2．2　水力发电

2．2．1　水力发电的基本原理

如图2．1所示，在某一河道中取一纵剖面，设有水体W（m3），自上游断面Ⅰ—Ⅰ流经下游断面Ⅱ—Ⅱ，流速分别为V1和V2，由水力学知识可知，含蓄在该水体内上下断面的能量分别为

两个能量之间的差值就是W在该河段中消耗的能量，用式（2．2）表示，即

假设上下断面流速及其分布情形是相同的，且其平均压力也相等，即

则公式（2．2）化简为

在天然的河道情况下，这部分能量消耗在水流的内部摩擦，挟带泥沙及克服沿程河床阻力等方面，可以利用的部分往往很小，且能量分散。

为了充分利用两断面能量，就要有一些水利设施如壅水坝、引水渠道、隧洞等，使落差集中，以减小沿程能量消耗，同时把水流的位能，动能转换成为水轮机的机械能，通过发电机再转换成电能。

设发电流量为Q（m3／s）。在Δt内，有水体W＝QΔt通过水轮机流入下游，则由式（2．4）可得水量W下降H所做的功为

式中　γ——γ（水体的容重）＝ρ（水密度）g（重力加速度）。

式（2．5）单位为J。但是在电力工业中，习惯用kW·h（或称为度）为能量单位，1kW·h＝3．6×106J，于是在时间T内所做的功为

由物理概念，单位时间内所做的功叫功率，故水流的功率是水流所做的功与相应时间的比值。一般的电力计算中，把功率叫出力，并用kW作为计算单位。

但运行中由于水头损失实际出力要小一些。这些水头损失ΔH也可以用水力学公式来计算，所以净水头H净＝H-ΔH。此外，由水能变为电能的过程中也都有能量损失，令η为总效率系数（包括水轮机、发电机和传动装置效率），即

实际计算中，通常把机组效率作为常数来近似处理。这样，水能计算基本方程式可写成

式中　A——机组效率的一个综合效率系数，称为出力系数，由水轮机模型实验提供，也可以参考表2．1选用。

水力发电实质就是利用水力（具有水头）推动水力机械（水轮机）转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械（发电机），随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的势能变成机械能，又变成电能的转换过程。

2．2．2　河川水能资源的基本开发方式

1．坝式

这类水电站的特点是上、下游水位差主要靠大坝形成，坝式水电站又有坝后式水电站和河床式水电站两种形式。

（1）坝后式水电站。如图2．2所示，厂房位于大坝后面，在结构上与大坝无关。若淹没损失相对不大，有可能筑中、高坝抬水，来获得较大的水头。目前我国最高的大坝是四川省二滩水电站大坝，混凝土双曲拱坝的坝高240m；世界上总装机容量最大的水电站，也是总装机容量最大的坝后式水电站是我国的三峡水电站，总装机容量为38200MW。

（2）河床式水电站。如图2．3所示，厂房位于河床中作为挡水建筑物的一部分，与大坝布置在一条直线上，一般只能形成50m以内的水头，随着水位的增高，作为挡水建筑物部分的厂房上游侧剖面厚度增加，使厂房的投资增大。我国目前总装机容量最大的河床式水电站是湖北省葛洲坝水电站，总装机容量为2715MW。

2．引水式

这类水电站的特点是上下游水位差主要靠引水形成。引水式水电站又有无压引水式水电站和有压引水式水电站两种形式。

（1）无压引水式水电站。如图2．4所示，用引水渠道从上游水库长距离引水，与自然河床产生落差。渠首与水库水面为平水无压进水，渠末接倾斜下降的压力管道进入位于下游河床段的厂房，一般只能形成100m以内的水头，使用水头过高的话，在机组紧急停机时，渠末压力前池的水位起伏较大，水流有可能溢出渠道，不利于安全，所以电站总装机容量不会很大，属于小型水电站。

（2）有压引水式水电站。如图2．5所示，用穿山压力隧洞从上游水库长距离引水，与自然河床产生水位差。洞首在水库水面以下有压进水，洞末接倾斜下降的压力管道进入位于下游河床的厂房，能形成较高或超高的水位差。世界上最高水头的水电站，也是最高水头的有压引水式水电站是奥地利雷扎河水电站，其工作水头为1771m。我国引水隧洞最长的水电站是四川省太平释水电站，引水隧洞的长度为10497m。

3．混合式

在一个河段上，同时用坝和有压引水道结合起来共同集中落差的开发方式，叫混合式开发。水电站所利用的河流落差一部分由拦河坝提高。另一部分由引水建筑物来集中以增加水头，坝所形成的水库，又可调节水量，所以兼有坝式开发和引水式开发的优点。

4．特殊式

这类水电站的特点是上、下游水位差靠特殊方法形成。目前，特殊水电站主要包括抽水蓄能水电站和潮汐水电站两种形式。

（1）抽水蓄能水电站。抽水蓄能发电是水能利用的另一种形式，它不是开发水力资源向电力系统提供电能，而是以水体作为能量储存和释放的介质，对电网的电能供给起到重新分配和调节作用。

电网中火电厂和核电厂的机组带满负荷运行时效率高、安全性好，例如大型火电厂机组出力不宜低于80%，核电厂机组出力不宜低于80%～90%，频繁地开机停机及增减负荷不利于火电厂和核电厂机组的经济性和安全性；因此在凌晨电网用电低谷时，由于火电厂和核电厂机组不宜停机或减负荷，电网上会出现电能供大于求，这时可启动抽水蓄能水电站中的可逆式机组接受电网的电能作为电动机—水泵运行，正方向旋转将下水库的水抽到上水库中，将电能以水能的形式储存起来，在白天电网用电高峰时、电网上会出现电能供不应求，这时可用上水库推动可逆式机组反方向旋转，可逆式机组作为发电机—水轮机运行，这样可以大大改善电网的电能质量。

（2）潮汐水电站。在海湾与大海的狭窄处筑坝，隔离海湾与大海，涨潮时水库蓄水，落潮时海洋水位降低，水库放水，以驱动水轮发电机组发电。这种机组的特点是水头低、流量大。

潮汐电站一般有3种类型，即单库单向型（一个水库，落潮时放水发电）、单库双向型（一个水库，涨潮、落潮时都能发电）和双库单向型（利用两个始终保持不同水位的水库发电）。1912年德国建成世界第一座实验性小型潮汐电站——布苏姆潮汐电站。中国浙江江厦潮汐电站装机容量3200kW，居世界第三位。世界上最大的潮汐电站是法国的朗斯潮汐电站，总装机容量为342MW。