毕业论文---浅谈水电站的工作原理及类型

1、<p>　　专 科 生 毕 业 大 作 业</p><p>　　题 目：浅谈水电站的工作原理及类型</p><p>　　学习中心： </p><p>　　层 次： </p><p>　　专 业：

2、 </p><p>　　年 级： </p><p>　　学 号： </p><p>　　学 生： </p><p>　　指导教师： &l

3、t;/p><p>　　完成日期： 年 1月 18 日</p><p><b>　　内容摘要</b></p><p>　　本文章总体介绍了当前世界能源及水资源了状况，特别描述了我国水资源的分布和优势。根据这些信息，提出了在我国发展水电资源的可能性和必要性。水资源作为未来最可能替代化石能源的新能源，其开发前景不可忽视。为此，本文在第二

4、个章节描述了水电站的工作原理和各种分类，是本文的主要章节。另外，在文章结尾处，还从生态方面分析了发民水电建设的利和弊，利用实例证实了水电站对其周围生态环境是利大于弊的。</p><p>　　关键词：水电站；水电站工作原理；水电站类型；能源</p><p><b>　　目 录</b></p><p><b>　　内容摘要I&l

5、t;/b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　1 能源危机后的替代能源及世界水资源2</p><p>　　1.1 能源危机2</p><p>　　1.2 可替代能源2</p><p>　　1.3 世界水能资源及主要国家可开发水能资源统计情

6、况3</p><p>　　1.4 我国水资源概况4</p><p>　　1.5 我国发展水电站建设大力开发水电资源的必要性4</p><p>　　1.5.1 提高国家能源安全保障的需要5</p><p>　　1.5.2 发挥我国水能资源的“比较优势”的需要6</p><p>　　1.5.3 缓解我国

7、运输压力的需要6</p><p>　　2 水电站工作原理及类型7</p><p>　　2.1水力发电的优点7</p><p>　　2.2水力发电的基本原理7</p><p>　　2.3 水电站的出力及发电量计算8</p><p>　　2.4 水轮发电机9</p><p>　

8、　2.4.1 水轮发电机的分类9</p><p>　　2.4.2 水轮发电机的基本参数9</p><p>　　2.5 水电站的类型10</p><p>　　2.5.1 按照水电站利用水源的性质分类。10</p><p>　　2.5.2 按照水电站对天然水流的利用方式和调节能力分类。10</p><p&g

9、t;　　2.5.3 其他分类方法11</p><p>　　3 水电站对生态的影响13</p><p><b>　　参考文献14</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　我国水能资源全球第一，已经查明的经济可开发量接近5亿kW，年发电量约为1.87万亿k

10、W·h，按常规使用100年考虑我国经济可开发的水能资源折合标准煤610亿吨，与我国煤炭资源剩余可余储量大体相当。充分利用低成本、可靠性高的水能资源，能够有力地保障我国能源供应，优化我国能源供应结构，减轻环境污染，推进西部大开发，西电东送促进区域经济协调发展，必将产生巨大的社会效益，推动我国经济社会的可持续发展。所以优先、积极开发水能资源，它是顺应我国能源发展的规律，更是实现全面建设小康社会，建设节约型，人与自然和谐社会的客观需

11、要和必然选择。</p><p>　　目前，我国正处在全面建设小康社会的重要时期，落实党中央和十六大提出的目标，到2020年实现经济总量翻两番。经济的增长，是靠能源增长来保障。据分析，到2020年之前的能源供需缺口较大，能源和电力供应将面临重要挑战。建设节约型社会、推行强化节能措施，是能够降低能源需求的增长速度，但改变不了能源需求和电力需求增长的态势，我国的能源和电力需求仍将保持较快的增长速度，才能支撑经济社会可持

12、续发展。</p><p>　　水电是清洁、可再生、可大规模、可商业化的能源，水电提供着我国五分之一的电力需求，支撑着我国能源工业的可持续发展。</p><p>　　优先积极和有序发展我国水电事业，必须把发展水电的方针提到一个新的高度来考虑，水电能源的地位和作用必须放在国家层面上，进行优势比较，即水电的优势比较应放在全面建设小康社会、保障国家能源安全，推进西部大开发、能源和电力结构优化，西电

13、东送和建设生态环境友好型工程的战略目标要求的高度上来考量。要以科学发展观统领全局理念进行评价，这样容易得出明确合理的结论。</p><p>　　1 能源危机后的替代能源及世界水资源</p><p>　　1.1 能源危机 </p><p>　　20世纪50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。许多人甚至预言：

