第一章 水電站及水電站建筑物運行

第一節 水電站概述

一、水力發電原理

電能的產生一般都是由各種原動機帶動交流發電機發送出來。根據能量守恒原理，要原動發電機發電，必須有其他形式的能量作為“原料”連續不斷地輸送到原動機中去。隨著“原料”的不同，發電的方式也就不同。如果在天然的河流上，修建不同的水工建筑物來集中水頭并引入一定的流量，便取得了水能，將其輸送到水輪機中使其旋轉做功，帶動發電機發電，這種發電方式就稱為水力發電，如圖1-1所示。

水庫1中的水體，具有較大的勢能，由引水管道2流過水電站廠房3內的水輪機4而排至水電站下游的尾水渠6時，水輪機轉輪在水流作用下而旋轉，使水能轉換為旋轉的機械能，水輪機轉輪又驅動發電機5旋轉，發生電磁轉換，產生電能，這就是水能轉換為機械能然后再轉換為電能的生產過程。

二、水電站的開發方式及類型

（一）水能資源的開發方式

1.按集中水頭的方式分類

（1）壩式開發。在河流合適的位置攔河筑壩，壩前雍水而形成集中落差，在壩址處，用輸水管或隧洞，引取上游水庫中的水流，通過設在水電站廠房內的水輪機帶動發電機，發電后將尾水引至壩下游原河道，這種開發方式為壩式開發。

適用于壩式開發的河流條件是河道坡降較緩，流量較大，并易于筑壩建庫。

（2）引水式開發。在河道坡降較陡的河段上游，修筑低壩或無壩取水，通過人工建造的引水道（如明渠、隧洞或管道等），引水至河段下游集中落差，再由高壓管道引水至廠房進行發電，這種用引水道集中水頭的開發方式為引水式開發。

引水式開發又可根據引水道是有壓或無壓的分為有壓引水式開發及無壓引水式開發。

（3）混合式開發。在一個河段上，同時采用壩和有壓引水道共同集中落差的開發方式，稱為混合式開發。在這種開發方式下，先由壩集中一部分落差后，再通過有壓引水道（如有壓隧洞或有壓管道）集中壩后河段上另一部分落差，形成了電站的總水頭。

2.按徑流調節的程度分類

（1）徑流式開發。在水電站取水口上游沒有大的水庫，不能對徑流進行調節，只能直接引用河中徑流發電，這種開發方式稱為徑流式開發，這種開發方式多在不宜筑壩建庫的河段中采用。這類水電站具有工程量小、淹沒損失小等優點。

（2）蓄水式開發。在取水口上游有較大的水庫，這樣就能依靠水庫按照用電負荷對徑流進行調節，豐水時滿足發電所需之外的多余水量存蓄于水庫，以補充枯水發電時水量的不足，同時也具有攔蓄洪水的作用，這種開發方式稱為蓄水式開發。

（3）集水網道式開發。有些山區地形坡降陡峻，河流小而眾多、分散且流量較小，經濟上既不允許建造許多分散的小型水電站，又不可能筑高壩來全盤加以開發。因此在這些分散的小河流上根據各自條件選點修筑些小水庫，在它們之間用許多引水道來匯集流量，集中水頭，形成一個集水網系統，這種開發方式稱為集水網道式開發。

（二）水電站的基本類型

水電站的類型按照不同的分類方式，其名稱也是不同的，如按調節徑流的程度不同分類有徑流式水電站、蓄水式水電站及集水網道式水電站。但多數情況下都是按集中落差的方式來分類的。

1.壩式水電站

壩式水電站就是水能的開發方式為壩式的水電站，即用壩（或閘）來集中水頭的水電站。按照壩和水電站廠房相對位置的不同，壩式水電站又可分為河床式和壩后式兩種。

（1）河床式水電站。河床式水電站是指水電站廠房修建在河床中或渠道上，與壩（或閘）布置成一條直線或成某一角度，水電站建筑物集中布置在電站壩段上，廠房本身是擋水建筑物的一部分，并承受上下游水壓力，如圖1-2所示。

