1、第一章 水能开发利用 第一节第一节 水力发电基本原理水力发电基本原理 第二节第二节 水能资源的开发方式水能资源的开发方式 及水电站的基本类型及水电站的基本类型 第三节第三节 水电站水工建筑物水电站水工建筑物 及水电站特征参数及水电站特征参数 第四节第四节 我国水力资源及开发情况我国水力资源及开发情况 第一节 水力发电基本原理 一、水力发电的概念一、水力发电的概念 二、二、水电站的出力和发电量的计算水电站的出力和发电量的计算 石龙坝水电站石龙坝水电站 云南昆明石龙坝云南昆明石龙坝水电站是我国大水电站是我国大陆的第一座水电陆的第一座水电站，其装机容量站，其装机容量仅为仅为1440kW，1910年年
2、7月开工月开工建设，建设，1912年年4月发电。月发电。一、水力发电的概念一、水力发电的概念 水力发电水力发电:利用河流中蕴藏的水能来生产电能。利用河流中蕴藏的水能来生产电能。在天然河流上，修建在天然河流上，修建水工建筑物水工建筑物，集中水头，通，集中水头，通过一定方式将过一定方式将“载能水载能水”输送到水轮机中，使：输送到水轮机中，使：水能水能旋转机械能旋转机械能带动发电机组发电带动发电机组发电输电线输电线路路用户。用户。水轮发电机组装置原理图水轮发电机组装置原理图 建坝建坝 蓄水蓄水 发电发电 电站电站 天然水能天然水能 可利用水能可利用水能 旋转机械能旋转机械能 电能电能 建筑物和设备建
3、筑物和设备 水轮机水轮机 发电机发电机 水利系统水利系统 机电系统机电系统 水力发电的能量转换水力发电的能量转换 二、水电站的出力和发电量的计算二、水电站的出力和发电量的计算 P 水电站发出的（出力）电功率水电站发出的（出力）电功率 Q 通过水轮机的流量通过水轮机的流量 H 水轮机的工作水头水轮机的工作水头 水轮发电机组的效率，水轮发电机组的效率，9.81PQH=水发=gH HH 1.HgH：损失水头：损失水头h，据经验，一般为，据经验，一般为Hg（毛水头）的（毛水头）的3%10%，输水道短取小值。，输水道短取小值。2.：k=9.81水电站出力系数。大中型水电站水电站出力系数。大中型水电站k=
4、8.08.5；中小型水电站；中小型水电站k=6.58.0。发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单位为位为kWkW h h 21ttEPdt二、水力发电特点二、水力发电特点 优点：优点：不耗燃料，成本低廉不耗燃料，成本低廉 水火互济，调峰灵活水火互济，调峰灵活 综合利用，多方得益综合利用，多方得益 取之不尽，用之不竭取之不尽，用之不竭 环境优美，能源洁净环境优美，能源洁净 二、水力发电特点二、水力发电特点 缺点：缺点：受自然条件限制；受自然条件限制；一次性投资大，移民多，工期长；一次性投资大，移民多，工期长；事故后果严重；事故后果严重；大型工程对环境
5、、生态影响较大。大型工程对环境、生态影响较大。第二节第二节 水能资源的开发方式及水电站的基本类型水能资源的开发方式及水电站的基本类型 水能资源的开发方式水能资源的开发方式 由由P=9.81QHP=9.81QH可知，发电必须有流量和水头。可知，发电必须有流量和水头。按水量来源来看，水电站的开发方式有：按水量来源来看，水电站的开发方式有：常规水电站 抽水蓄能电站 潮汐电站 对于常规水电站对于常规水电站 按集中水头的方式分：坝式 引水式 混合式 按流域开发级数分 单级水电站 梯级水电站 按调节能力分成：无调节水电站 有调节水电站 一般坝后式水电站和混合式水电站都是有调节的；河床式和引水式水电站常是无
6、调节的，或者只有较小的调节能力。水能资源的开发方式水能资源的开发方式 对于抽水蓄能电站对于抽水蓄能电站 按其发电用水来源：纯抽水蓄能电站 混合抽水蓄能电站 调水式抽水蓄能电站 纯抽水蓄能电站：上水库几乎没有天然径流来水，全靠抽水蓄存。混合抽水蓄能电站：是与常规水电站结合、有水轮发电机组的电站，既可以利用天然径流发电，也可以从下水库抽水蓄能。调水式抽水蓄能电站：上水库用水泵从分水岭一侧河流水库抽水，在另一侧常规水电站引水发电，尾水流入另一高程更低的河流。一、一、坝式水电站坝式水电站 用坝集中水头的水电站称为坝式水电站用坝集中水头的水电站称为坝式水电站 其其特点特点有：有：水头取决于坝高。引用流量
