任务4 理解水力发电原理及特点
一、水力发电原理
众所周知，电是人们生活和生产不可缺少的能源，特别是在现代社会，没有电就不可能有经济的高速发展，也就没有现代社会的文明，也就没有电灯、电脑、电视……电能一般都是由各种原动机带动发电机产生的。根据能量守恒原理，发电必须有其他形式的能量作为“原料”，连续不断地输送到原动机中去。随着“原料”的不同，发电的方式也就不同。
图1-3 水电站示意图
1—水池；2—压力水管；3—水电站厂房；4—水轮机；5—发电机；6—尾水渠
水力发电，就是利用河流、湖泊等位置高处具有势能的水流来冲动水轮机，将水能转换成旋转机械能，再通过水轮机推动发电机生产电能。水力发电是以水能为“原料”，以电能为产品，是目前我国生产电力的主要方式之一。
如图1-3所示，高位水池1中的水体，具有较高的势能，当水池中的水由压力水管2流过安装在水电站厂房3内的水轮机4而排至水电站下游的尾水渠6时，水流冲击水轮机的转轮旋转，使水能转换为旋转的机械能，水轮机转轮又带动发电机5的转子旋转，在发电机的定子绕组上产生感应电势，当其和外电路接通后，便产生了电流，发电机就向外供电了。这就是水能转换为机械能再转换为电能的全过程。
水电站，就是将水能转换为电能的综合工程设施，一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。
水能转换为电能的过程用框图（图1-4）综合表达。
图1-4 水能转换为电能过程框图
为科学合理开发河流的水能资源，往往采用梯级开发的方式，如图1-5所示。
图1-5 贵州猫跳河梯级电站纵剖面图
二、水电站出力、发电量和装机容量的概念
1.水电站出力
通常把水流在单位时间内做功的能力，叫做水流出力。水电站所利用的水流出力称为水电站出力，其大小与所取得的水头（H）和流量（Q）之间的关系为：
式中 N——水电站出力，kW；
η——水电站效率，%；
H——水头，m；
Q——流量，m3/s。
水电站效率η是考虑到引水系统、水轮机、发电机和传动设备都存在能量损失的系数。该值一般随水头和流量的变化而改变，常以设计工作状态下的数值为计算。若设K=9.81η，则由式（1-1）得
式中 K——水电站出力系数。根据当前水电设备技术的发展，在规划电站时，对于大中型水电站一般可取K=8.0～9.0，对于小型水电站取K=6.5～7.5。
2.水电站发电量
水电站发电量是指在某一段时间（T）内，水电站所发出的电能总量，单位是kW·h。其计算方法，对于较短的时段如日、月等，发电量E可由该时段内电站的平均出力N和该时段的小时数T相乘得出，即：
式中 E——T时段内发电量，kW·h；
T——计算时段内小时数，h；
N——T时段内平均出力，kW。
如：平均出力为1000kW水轮发电机组，1h发电量为1000kW·h。对于较长时段，如季、年等，由式（1-3）先计算该季或年内各日（或月）的发电量，然后相加得出。
3.水电站装机容量
水电站装机容量是指水电站所有机组额定容量之和，单位为kW。它是表示水电站规模和生产能力大小的重要指标。机组额定容量，是指发电机的铭牌出力，即水电站机组的单机容量。
三、水力发电特点
（1）水能为可储存能源。电能不能储存，生产与消费（发电、输电、用电）必须同时完成。对于坝式水电站，水能则可存蓄在水库里，根据电力系统的要求进行生产，水库是电力系统的储能库。
（2）水能为可再生能源。由于水循环具有周期性，且周期短，大致为一年（水文年），所以水能资源是一种可再生能源，如不及早加以利用，就会白白浪费。地球上的水虽可再生，但总量有限，淡水资源更有限，因此不能无节制地开采，必须珍惜、合理开发利用。
（3）水力发电具有可逆性。位于高处的水体引向低处的水轮发电机组，可将水能转换成电能。反过来，位于低处的水体通过电动抽水机组，吸收电力系统能量将水送往高处水库储存，又可将电能又转换成水能。利用这种水力发电的可逆性能修建抽水蓄能电站，对提高电力系统的负荷调节能力具有独特的作用。
（4）水火互济，调峰灵活。电力用户的用电量是时刻变化着的，电网中的日负荷有高峰也有低谷。火电站、核电站从开机到正常运行通常需要几个小时，宜担负基荷运行。水电站启动灵活，在1～2min内，就能从停机状态达到满负荷运行，宜于担任调峰、调频和事故备用，与火电站、核电站配合运行，互相补充。
（5）综合利用，多方得益。水力发电只利用水流的能量来冲动水轮机，不消耗水量，因此，水资源可以综合利用。除发电外，还可同时兼得防洪、灌溉、航运、给水、水产养殖、旅游等方面的效益，进行多目标开发，既兴利，又除害。
（6）水电成本低、效率高。水力发电不消耗燃料，不需要运输发电所用的燃料，设备简单，运行和维修费用低，所以水电站电能生产成本低，一般只有相同容量的火电站运行成本的1/4～1/5。而且水电站的能源利用率高，可达85%以上，而火电站燃煤热能效率只有40%左右。
（7）美化环境，能源洁净。水电站在生产电能的过程中不产生有害气体，无废渣、无废水、无化学污染和热污染。不仅如此，水电站的建成，在上游形成了水库，环境幽静、水体纯洁、空气清新、湖光山色，大大地改善了环境，还可以成为风景游览区。
（8）受自然条件限制较大。修建水电站需要考虑多方面因素，如水量、落差、地质、地形、地理、环境、土地淹没、移民、政治、经济、交通等。水能资源只能就地开发，不少地区的水能资源很丰富，但由于当地经济不发达，交通不便，难以充分开发和利用。大部分水电站至负荷中心或与电网连接点有相当距离，需要修建昂贵的输变电工程。
（9）一次性投资大，工期长。水力发电，其工程规模往往巨大，加之整个工程的实施要考虑水文情况、季节气候影响、水工建筑施工、机械安装、移民安置、施工技术、资金到位等诸多因素，工程投资及复杂程度巨大。小型工程工期为3～5年，中型工程为8～10年，大型工程需10年以上。
（10）一旦出事，后果严重。巨大的水压力一旦因设计、施工、自然破坏或管理不当，将导致高压水管的破裂或溃坝等严重后果，对下游产生的灾害及水电站本身的破坏都是毁灭性的。因此，作为水利工作者，要求有极高的责任心及科学态度，做好勘测、设计及施工等环节的每一项工作。
（11）对环境、生态有一定影响。修建水电站，可能会存在水库淹没，工程占地，工程施工对生态环境的影响，存在大坝对鱼类水生物生长、繁育影响问题。因此，在工程建设中，要高度重视，全面分析，充分论证，落实具体措施，解决生态环保问题。