河床式水電站，一般修建在平原河段上，為避免造成大量淹沒而修建低壩，適當抬高水位，由于水頭不高，所安裝的水輪發電機組的廠房和壩并排建造在河道中。電站建筑物組成包括進水口、引水道及廠房等。我國著名的富春江水電站及葛洲壩水電站都是河床式水電站。

（2）壩后式水電站。如果水頭較高或因河道狹窄而不宜將電站廠房與擋水壩并排布置，常將電站廠房布置在壩的后面，故稱為壩后式水電站，如圖1-3所示。

在壩后式水電站的水利樞紐中，水電站建筑物集中布置在壩段后，大都靠河道其中一岸，綜合考慮，以利于布置主變壓器場與對外交通等設施。其建筑物組成包括攔河壩、溢洪道、電站進水口及其附屬設備、廠房和輸變電設施等。壩后式水電站一般宜建在河流中上游的山區峽谷地段，集中落差為中高水頭。我國著名的三峽水電站便是壩后式水電站。

2.引水式水電站

引水式水電站就是水能的開發方式為引水式的水電站，即用引水道集中水頭的水電站。

（1）無壓引水式水電站。引水道為無壓明渠或無壓隧洞的引水式水電站稱為無壓引水式水電站。

無壓引水式水電站水利樞紐的主要特點是：具有較長的渠道、隧洞或渠道與無壓隧洞相結合的引水道。圖1-4為典型山區無壓引水式水電站示意圖。

（2）有壓引水式水電站。引水道為有壓的隧洞、壓力管道的引水式水電站稱為有壓引水式水電站，如圖1-5所示。

有壓引水式水電站水利樞紐的特點是具有較長的有壓引水道，一般為有壓隧洞。有壓引水式水電站常建于河道坡降較陡或有河灣宜于修建壓力水道集中落差的河段。在河灣地段裁彎取直引水，引取高山湖泊的蓄水發電，高差很大的毗鄰流域引水等，均可獲得相當大的水頭，有利于修建有壓引水式水電站。

3.混合式水電站

通過攔河筑壩集中部分落差，再通過引水道集中一部分落差而形成水頭的水電站，稱為混合式水電站。如圖1-6所示，由壩1集中水頭H₁，然后由隧洞3集中水頭H₂，形成總發電水頭H=H₁+H₂，壓力水流由壓力管道6引至地下廠房7進行發電。

當上游河段有良好筑壩建庫條件，下游河段坡降較大時，適于修建混合式水電站。但在工程實際中很少采用混合式水電站這一名稱，常將具有一定長度引水建筑物的水電站統稱為引水式水電站。

三、水電站建筑物

1.擋水建筑物

為形成水頭集中落差，而修建的攔河壩、閘或河床式水電站的廠房等水工建筑物，如混凝土重力壩、混凝土拱壩、土石壩、攔河閘等。

2.泄水建筑物

用以下泄多余的水量、放空水庫、排泄泥沙等的建筑物，如溢流壩、溢洪道、放空洞、泄洪排沙隧洞、泄水沖沙底孔等。

3.進水建筑物

用以根據水電站用水的要求將水由水庫或河道引進水輪機中的引水道首部建筑物，如有壓進水口、無壓進水口等。

4.引水建筑物

用以將發電用水輸送至水輪發電機組的建筑物。根據自然條件和水電站型式的不同，可以采用明渠、隧洞、管道，還包括在引水道上的渡槽、涵洞、倒虹吸、橋梁等交叉建筑物以及將水流自機組排向下流的尾水建筑物。

5.平水建筑物

當水電站負荷變化時，用以平穩引水建筑物中流量及壓力的變化，保證電站調節穩定的建筑物，如有壓引水道中的調壓室或調壓井、無壓引水道中的壓力前池、溢流堰等。

6.過壩建筑物

提供船只、木、魚類等過壩的建筑物，如船閘、過木道、魚道等。

7.廠區樞紐建筑物

水電站的主廠房、副廠房、主變壓器場、高壓開關站、交通道路、尾水渠等建筑物，一般均集中布置在同一局部區域內形成廠區樞紐。廠區樞紐是發電、變電、配電、送電的中心，是電能生產的中樞。