14、世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不作出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。</p><p>　　世界能源危机是人为造成的能源短缺。石油资源将会在一代人的时间内枯竭。它的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限度就会失去继续开采的价值。在世界能源消费以石油为主导的条件下，如果能源消费结构不改变，就会发生能源危

15、机。煤炭资源虽比石油多，但也不是取之不尽的。代替石油的其他能源资源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并且在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用。其他新能源也如是。因此，人类必须估计到，非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机，从而将注意力转移到新的能源结构上，尽早探索、研究开发利用新能源资源。否则，就可能因为向大自然索取过多而造成严重的后果，以至使人类自身的生存受到威胁。</p><

16、;p>　　1.2 可替代能源</p><p>　　很多学者认为世界能源危机的主要原因是石油价格过于便宜，以致于使世界对其产生了过度的依赖性而迅速消耗殆尽，他们主张减少对化石燃料的依赖，增加研究经费用于对能源／燃料替代用品的研究，目前主要的替代能源有∶燃料电池、甲醇、生物能、太阳能、潮汐能和风能等。但是迄今为止只有水利发电和核能有明显的功效。</p><p>　　1.3 世界水能资

17、源及主要国家可开发水能资源统计情况</p><p>　　表1-1 世界水能资源统计表</p><p>　　表1-2 主要国家可开发水能资源统计表</p><p>　　从以上两个表格中的数据我们可以看出，我国开发水能资源无论从技术可开发还是经济可开发方面都具有较大的优势，技术可开发占全世界主要国家总量的17.84%。亚洲理论蕴藏量占全世界的48.5%，在当今世界

18、，由于化石能源的过度开发，已呈现出了能源不足的问题，国际原油价格不断上涨，各国都在为开发新能源做着努力，风能、太阳能、地热能、核能、水能等多种新能源想继走进人们的生活。但总的说来，风能、地热能和太阳能现阶段由于技术问题，还无法满足人们生活和生产所需；而核能技术要求和经济投资都是非常高的，再加上核技术的多方面限制和核废料处理具有相当高的难度，所心对一些发展中的国家来说，发展核能可谓是困难重重；相比较而言，水能则投资少，见效快，对抵御自然灾

19、害和保护生态也能发挥很大作用。</p><p>　　1.4 我国水资源概况</p><p>　　我国江河众多，流域面积在100km2以上的河流有5万多条，1000km2以上的约有1500多条。但受气候和地形的影响，河流分布很不均匀，绝大部分河流分布在我国东部湿润、多雨的季风区，西北内陆气候干燥、少雨，河流很少。</p><p>　　我国有1 km2以上的湖泊230

20、0多个，总面积7187 km2，约占国土面积的0.8%；湖水总储量约为7088亿m3，其中淡水量占32%。</p><p>　　我国还有丰富的冰川资源，共有冰川43000余条，集中分布在西部地区。总面积58700km2，占亚洲冰川总量的一半以上，总贮量约52000亿m3。</p><p>　　我国平均年降水量为61889亿m3，平均降水深648.4mm，年均河川径流量27115亿m3，合径

21、流深284.1mm。河川径流主要靠降水补给，由冰川补给的只有500亿m3左右。我国年平均地下水资源为8287.6亿m3。</p><p>　　根据分析计算，我国地表水和地下水的量分别为27115和8288亿m3，扣除二者间的重复量7279亿m3后，则我国多年平均水资源总量28124亿m3。</p><p>　　1.5 我国发展水电站建设大力开发水电资源的必要性</p>&l

22、t;p>　　鉴于水电开发的巨大综合效益，和水电工程特殊的服务功能。根据我国经济社会发展的需要，以及水能资源越早开发越经济，越早开发综合效益越高，环保移民及投资方的压力就越小，且损失就越少的规律和事实。所以应在保护生态环境和移民利益的前提下，优先积极有序开发水能资源，支持我国经济社会的可持续发展。</p><p>　　目前，我国正处在全面建设小康社会的重要时期，落实党中央和十六大提出的目标，到2020年实现经

23、济总量翻两番。经济的增长，是靠能源增长来保障。据分析，到2020年之前的能源供需缺口较大，能源和电力供应将面临重要挑战。建设节约型社会、推行强化节能措施，是能够降低能源需求的增长速度，但改变不了能源需求和电力需求增长的态势，我国的能源和电力需求仍将保持较快的增长速度，才能支撑经济社会可持续发展。</p><p>　　水电是清洁、可再生、可大规模、可商业化的能源，水电提供着我国五分之一的电力需求，支撑着我国能源工业

