建築物、壓力隧洞、壓力管道等建築物。

（五）平水建築物

在水電站負荷變化時用以平穩引水建築物中流量和壓力的變化，保證水電站調節穩定的建築物。對有壓引水式水電站為調壓井或調壓塔；對無壓引水式電站為渠道末端的壓力前池。

（六）廠房樞紐建築物

水電站廠房樞紐建築物主要是指水電站的主廠房、副廠房、變壓器場、高壓開關站、交通道路及尾水渠等建築物。這些建築物一般集中布置在同一局部區域形成廠區。廠區是發電、變電、配電、送電的中心，是電能生產的中樞。

設備

將水能轉變為電能的機電設備稱水電站動力設備。其在常規水電站和潮汐電站為水輪機和水輪發電機組成的水輪發電機組，及附屬的調速器、油壓裝置、勵磁設備等。抽水蓄能電站的動力設備為由水泵水輪機和水輪發電電動機組成的抽水蓄能機組及其附屬的電氣、機械設備。水電站的電氣裝置除水輪發電機及其附屬設備外，還包括發電機電壓配電設備、升壓變壓器、高壓配電裝置和監視、控制、測量、信號和保護性電氣設備等。

水電站的總裝機容量P由下式計算：

P = 9.81QHη

式中 Q——通過水輪機的水流量，m3/s；

H——水電站的水頭，m

η——水電站的總效率，一般為0.85~0.86

功能

利用水電站樞紐集中天然水流的落差形成水頭，匯集、調節天然水流的流量，並將它輸向水輪機，經水輪機與發電機的聯合運轉，將集中的水能轉換為電能，再經變壓器、開關站和輸電線路等將電能輸入電網。

水電站

通常用壩攔蓄水流、抬高水位形成水庫，並修建溢流壩、溢洪道、泄水孔、泄洪洞（見水工隧洞）等泄水建築物宣洩多餘洪水。水電站引水建築物可採用渠道、隧洞或壓力鋼管，其首部建築物稱進水口。

水電站廠房分為主廠房和副廠房，主廠房包括安裝水輪發電機組或抽水蓄能機組和各種輔助設備的主機室，以及組裝、檢修設備的裝配場。副廠房包括水電站的運行、控制、試驗、管理和操作人員工作、生活的用房。引水建築物將水流導入水輪機，經水輪機和尾水道至下游。當有壓引水道或有壓尾水道較長時，為減小水擊壓力常修建調壓室。而在無壓引水道末端與發電壓力水管進口的連線處常修建前池。為了將電廠生產的電能輸入電網還要修建升壓開關站。

此外，尚需興建輔助性生產建築設施及管理和生活用建築。

技術原理

水的落差在重力作用下形成動能，從河流或水庫等高位水源處向低位處引水，利用水的壓力或者流速衝擊水輪機，使之旋轉，從而將水能轉化為機械能，然後再由水輪機帶動發電機旋轉，切割磁力線產生交流電。而低位水通過吸收陽光進行水循環分布在地球各處，從而回復高位水源。

歷史沿革

1878年法國建成世界第一座水電站。1879年，瑞士建成世界第一座抽水蓄能電站。

石龍壩水電站

1912年，雲南省昆明市郊建成中國大陸最早的水電站石龍壩水電站(1912) ，電站一廠於1910年7月開工，1912年4月發電，最初裝機容量為480 kW。

1913年，世界第一座潮汐電站建於德國北海之濱。最大的潮汐電站是法國建於聖瑪珞灣的朗斯潮汐電站，裝機24萬千瓦。

20世紀世界裝機容量最大的水電站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水電站，裝機1260萬千瓦。

20世紀30年代後，水電站的數量和裝機容量均有很大發展。

1978年日本建成海明號波浪發電試驗船，是世界上第一座大型波能發電站。

1985年，美國巴斯康蒂投產世界裝機容量最大的抽水蓄能電站。

1986年中國在浙江省建成試驗性的江廈潮汐電站，裝機3200千瓦。中國的廣州抽水蓄能電站，一期工程裝機120萬千瓦，計畫在90年代完工。

1988年中國竣工的湖北葛洲壩水利樞紐，裝機271.5萬千瓦。

80年代末，世界上一些工業已開發國家，如瑞士和法國的水能資源已幾近全部開發。

1994年已開工興建的三峽水利樞紐建成後，裝機容量為2250萬千瓦（32台70萬kW+10萬kW地下電源電站），到目前為止已經成為世界上最大的水電站。

2015年12月31日，環保部日前對黃河瑪爾擋水電站的環境影響評價檔案基本情況予以公示。瑪爾擋水電站位於青海省海南藏族自治州同德縣與果洛藏族自治州瑪沁縣交界處的黃河幹流上，海拔在3200米以上，建成後將成為黃河上海拔最高的水電站。

