第二节　水力发电

一、水力发电的基本原理

水力发电是利用天然水能（水能资源）生产电能。河川径流相对于海平面而言（或相对于某基准面）具有一定的势能。因径流有一定流速，就具有一定的动能。这种势能和动能组合成一定的水能——水体所含的机械能。

在地球引力（重力）作用下，河水不断向下游流动。在流动过程中，河水因克服流动阻力、冲蚀河床、挟带泥沙等，使所含水能分散地消耗掉了。水力发电的任务，就是要利用这些被无益消耗掉的水能来生产电能。如图2-1所示，表示一任意河段，其首尾断面分别为断面1—1和断面2—2。若取O—O为基准面，则按伯努利方程，流经首尾两断面的单位重量水体所消耗掉的水能应为

但是，平均动水压强P1与P2近似地相等，流速水头的差值也相对地微小而可忽略不计。于是，这一单位重量水体的水能就可近似地用落差H1-2来表示，H1-2＝Z1-Z2，即首尾两断面间的水位差。

若以Q表示时间t（单位为s）内流经此河段的平均流量（m3/s），γ表示水的单位重量（通常取γ＝9807N/m3），则在t秒内流经此河段的水体重量应是γW＝γQt。于是，在t秒内此河段上消耗掉的水能为

但是，在电力工业中，习惯于用“kW·h”（或称“度”）为能量的单位，1kW·h＝3.6×106J。于是，在T小时内此河段上消耗掉的水能为

此即代表该河段所蕴藏的水能资源，它分散在河段的各微小长度上。要开发利用这许多微小长度上的水能资源，首先需将它们集中起来，并尽量减少其无益消耗。然后，引取集中了水能的水流去转动水轮发电机组，在机组转动的过程中，将水能转变为电能。这里，发生变化的只是水能，而水流本身并没有消耗，仍能为下游用水部门利用。上述这种河川水能，因降水而陆续得到补给，使水能资源成为不会枯竭的再生性能源。

在电力工业中，电站发出的电力功率称为出力，因而也用河川水流出力来表示水能资源。水流出力是单位时间内的水能。所以，在图2-1中所表示的河段上，水流出力为

式（2-4）常被用来计算河流的水能资源蕴藏量。

二、河川水能资源蕴藏量的估算和我国水能资源概况

由式（2-4）可见，落差和流量是决定水能资源蕴藏量的两项要素。同为单位长度河段的落差（即河流纵比降）和流量都是沿河长而变化的，所以在实际估算河流水能资源蕴藏量时，常沿河长分段计算水流出力，然后逐段累加以求全河总水流出力。在分段时，应注意将支流汇入等流量有较大变化处以及河流纵比降有较大变化处（特别是局部的急滩和瀑布等），划分为单独的计算河段。在计算中，流量取首尾断面流量的平均值，根据多年平均流量Q0计算所得的水流出力N0，称为水能资源蕴藏量。

为估算河流蕴藏的水能资源，应对河流水文、地形和流域面积等进行勘测和调查，然后按式（2-4）进行计算（表2-1），并将计算结果绘成如图2-2的蕴藏图。表2-1和图2-2乃是掌握河流水能资源分布情况并研究其合理开发的重要资料。水能资源的普查和估算，由国家专门机构统一组织进行，并正式公布。我国曾于1980年进行了全国水能资源普查，2003年又完成了水能资源复查，根据复查结果统计，我国河川水能资源蕴藏量达6.94亿kW，其相应的年电量约为6.08万亿kW·h；技术可开发装机容量为5.42亿kW，年发电量为2.47万亿kW·h；经济可开发装机容量为4.02亿kW，年发电量为1.75万亿kW·h，具体见表2-2。