24、的可持续发展。</p><p>　　优先积极和有序发展我国水电事业，必须把发展水电的方针提到一个新的高度来考虑，水电能源的地位和作用必须放在国家层面上，进行优势比较，即水电的优势比较应放在全面建设小康社会、保障国家能源安全，推进西部大开发、能源和电力结构优化，西电东送和建设生态环境友好型工程的战略目标要求的高度上来考量。要以科学发展观统领全局理念进行评价，这样容易得出明确合理的结论。</p><

25、;p>　　我国水能源总量丰富，但开发程度仍很低。长期以来，我国能源工业以煤为主，煤炭在能源生产和消费中居于绝对的支配地位。这种能源生产和消费方式，不仅没有充分反映我国能源资源天赋结构及特点，更没有发挥我国能源资源的“比较优势”，反而加速了不可再生能源资料的消耗，加重了环境污染和生态破坏，严重危及我国能源工业的长期可持续发展。</p><p>　　我国水能资源全球第一，已经查明的经济可开发量接近5亿kW，年发

26、电量约为1.87万亿kW·h，按常规使用100年考虑我国经济可开发的水能资源折合标准煤610亿吨，与我国煤炭资源剩余可余储量大体相当。充分利用低成本、可靠性高的水能资源，能够有力地保障我国能源供应，优化我国能源供应结构，减轻环境污染，推进西部大开发，西电东送促进区域经济协调发展，必将产生巨大的社会效益，推动我国经济社会的可持续发展。所以优先、积极开发水能资源，它是顺应我国能源发展的规律，更是实现全面建设小康社会，建设节约型，人

27、与自然和谐社会的客观需要和必然选择。</p><p>　　1.5.1 提高国家能源安全保障的需要</p><p>　　能源短缺，是我国目前和今后相当长时期内面临的挑战，人均能源资源占有量仅为世界平均的一半。如果按现有生产开发力度，我国的石油、天然气和煤炭的可开采储量仅能维持20年、50年、100年。</p><p>　　我国虽然拥有丰富的煤炭资料，但在探明保有储量

28、中，可供建矿井设计的工业储量并不多，地质勘探程度很低。</p><p>　　鉴于我国的可再生能源储量及开发条件有限，经济增长又对电力需求的快速增长和对能源的进依存度快速提高的现实，势必将把发展水电的任务，提高到一个国家能源安全战略角度去认识，使能够在重视生态环境问题的同时，积极大力进行水电开发，以增强国家的能源安全，为全面建设小康社会提供有力支持。</p><p>　　1.5.2 发挥我

29、国水能资源的“比较优势”的需要</p><p>　　在我国众多的能源资源中，水能是我国能源中的“比较优势”资源，可开发的水能资源占全世界总量的17%。据国家公布的水能资源称：我国大陆水能资源理论蕴藏量年发电量60829亿kW·h（相应平均功率69440万kW；技术可开发年发电量为24740亿kW·h（相应装机容量54164万kW）；经济可开发年发电量17534亿kW·h（相应装机容量

30、40180万kW），这三大指标均居世界之首，（加上水利部复查净增小水电装机容量62003kW和台湾省的水能资源2000多万kW，就更大了）。</p><p>　　1.5.3 缓解我国运输压力的需要</p><p>　　我国能源供应特点是，生产基地大多在我国西部、北部，能源的消耗中心大多分布在东、南部。我国煤炭蕴藏量大多分布在西部、北部。煤炭生产地都远离煤炭消费中心，这种生产与消费特征，在

31、我国境内形成了西电东送、北煤南运的强大煤流态势，给我国交通运输带来了巨大压力。据统计，目前我国煤炭运量占铁路运量的40%以上，占江河、海运量的1/3以上。近五年来，铁路煤炭运量增长了44.7%（从2000年的6.85亿吨到2005年的12亿吨）。目前全国煤炭日均车皮达10万余车，只能满足一半。今后随着煤电用煤的增长，煤炭运输给我国交通运输造成的潜在压力，比现实压力还要大，运输问题难以解决。如果不优化我国的能源结构，运输压力将长期存在，缓