基本類型

水能利用

利用河流、湖泊水能的常規水電站；利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，待電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的抽水蓄能電站；利用海洋潮汐能發電的潮汐電站；利用海洋波浪能發電的波浪能電站。按對天然徑流的調節方式分為：沒有水庫或水庫很小的徑流式水電站，水庫有一定調節能力的蓄水式水電站。

貓跳河紅岩水電站

按水電站水庫的調節周期分為多年調節水電站、年調節水電站、周調節水電站和日調節水電站。年調節水電站是將一年中豐水期的水貯存起來供枯水期發電用。其餘調節周期的水電站含義類推。

按發電水頭分為高水頭水電站、中水頭水電站和低水頭水電站。世界各國對此無統一規定。中國稱水頭70米以上的電站為高水頭電站，水頭70～30米的電站為中水頭電站，水頭30米以下的電站為低水頭電站。按裝機容量分為大型、中型和小型水電站。

中國規定裝機容量大於120萬千瓦為大(1)型水電站，120萬～30萬千瓦為大(2)型水電站，30萬～5萬千瓦為中型水電站，5萬～1萬千瓦為小(1)型水電站，小於1萬千瓦為小(2)型水電站。按發電水頭的形成方式分為：以壩集中水頭的壩式水電站、以引水系統集中水頭的引水式水電站，以及由壩和引水系統共同集中水頭的混合式水電站。

水源類型

可分為四類：

常規水電站也稱為壩式水電站。

石龍壩水電站,利用天然河流、湖泊等水源發電。

抽水蓄能電站，利用電網中負荷低谷時多餘的電力，將低處下水庫的水抽到高處上水庫存蓄，待電

網負荷高峰時放水發電，尾水至下水庫，從而滿足電網調峰等電力負荷的需要。

水電站組成框圖

潮汐電站

利用潮水漲落產生的水位差所具有的勢能來發電。

水式水電站

調節能力

按照水電站對天然水流的利用方式和調節能力，可以分為兩類：

徑流式水電站

沒有水庫或水庫庫容很小，對天然水量無調節能力或調節能力很小的水電站。

蓄水式水電站

設有一定庫容的水庫，對天然水流具有不同調節能力的水電站。

工程建設

分為：壩後式水電站，河床式水電站，引水式水電站，儲能水電站，虹吸式水電站

還常採用的分類方法：

開發方式

即按集中水頭的手段和水電站的工程布置，可分為壩式水電站、引水式水電站和壩－引水混合式水電站三種基本類型。這是工程建設中最通用的分類方法。

用水頭的大小

可分為高水頭、中水頭和低水頭水電站。世界上對水頭的具體劃分沒有統一的規定。有的國家將水頭低於 15m作為低水頭水電站，15～70m為中水頭水電站，71～250m為高水頭水電站，

水頭大於250m時為特高水頭水電站。中國通常稱水頭大於70m為高水頭水電站，低於30m為低水頭水電站，30～70m為中水頭水電站。這一分類標準與水電站主要建築物的等級劃分和水輪發電機組的分類適用範圍，均較適應。

蘇丹麥洛維水電站

裝機容量

可分為大型、中型和小型水電站。各國一般把裝機容量5000kW以下的水電站定為小水電站，5000～10萬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。中國規定將水電站分為五等，其中：裝機容量大於75萬kW為一等〔大(1)型水電站〕，75萬～25萬kW為二等〔大(2)型水電站〕，25萬～2.5萬kW為三等〔中型水電站〕，2.5萬～0.05萬kw為四等〔小(1)型水電站〕，小於0.05萬kW為五等〔小(2)型水電站〕；但統計上常將1.2萬kW以下作為小水電站。

