水电站专题-水力发电原理

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接上篇：水电站专题-坝式水电站

江河水流一泻千里，蕴藏着巨大能量，把天然水能加以开发利用转化为电能，就是水力发电。构成水能的两个基本要素是流量和落差，流量由河流本身决定，直接利用河水的动能利用率会很低，因为不可能在整个河流的截面水布满水轮机。

水力利用主要利用势能，利用势能必须有落差，但河流自然落差一般沿河流逐渐形成，在较短距离内水流自然落差较低，需通过适当的工程措施，人工提高落差，也就是将分散的自然落差集中，形成可利用的水头。

  水力发电的原理与基本类型

常用的集中落差方式有筑坝、引水方式或两者混合方式。

  筑坝发电方式

在落差较大的河段修建水坝，建立水库蓄水提高水位，在坝外安装水轮机，水库的水流通过输水道（引水道）到坝外低处的水轮机，水流推动水轮机旋转带动发电机发电，然后通过尾水渠到下游河道，这是筑坝建库发电的方式。图1是坝式发电原理图。

图1  筑坝建库发电原理图

由于坝内水库水面与坝外水轮机出水面有较大的水位差H0，水库里大量的水通过较大的势能进行做功，可获得很高的水资源利用率。采用筑坝集中落差的方法建立的水电站称坝式水电站，主要有坝后式水电站与河床式水电站。

   引水发电方式

在河流高处建立水库蓄水提高水位，在较低的下游安装水轮机，通过引水道把上游水库的水引到下游低处的水轮机，水流推动水轮机旋转带动发电机发电，然后通过尾水渠到下游河道，引水道会较长并穿过山体，这是一种引水发电的方式。图2是引水发电原理图。

图2  引水发电原理图

由于上游水库水面与下游水轮机出水面有较大的水位差H0，水库里大量的水通过较大的势能进行做功，可获得很高的水资源利用率。采用引水方式集中落差的水电站称为引水式水电站，主要有有压引水式水电站与无压引水式水电站。

  水电站主要工作参数

通过水电站主要工作参数可以对水电站工作原理进一步了解。水电站主要工作参数包括流量、水头、出力等。

1．流量Q为单位时间内通过水轮机的水体积，单位m3／s。

2．静水头Ho（也称毛水头，即水的落差）单位m

水电站上游水位为Zu，下游水位为Zd，则有：

  Ho =Zu- Zd

3．出力  单位时间内的天然水能Pt称为水电站理论出力，即

水电站的实际出力要小于理论出力。在由水能转化为电能过程中，会产生能量损失，主要有水头损失与能量转化损失： 

水流经输水道后会损失一部分能量，称为水头损失Ah，它与流道长度、截面形状和尺寸、构造材料、铺设方式等等因素有关，须在电站总体布置完成后才可做出较精确的计算。初步计算时，可估计Ah=(1%～10%)Ho，输水道长、流速大的取大值，输水道短、流速小的取小值。 

除此外在能量转化过程中还将损失一些能量，水轮机的效率约90%至95%、发电机的效率约90%至98%、传动设备也会有能量损失，水电站实际出力P为

式中：ηt 为水轮发电机组总效率，k为水电站出力系数。对中小型电站，k值一般取为6.5～8.0。

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