32、解能源供应紧张的目标也难实现。</p><p>　　我国的水能资源丰富，有90%的可开发量在京广铁路的西有80%的可开发量集中在西南各省市境内。而且是清洁可再生。目前，已往开发利用12857万kW，年发电量4167亿kW·h，开发程度23.7%（技术可开发），32%（经济可开发）尚有70%以上的水能资源没有开发，其绝大多数集中在西部，如果及早把握剩余可开发的水能源开发出来，每年可替代（节省）4.34亿吨

33、标煤，从而可以有效缓解全国运输压力。</p><p>　　2 水电站工作原理及类型</p><p><b>　　水力发电的优点</b></p><p><b>　　不耗燃料，成本低廉</b></p><p><b>　　水火互济，调峰灵活</b></p><

34、p><b>　　综合利用，多方得益</b></p><p><b>　　取之不尽，用之不竭</b></p><p><b>　　环境优美，环境洁净</b></p><p><b>　　大小皆宜，方便实用</b></p><p><b>　　

35、水力发电的基本原理</b></p><p>　　水力发电就是利用水位落差，水的高速流动推动水力机械(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。</p><p>　　将水能转换为电能的综合工程设施。又称水电厂。它包括为利用水能生产电能

36、而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。有些水电站除发电所需的建筑物外，还常有为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。</p><p>　　另外，近年来还出现

37、了一种利用人工制造水位差的小型抽蓄能电站，其工作原理与上述类似，只是其水位差是用电机抽水至水库而人为制的。这各小型蓄电站有效解决了电网负荷小时电能过剩而用电峰时段供电不足的问题。因为目前我国大部分电能仍是由火电站发出，而火电站的机组的再起动需较长时间，因而不能频繁停起。这种蓄能电站就能在电网负荷小时将电能转化为水的势能储存起来，到用电高峰时段再将水的势能转化为电能以补不足。</p><p>　　2.3 水电站的

38、出力及发电量计算</p><p>　　图2-1 水电站工作图</p><p><b>　　■出力：（功率）</b></p><p>　　理论出力 Pt=9.81QHg （2.1）</p><p>　　实际出力 P=9.81ηQH=KQ

39、H （2.2） </p><p><b>　　能量损失：</b></p><p>　　Hg→H：损失水头Δh，据经验，一般为Hg的3%～10%，输水道短取小值。</p><p>　　η：k=9.81η水电站出力系数。大中型 水电站k=8.0～8.5;中小型水电站k=6.5～8.0。</p&

40、gt;<p>　　■发电量：一定时段内水电站发出的电能总量，单位为kW∙h</p><p>　　E= （2.3）</p><p>　　在水电站(厂)中，水轮发电机组发出的电力功率称为出力，河川中某断面水流的出力则表示该段水能资源。所谓水流的出力就是单位时间内的水能。 </p><p>　　N=9．81ηQH

41、 （2.4）</p><p>　　式中，Q为流量(m3/S)；H为水头(m)；N为水电站出力(W)；η为水轮发电机的效率系数。 对于小型水电站出力近似公式为 N=(6．0～8．0)QH </p><p><b>　　年发电量公式为 </b></p><p>　　E=N• F

42、 （2.5） </p><p>　　式中，N为平均出力；T为年利用小时数。</p><p>　　2.4 水轮发电机</p><p>　　水电站的核心部分是水轮发电机，是将水流的能量转换为旋转机械能的水力原动机。主要应用于水电站驱动水轮发电机产生电能，为水电站的关键动力设备。</p><p>　　2.4.1 水轮发电机的分类<

43、/p><p>　　水轮机分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机按转轮区域内水流运动的方向分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。其组成部件有蜗壳(引水室)、导水机构、转轮、尾水管、轴和轴承等。冲击式水轮机按射流冲击水斗的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式，后两种仅适用于小型水轮机。其组成部件有喷嘴、转轮、机壳、轴与轴承等。各类水轮机在使用水头、单机容量和尺寸方面的世界最高水平见表2-1。</p><p

44、>　　表2-1 水轮机的世界最高水平</p><p>　　2.4.2 水轮发电机的基本参数</p><p>　　反映水轮机工作过程的特性，有以下参数：</p><p>　　工作水头即作用在水轮机上作功的有效水头,以m计。水轮机设计水头指水轮机发出额定功率时的最低水头。</p><p>　　流量即单位时间内通过水轮机的水流体积，以m

45、3/s计。在设计水头、额定转速下发出额定功率时通过水轮机的流量称为额定流量。</p><p>　　轴功率指水轮机立轴输出的机械功，以kW计。轴功率随工作水头而变化，在设计水头、额定流量、额定转速下水轮机输出的轴功率称为额定功率。</p><p>　　效率指轴功率与水流在单位时间内输入水轮机的能量之比。</p><p>　　转速指水轮机在单位时间内旋转的次数,以r/m