水利部數據表示，目前我國共建成農村水電站4.7萬多座，裝機容量7300多萬千瓦，年發電量2200多億千瓦時，裝機容量和發電量約占全國水電的24%，農村水能資源開發率達57%。

運行模式

原則

運行的原則是要在經濟合理地利用水力資源、保證

電能質量的基礎上，全面實現安全、滿發、經濟、多供的要求。水電站在電力系統中擔任調頻、調峰、調相、備用等任務。一般在洪水期間應充分利用水量，使全部機組投入運行，實現滿發、多供，承擔電力系統基荷；在水庫供水期間運行時，應儘量利用水頭，承擔電力系統的腰荷和尖峰負荷，充分利用可調出力，起到系統的調頻、調峰和事故備用的作用。

水輪機

水電站運行時，會受到不同河流之間補償調節的影響；同一河流梯級開發時徑流調節的影響；以及電力系統中，火電廠、水電站之間電力補償的影響。在選擇運行方式時，必須考慮這些因素。

水電站運行包括正常運行、特殊運行、異常運行和經濟運行。要使水電站正常運行，需注意電站的檢修。

正常

可由自動和手動實現開機、停機，並由遠方通過功率給定裝置實現機組帶負荷。運行中要注意：

1、機組冷卻風溫變化對運行的影響；

2．電力系統電壓變化對機組運行的影響；

3．電力系統頻率變化對機組運行的影響；

3．功率因數變化對機組運行的影響。

特殊

特殊運行包括調相運行和進相運行。前者指發電機在運行中功率因數發生變化並降至零時，電力系統需要補充無功功率，以調整系統的電壓值回復到允許水平。這時，水電站的發電機需降低有功功率作調相運行。通常採用壓水調相（即向水輪發電機的轉輪室通入壓縮空氣以降低轉輪室水位）。進相運行是電力系統低負荷運行時，容性無功容量過剩，就人為造成發電機從電力系統吸收無功功率，以降低系統某些點的過高的電壓。異常運行指電站機組運行中出現異常或事故，這時應採取緊急措施，儘量避免事故擴大，並減少事故對系統的影響。

經濟

原則是根據電力系統對水電站分配的負荷，合理選擇機組的運行台數和機組間負荷的經濟分配，用較少的水，發出儘可能多的電。主要措施是實行水庫的合理調度，保持水電站於高水位運行。另外，在一定負荷下，合理選擇開機台數，控制機組在高效率區運行等也是有效措施。

維護方法

檢測

水電站的維護包括檢查和維修。以蘇丹麥洛維水電站為例子檢查分為：

1．每1～2周一次的巡視。內容是在設備運行狀態下，通過觀察和常備的儀表檢查有無異常情況，並進行注油和清掃。

2．每1～3年一次的定期常規檢修。是在停機情況下，主要從外部進行檢查和測量。

3．每5～10年進行一次定期詳細停機檢修。

維修

1．臨時維修。即發現異常或故障所作的及時修理。

2．計畫維修。為保證安全而進行的預防性維修和恢復性維修。這種維修需根據檢查結果按計畫進行。水電站的檢修除臨時檢修外，均應安排在枯水季節進行，並在洪水季到來之前完成。

隨著水電站運行水平的提高，維護業務趨於集中化，即將鄰近幾個水電站集中在一個維修站進行檢查和維修。這種方式不僅可節省人力，還可使水電站維修水平一致。

主要特點

電站

有利因素

1．清潔：水能為可再生能源，基本無污染。

2．營運成本低，效率高；

3．可按需供電；

4．取之不盡、用之不竭、可再生

5．控制洪水泛濫

6．提供灌溉用水

7．改善河流航動

8．有關工程同時改善該地區的交通、電力供供應和經濟，特別可以發展旅遊業及水產養殖。

不利因素

1．生態破壞：大壩以下水流侵蝕加劇，河流的變化及對動植物的影響等。不過，這些負面影響是可預見並減小的。如水庫效應

2．需築壩移民等，基礎建設投資大

3．降水季節變化大的地區，少雨季節發電量少甚至停發電

4．下游肥沃的沖積土減少

市場

1、能源的再生性。由於水流按照一定的水文周期不斷循環，從不間斷，因此水力資源是一種再生能源。所以水力發電的能源供應只有豐水年份和枯水年份的差別，而不會出現能源枯竭問題。但當遇到特別的枯水年份，水電站的正常供電可能會因能源供應不足而遭到破壞，出力大為降低。