7、较大，电站的规模也大，水能利用较充分，综合利用效益高。投资大，工期长。适用适用：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。类型：类型：河床式、坝后式、坝内式、岸边式、地下式。河床式、坝后式、坝内式、岸边式、地下式。一、一、坝式水电站坝式水电站 1河床式电站河床式电站 2河床式电站河床式电站 特点：特点：一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。适用水头：大中型：25米以下，小型：810米以下。厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水，故厂房也有抗滑稳定问题；厂房高度取决于水头的高低。引用流量大、水头低。注：注：厂房本身起挡
8、水作用是河床式水电站的主要特征厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。河床式电站河床式电站 河 床 厂 房河 床 厂 房 富春江河床式电站富春江河床式电站 泄 洪 闸泄 洪 闸 葛州坝水电站葛州坝水电站 河床厂房河床厂房 河床厂房河床厂房 开 关 站开 关 站 船 闸船 闸 泄 洪 闸泄 洪 闸 2.坝后式水电站坝后式水电站 2.坝后式水电站坝后式水电站 特点：特点：当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。坝后式水电站一般修建在河流的中上游。库容较大，调节性能好。坝后厂房坝后厂房 万家寨坝后式水电站（山西、黄河）万家寨坝后式水电站（山西、黄河）向家坝水电站向家坝
9、水电站 三峡水电站三峡水电站 坝后厂房坝后厂房 坝后厂房坝后厂房 泄 洪坝段泄 洪坝段 二、引水式水电站二、引水式水电站 用引水道集中水头的电站称为引水式水电站用引水道集中水头的电站称为引水式水电站 特点特点：水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。适用条件：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。二、引水式水电站二、引水式水电站 一般修建于：一般修建于：河道有弯道；两条相近河流有较大水位差；有急滩或瀑布处。类型类
10、型 无压引水式(free flow)：引水道是无压的 有压引水式(pressure flow)：引水道是有压的 1.无压引水电站无压引水电站 引水建筑物是无压的引水建筑物是无压的:渠道或无压隧洞渠道或无压隧洞 主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠主要建筑物：低坝，进水口，沉沙池，引水渠(洞洞)，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，日调节池，压力前池，压力水管，厂房，尾水渠。尾水渠。2.有压引水式电站有压引水式电站 引水建筑物是有压的：引水建筑物是有压的：压力隧洞压力隧洞(pressure(pressure tunnel)tunnel)主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室（井），主要建筑物：低
11、坝，有压隧洞，调压室（井），压力水管，厂房，尾水渠。压力水管，厂房，尾水渠。三、三、混合式水电站混合式水电站 由由坝坝和和引水道引水道分别集中一部分水头，电站的总水分别集中一部分水头，电站的总水头等于这两部分之和。头等于这两部分之和。适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。在工程中多称为引水式水电站在工程中多称为引水式水电站 三、三、混合式水电站混合式水电站 四、常规抽水蓄能电站四、常规抽水蓄能电站 抽水蓄能电站