46、in计。</p><p>　　转轮直径是水轮机最主要的代表性尺寸。对不同类型水轮机的转轮标称直径有统一规定。中国规定的标称直径见图1～图5中所示D1。</p><p>　　吸出高度是反击式水轮机的转轮叶片上压力最低点到下游水位的高程差，又称静态真空，常用符号Hs表示。在电站设计中按允许的Hs值和电站下游水位确定水轮机的安装高程。</p><p>　　2.5 水电站

47、的类型</p><p>　　图2-2 河床式水电站</p><p>　　2.5.1 按照水电站利用水源的性质分类。</p><p>　　①常规水电站：利用天然河流、湖泊等水源发电；</p><p>　　②抽水蓄能电站：利用电网中负荷低谷时多余的电力，将低处下水库的水抽到高处上水库存蓄，待电网负荷高峰时放水发电，尾水至下水库，从而满足电网调

48、峰等电力负荷的需要；</p><p>　　③潮汐电站：利用海潮涨落所形成的潮汐能发电。 </p><p>　　2.5.2 按照水电站对天然水流的利用方式和调节能力分类。</p><p>　　①径流式水电站：没有水库或水库库容很小,对天然水量无调节能力或调节能力很小的水电站;</p><p>　　②蓄水式水电站：设有一定库容的水库，对天然水流

49、具有不同调节能力的水电站。</p><p>　　2.5.3 其他分类方法</p><p>　　①按水电站的开发方式，即按集中水头的手段和水电站的工程布置,可分为坝式水电站、引水式水电站和坝－引水混合式水电站三种基本类型。这是工程建设中最通用的分类方法。</p><p>　　②按水电站利用水头的大小，可分为高水头、中水头和低水头水电站。世界上对水头的具体划分没有统一

50、的规定。有的国家将水头低于 15m作为低水头水电站,15～70m为中水头水电站，71～250m为高水头水电站，水头大于250m时为特高水头水电站。中国通常称水头大于70m为高水头水电站，低于30m为低水头水电站，30～70m为中水头水电站。这一分类标准与水电站主要建筑物的等级划分和水轮发电机组的分类适用范围，均较适应。</p><p>　　图2-3 蓄水式水电站</p><p>　　③按

51、水电站装机容量的大小，可分为大型、中型和小型水电站。各国一般把装机容量5000kW以下的水电站定为小水电站，5000～10万kW为中型水电站,10万～100万kW为大型水电站,超过100万kW的为巨型水电站。中国规定将水电站分为五等，其中：装机容量大于75万kW为一等〔大(1)型水电站〕，75万～25万kW为二等〔大(2)型水电站〕,25万～2.5万kW为三等〔中型水电站〕,2.5万～0.05万kw为四等〔小(1)型水电站〕,小于0.0

52、5万kW为五等〔小(2)型水电站〕；但统计上常将1.2万kW以下作为小水电站。</p><p>　　3 水电站对生态的影响</p><p>　　水电站的建设需建水坝和水库等设施，这一系列的设施会对附近生态产生很大影响。三峡工程建成后，血吸虫病问题就引起了社会各界的普遍关注，白鳍豚的生存更是引起全世界的重视。但我们不能因为这些原因而忽略了水电站的积极因素。水库的蓄水能力越强，控制洪涝的

53、作用也就越强。因为小浪底水库的建设，黄河上游93.8%的泥沙都被拦在小浪底库区，而且使黄河的洪峰提高到千年一遇，还在库区形成大片湿地，成了很多候鸟的栖息地，该区域的环境得到了极大改善。同样，三峡水库也降低了长江区域发生洪水的可能性。长江中下游一旦发生特大洪水，势必造成毁灭性灾难，其所引起的生态与环境破坏将十分严重，绝不能掉以轻心。荷兰三角洲工程的经验教训值得我们重视（见人民日报1992年1月15日《从生态与环境角度看三峡工程》）。<

54、;/p><p>　　总之，水电站的建设对生态是利大于弊的，只要我们能够注意到这个问题，在建设过程中多做思考，尽量避免对生态的消极影响，水电站定能为解决我国能源问题和环境问题起到不可替代的作用。</p><p><b>　　参考文献</b></p><p>　　[1] 刘文清.2004版最新水利水电机电组安装工程施工工艺与技术标准实用手册.2004.