第一章 水电站及水电站建筑物运行
第一节 水电站概述
一、水力发电原理
电能的产生一般都是由各种原动机带动交流发电机发送出来。根据能量守恒原理，要原动发电机发电，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。如果在天然的河流上，修建不同的水工建筑物来集中水头并引入一定的流量，便取得了水能，将其输送到水轮机中使其旋转做功，带动发电机发电，这种发电方式就称为水力发电，如图1-1所示。
图1-1 水电站示意图
1—水库；2—引水管道；3—水电站厂房；4—水轮机；5—发电机；6—尾水渠
水库1中的水体，具有较大的势能，由引水管道2流过水电站厂房3内的水轮机4而排至水电站下游的尾水渠6时，水轮机转轮在水流作用下而旋转，使水能转换为旋转的机械能，水轮机转轮又驱动发电机5旋转，发生电磁转换，产生电能，这就是水能转换为机械能然后再转换为电能的生产过程。
二、水电站的开发方式及类型
（一）水能资源的开发方式
1.按集中水头的方式分类
（1）坝式开发。在河流合适的位置拦河筑坝，坝前雍水而形成集中落差，在坝址处，用输水管或隧洞，引取上游水库中的水流，通过设在水电站厂房内的水轮机带动发电机，发电后将尾水引至坝下游原河道，这种开发方式为坝式开发。
适用于坝式开发的河流条件是河道坡降较缓，流量较大，并易于筑坝建库。
（2）引水式开发。在河道坡降较陡的河段上游，修筑低坝或无坝取水，通过人工建造的引水道（如明渠、隧洞或管道等），引水至河段下游集中落差，再由高压管道引水至厂房进行发电，这种用引水道集中水头的开发方式为引水式开发。
引水式开发又可根据引水道是有压或无压的分为有压引水式开发及无压引水式开发。
（3）混合式开发。在一个河段上，同时采用坝和有压引水道共同集中落差的开发方式，称为混合式开发。在这种开发方式下，先由坝集中一部分落差后，再通过有压引水道（如有压隧洞或有压管道）集中坝后河段上另一部分落差，形成了电站的总水头。
2.按径流调节的程度分类
（1）径流式开发。在水电站取水口上游没有大的水库，不能对径流进行调节，只能直接引用河中径流发电，这种开发方式称为径流式开发，这种开发方式多在不宜筑坝建库的河段中采用。这类水电站具有工程量小、淹没损失小等优点。
（2）蓄水式开发。在取水口上游有较大的水库，这样就能依靠水库按照用电负荷对径流进行调节，丰水时满足发电所需之外的多余水量存蓄于水库，以补充枯水发电时水量的不足，同时也具有拦蓄洪水的作用，这种开发方式称为蓄水式开发。
（3）集水网道式开发。有些山区地形坡降陡峻，河流小而众多、分散且流量较小，经济上既不允许建造许多分散的小型水电站，又不可能筑高坝来全盘加以开发。因此在这些分散的小河流上根据各自条件选点修筑些小水库，在它们之间用许多引水道来汇集流量，集中水头，形成一个集水网系统，这种开发方式称为集水网道式开发。
（二）水电站的基本类型
水电站的类型按照不同的分类方式，其名称也是不同的，如按调节径流的程度不同分类有径流式水电站、蓄水式水电站及集水网道式水电站。但多数情况下都是按集中落差的方式来分类的。
1.坝式水电站
坝式水电站就是水能的开发方式为坝式的水电站，即用坝（或闸）来集中水头的水电站。按照坝和水电站厂房相对位置的不同，坝式水电站又可分为河床式和坝后式两种。
（1）河床式水电站。河床式水电站是指水电站厂房修建在河床中或渠道上，与坝（或闸）布置成一条直线或成某一角度，水电站建筑物集中布置在电站坝段上，厂房本身是挡水建筑物的一部分，并承受上下游水压力，如图1-2所示。
图1-2 河床式水电站布置示意图
河床式水电站，一般修建在平原河段上，为避免造成大量淹没而修建低坝，适当抬高水位，由于水头不高，所安装的水轮发电机组的厂房和坝并排建造在河道中。电站建筑物组成包括进水口、引水道及厂房等。我国著名的富春江水电站及葛洲坝水电站都是河床式水电站。