12、是以水体为储能介质，起调节作用。抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的主要解决电力系统的调峰调峰问题；问题；建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机组组 抽水蓄能抽水蓄能和和放水发电放水发电两个过程两个过程 低谷期低谷期：电能：电能水能；水能；高峰期高峰期：水能：水能电能电能 黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）下水库下水库 上水库上水库 发电发电系统系统 黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）黑麋峰抽水蓄能电站（湖南）下水库下水库 上水库
13、上水库 发电发电系统系统 五、潮汐水电站五、潮汐水电站 潮汐潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。期性升降运动，即海水的潮涨潮落。潮汐发电原理潮汐发电原理：利用潮水涨、落产生的水位差所：利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量量机械能机械能电能电能(发电发电)的过程。的过程。流量大，水头低流量大，水头低的水电站。的水电站。潮汐发电原理 最大的潮汐电站最大的潮汐电站法国朗斯电站法国朗斯电站 浙江省江厦双向潮汐试验电站浙江省江厦双向潮汐试验电站 梯级电
14、站布置示意图梯级电站布置示意图 第三节第三节 水电站水工建筑物及水电站特征参数水电站水工建筑物及水电站特征参数 一、水工建筑物一、水工建筑物 水电站水工建筑物是为开发、利用和保护水资源，减免水害水电站水工建筑物是为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的受水作用的建筑物，包括：而修建的受水作用的建筑物，包括：1 1、枢纽建筑物、枢纽建筑物 挡水建筑物：挡水建筑物：坝、闸坝、闸 泄水建筑物：泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢溢洪道、泄水洞、溢 流坝流坝 过坝建筑物：过坝建筑物：过船、过木、过鱼过船、过木、过鱼 2 2、发电建筑物、发电建筑物 进水建筑物：进水建筑物：进水口、沉沙池（将水平稳引入引水道
15、、管）进水口、沉沙池（将水平稳引入引水道、管）引水建筑物：引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：平水建筑物：压力前压力前池、调压室（平稳流量和压力）池、调压室（平稳流量和压力）厂区枢纽：厂区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站等主厂房、副厂房、变电站、开关站等 第三节第三节 水电站水工建筑物及水电站主要特征参数水电站水工建筑物及水电站主要特征参数 二、水电站主要特征参数二、水电站主要特征参数 （一）水位与库容（一）水位与库容 1 1、水库的特征水位：代表水库主要特征指标的水位。、水库的特征水位：代表水库主要特征指标的水位。第三节第三节 水电站水工建筑物及水电
16、站主要特征参数水电站水工建筑物及水电站主要特征参数 （1 1）正常蓄水位：）正常蓄水位：也称正常高水位，是水库在正常运用情也称正常高水位，是水库在正常运用情况下，满足兴利要求的允许充蓄并能保持的高水位。其值况下，满足兴利要求的允许充蓄并能保持的高水位。其值越高，则蓄水越多，水头越高，发电量越大。但同时也要越高，则蓄水越多，水头越高，发电量越大。但同时也要求坝身增高，淹没更广，投资更大。求坝身增高，淹没更广，投资更大。（2 2）死水位：）死水位：又称垫底水位，是水库正常运用的情况下，又称垫底水位，是水库正常运用的情况下，允许消落的最低水位。其下的水量在正常情况下不能作为允许消落的最低水位。其下的水量在正常情况下不能作为兴利之用。兴利之用。（3 3）设计洪水位：）设计洪水位：是遇大坝设计洪水时水库坝前达到的最是遇大坝设计洪水时水库坝前达到的最高水位。高水位。（4 4）校核洪水位：）校核洪水位：是遇大坝校核洪水时水库坝前达到的最是遇大坝校核洪水时水库坝前达到的最高水位。校核洪水比设计洪水大，校核洪水位也就比设计高水位。校核洪水比设计洪水大，校核洪水位也就比设计洪水位高。洪水位高。第三节第三节