从表2-2可以看出两点：

（1）经济上合理而技术上又便于开发的水能资源，大约只有理论值的一半多一些，有些资源河段因受客观条件限制而无法利用；

（2）西南地区的水能资源占全国70%，其中四川、云南、贵州（蜀、滇、黔）三省水能资源占全国的40.3%，而仅西藏自治区就占全国的29.7%。

我国东部和中部人口比较集中，工农业生产较为发达，水能资源就开发较多。西南地区水能资源极其丰富，但开发尚少，潜力很大。

三、河川水能资源的基本开发方式

要开发利用河川水能资源，首先要将分散的天然河川水能集中起来。由于落差是单位重量水体的位能，而河段中流过的水体重量又与河段平均流量成正比，所以集中水能的方法就表现为集中落差和引取流量的方式，见式（2-2）和式（2-3）。根据开发河段的自然条件之不同，集中水能的方式主要有以下几类（图2-3）。

1.坝式（或称抬水式）

拦河筑坝或闸来抬高开发河段水位，使原河段的落差HAB集中到坝址处，从而获得水电站的水头H。所引取的平均流量为坝址处的平均流量QB，即河段末的平均流量。显然，QB要比河段首A处的平均流量QA要大些。由于筑坝抬高水位而在A处形成回水段，因而有落差损失ΔH＝HAB-H。坝址上游A、B之间常因形成水库而发生淹没。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。这种水电站称为坝后式水电站，如图2-3（a1）所示，其厂房建在坝下游侧，不承受坝上游面的水压力。若地形、地质等条件不允许筑高坝，也可筑低坝或水闸来获得较低水头，此时常利用水电站厂房作为挡水建筑物的一部分，使厂房承受坝上游侧的水压力，如图2-3（a2）所示。这种水电站称为河床式水电站。坝式开发方式有时可以形成比较大的水库，因而使水电站能进行径流调节，成为蓄水式水电站。若不能形成供径流调节用的水库，则水电站只能引取天然流量发电，成为径流式水电站。

2.引水式

沿河修建引水道，以使原河段的落差HAB集中到引水道末厂房处，从而获得水电站的水头H。引水道水头损失ΔH＝HAB-H，即为引水道集中水能时的落差损失。所引取的平均流量为河段首A处（引水道进口前）的平均流量QA，AB段区间流量（QB-QA）则无法引取。图2-3（b1）是沿河岸修筑坡度平缓的明渠（或无压隧洞等）来集中落差HAB，这种水电站称为无压引水式水电站。图2-3（b2）则是用有压隧洞或管道来集中落差HAB，称为有压引水式水电站。利用引水道集中水能，不会形成水库，因而也不会在河段AB处造成淹没。因此，引水式水电站通常都是径流式开发。当地形、地质等条件不允许筑高坝，而河段坡度较陡或河段有较大的弯曲段处，建造较短的引水道即能获得较大水头时，常可采用引水式集中水能。

3.混合式

在开发河段上，有落差HAC，见图2-3（c1）和（c2）。BC段上不宜筑坝，但有落差HBC可利用。同时，可以允许在B处筑坝抬水，以集中AB段的落差HAB。此时，就可在B处用坝式集中水能，以获得水头H1（有回水段落差损失ΔH1），并引取B处的平均流量QB；再从B处开始，筑引水道（常为有压的）至C处，用引水道集中BC段水能；获得水头H2（有引水道落差损失ΔH2），但BC段的区间流量无法引取。所开发的河段总落差为HAC＝HAB＋HBC，所获得的水电站水头为H＝H1＋H2，两者之差即为落差损失。这种水电站称为混合式水电站，它多半是蓄水式的。

除了以上三种基本开发方式外，尚有跨流域开发方式、集水网道式开发方式等。此外，还有抽水蓄能发电方式、利用潮汐发电方式等。

由于集中水能的过程中有落差损失、水量损失及机电设备中的能量损失等，所以水电站的出力要小于式（2-4）中的水流出力，这将在第五章中进一步讨论。通常，在初步估算时，可用下式来求水电站出力N水，即