（2）坝后式水电站。如果水头较高或因河道狭窄而不宜将电站厂房与挡水坝并排布置，常将电站厂房布置在坝的后面，故称为坝后式水电站，如图1-3所示。
图1-3 坝后式水电站布置示意图
在坝后式水电站的水利枢纽中，水电站建筑物集中布置在坝段后，大都靠河道其中一岸，综合考虑，以利于布置主变压器场与对外交通等设施。其建筑物组成包括拦河坝、溢洪道、电站进水口及其附属设备、厂房和输变电设施等。坝后式水电站一般宜建在河流中上游的山区峡谷地段，集中落差为中高水头。我国著名的三峡水电站便是坝后式水电站。
2.引水式水电站
引水式水电站就是水能的开发方式为引水式的水电站，即用引水道集中水头的水电站。
（1）无压引水式水电站。引水道为无压明渠或无压隧洞的引水式水电站称为无压引水式水电站。
无压引水式水电站水利枢纽的主要特点是：具有较长的渠道、隧洞或渠道与无压隧洞相结合的引水道。图1-4为典型山区无压引水式水电站示意图。
图1-4 无压引水式水电站布置示意图
1—进水口；2—引水渠道；3—压力前池；4—压力管道；5—电站厂房；6—升压站；7—泄水道
（2）有压引水式水电站。引水道为有压的隧洞、压力管道的引水式水电站称为有压引水式水电站，如图1-5所示。
有压引水式水电站水利枢纽的特点是具有较长的有压引水道，一般为有压隧洞。有压引水式水电站常建于河道坡降较陡或有河湾宜于修建压力水道集中落差的河段。在河湾地段裁弯取直引水，引取高山湖泊的蓄水发电，高差很大的毗邻流域引水等，均可获得相当大的水头，有利于修建有压引水式水电站。
3.混合式水电站
通过拦河筑坝集中部分落差，再通过引水道集中一部分落差而形成水头的水电站，称为混合式水电站。如图1-6所示，由坝1集中水头H1，然后由隧洞3集中水头H2，形成总发电水头H=H1+H2，压力水流由压力管道6引至地下厂房7进行发电。
图1-5 有压引水式水电站
1—有压进水口；2—有压隧洞；3—调压塔；4—压力管道；5—电站厂房；6—升压站
图1-6 混合式水电站
1—坝；2—进水口；3—隧洞；4—调压井；5—斜井；6—压力管道；7—地下厂房；8—尾水隧洞；9—交通洞
当上游河段有良好筑坝建库条件，下游河段坡降较大时，适于修建混合式水电站。但在工程实际中很少采用混合式水电站这一名称，常将具有一定长度引水建筑物的水电站统称为引水式水电站。
三、水电站建筑物
1.挡水建筑物
为形成水头集中落差，而修建的拦河坝、闸或河床式水电站的厂房等水工建筑物，如混凝土重力坝、混凝土拱坝、土石坝、拦河闸等。
2.泄水建筑物
用以下泄多余的水量、放空水库、排泄泥沙等的建筑物，如溢流坝、溢洪道、放空洞、泄洪排沙隧洞、泄水冲沙底孔等。
3.进水建筑物
用以根据水电站用水的要求将水由水库或河道引进水轮机中的引水道首部建筑物，如有压进水口、无压进水口等。
4.引水建筑物
用以将发电用水输送至水轮发电机组的建筑物。根据自然条件和水电站型式的不同，可以采用明渠、隧洞、管道，还包括在引水道上的渡槽、涵洞、倒虹吸、桥梁等交叉建筑物以及将水流自机组排向下流的尾水建筑物。
5.平水建筑物
当水电站负荷变化时，用以平稳引水建筑物中流量及压力的变化，保证电站调节稳定的建筑物，如有压引水道中的调压室或调压井、无压引水道中的压力前池、溢流堰等。
6.过坝建筑物
提供船只、木、鱼类等过坝的建筑物，如船闸、过木道、鱼道等。
7.厂区枢纽建筑物
水电站的主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、交通道路、尾水渠等建筑物，一般均集中布置在同一局部区域内形成厂区枢纽。厂区枢纽是发电、变电、配电、送电的中心，是电能生产的中枢。