2、發電成本低。水力發電只是利用水流所攜帶的能量，無需再消耗其他動力資源。而且上一級電站使用過的水流仍可為下一級電站利用。另外，由於水電站的設備比較簡單，其檢修、維護費用也較同容量的火電廠低得多。如計及燃料消耗在內，火電廠的年運行費用約為同容量水電站的10倍至15倍。因此水力發電的成本較低，可以提供廉價的電能。

3、高效而靈活。水力發電主要動力設備的水輪發電機組，不僅效率較高而且啟動、操作靈活。它可以在幾分鐘內從靜止狀態迅速啟動投入運行；在幾秒鐘內完成增減負荷的任務，適應電力負荷變化的需要，而且不會造成能源損失。因此，利用水電承擔電力系統的調峰、調頻、負荷備用和事故備用等任務，可以提高整個系統的經濟效益。

發展前景

水電是清潔能源，可再生、無污染、運行費用低，便於進行電力調峰，有利於提高資源利用率和經濟社會的綜合效益。在地球傳統能源日益緊張的情況下，世界各國普遍優先開發水電大力利用水能資源。

今後在水力資源豐富而又未充分開發的國家（如中國），常規水電站的建設將穩步增長。大型電站的機組單機容量將向巨型化發展。同時，隨著經濟發展和能源日益緊張，小水電將受到各國的重視。由於電網調峰、調頻、調相的需要，抽水蓄能電站將有較快的發展。而潮汐電站和波浪能電站的建設由於受建站條件及造價等因素制約，在近期內不會有大幅度的增長。各類電站的自動化和遠動化將進一步完善和推廣。

中國水力發電行業市場前瞻與投資戰略規劃發展

中國不論是水能資源蘊藏量，還是可能開發的水能資源，都居世界第一位。截至2007年，中國水電總裝機容量已達到1.45億千瓦，水電能源開發利用率從改革開放前的不足10%提高到25%。水電事業的快速發展為國民經濟和社會發展作出了重要的貢獻，同時還帶動了中國電力裝備製造業的繁榮。三峽機組全部國產化，邁出了自主研發和創新的可喜一步。小水電設計、施工、中國水電設備行業市場前瞻與投資戰略規劃設備製造也已經達到國際領先水平，使中國成為小水電行業技術輸出國之一。

此外，中國水電產業各項經濟指標增長較快。2007年1-11月，中國水力發電行業累計實現工業總產值93,826,334千元，比上年同期增長了20.88%；累計實現產品銷售收入89,240,772千元，比上年同期增長了20.17%；累計實現利潤總額24,689,815千元，比上年同期增長了35.91%。2008年1-8月，中國水力發電行業累計實現工業總產值77,284,104千元，比上年同期增長了25.14%；累計實現產品銷售收入78,176,606千元，比上年同期增長了26.59%；累計實現利潤總額18,007,801千元，比上年同期增長了14.03%。截至2012年底，我國水電年發電量達8641億千瓦時，占全社會用電量的17.4%。

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。

2015年6月22日，哥斯大黎加楚卡斯水電站建設項目首台機組轉子與順利吊裝完成。項目開始進行機組安裝的過程。

2015年11月5日，西北電力交易分中心透露，今年西藏水電累計外送電量達3.3億千瓦時，最大外送電力24萬千瓦，相當於減少受電地區煤炭消耗11萬噸，減排二氧化碳30萬噸。

哥斯大黎加楚卡斯水電站由中國水利水電第11工程局有限公司承建，機組為2台5兆瓦的下拆式水輪發電機組，轉子直徑4.5米，高6.5米，重量145噸。首台機組轉子的吊裝完成，為楚卡斯水電站隨後的乾調試（無水試驗）奠定了堅實的基礎。

“十二五”以來，長江上游西南地區一大批大中型水電站工程相繼建成投產，形成我國最大的優質清潔水電基地。隨著水電裝機再創新高，“西電東送”能力進一步增強。現在四川已形成“四條直流+四條交流”的外送通道格局，外送能力達2850萬千瓦。