第三节 水能开发方式与水电站
一、水能资源的基本开发方式
天然河道的流量在时间上分配是不均匀的，河段的落差一般也是分散的。因此，开发河道的水能必须调节其流量和集中落差。
根据调节流量和集中落差的不同方法，水能开发方式可分为如下方式。
（1）按调节流量方式分类，可分为蓄水式和径流式。蓄水式是在天然河道上筑坝形成水库以调节径流，用调节的流量发电。蓄水方式还包括抽水蓄能式。径流式是利用河流的天然径流发电，它没有调节库容。
（2）按调节周期（水库由空到满再到空，循环一次所经历的时间称为调节周期）长短分类，可分为无调节、日调节、月（季）调节、年调节和多年调节。
（3）根据河道的水流条件、地形地质条件以及集中落差的不同分类，可分为坝式、引水式和混合式。此外，还有潮汐式和抽水蓄能式。
二、水电站的基本类型
1.坝式水电站
在河流峡谷处，拦河筑坝，壅高坝前水位，集中落差形成水头的水电站称为坝式水电站。坝式水电站可分为河床式、坝后式、溢流式、闸墩式和坝内式等类型。
当水头较大时，水电站厂房的尺寸难以满足挡水要求，水电站的落差靠筑坝形成，厂房布置在拦河坝下游，不挡水，称为坝后式水电站，如图2-4所示。坝后式水电站多建于河流的中上游，并具有一定的水库库容，对水量有不同程度的调节作用。
图2-4 坝后式水电站厂房布置图
当水电站水头较低时，可将厂、坝并列，使厂房参与挡水而成为挡水建筑物的一部分，称其为河床式水电站，如图2-5所示，河床式水电站多建于河流的中下游。当挡水建筑物为水闸、厂房建在闸墩中间时，称为闸墩式水电站。
图2-5 河床式水电站厂房布置图
1—起重机；2—主机房；3—发电机；4—水轮机；5—蜗壳；6—尾水管；7—水电站厂房；
8—尾水导墙；9—闸门；10—桥；11—混凝土溢流坝；12—非溢流坝；13—闸墩
当河谷狭窄而水电站机组较多，泄洪建筑物与电站厂房的布置有矛盾时，可把厂房置于泄洪建筑物之下，而构成厂房顶溢流式水电站，如图2-6所示。
图2-6 溢流式厂房横剖面图（单位：m）
当坝址河谷狭窄且泄洪量大时，为了解决枢纽布置的困难，挡水建筑物可采用空腹混凝土坝的形式，将厂房布置在坝体的空腹内，构成坝内式水电站，如图2-7所示。
2.引水式水电站
引水式水电站是在河段上游筑闸或低坝取水，经引水道将水引至河段末端来集中落差形成水头的水电站，如图2-8所示。引水道可以是无压的，也可以是有压的。
图2-7 坝内式水电站厂房横剖面图
图2-8 引水式水电站布置示意图
引水式水电站多建于河流的中上游，河道坡陡流急或有跌水，有时也修建于河流中下游有大转弯的河段，利用“截弯取直”的方法集中水头。
3.混合式水电站
通过拦河坝集中部分水头，又利用引水道集中另一部分水头，水电站所利用的总水头是由两种工程措施共同取得的，称为混合式水电站，如图2-9所示。
当上游河段地形较为平缓，且有良好的筑坝条件，下游河段坡降较大时，适宜修建混合式水电站。
图2-9 混合式水电站布置示意图
三、水电站建筑物
水电站建筑物有挡水建筑物(坝、闸)、泄水建筑物、取水建筑物、输水建筑物、平水建筑物和发电、变电、配电建筑物。本部分主要介绍几种典型的水电站建筑物。
（一）压力前池
压力前池设置在引水渠道或无压隧洞的末端，是引水渠道(或无压隧洞)和压力水管之间的连接建筑物。
1.压力前池的作用
（1）将流量按要求分配给压力管道，并加以必要的控制。
（2）当水电站出力变化时，调节流量，必要时，可从溢流堰放水至下游。
（3）水电站停止运行时，供给下游必需的流量。
2.压力前池的组成(图2-10)
（1）池身及渐变段。压力前池的宽度及深度取决于压力水管进口的布置和满足调节流量的要求，一般比渠道宽和深。因此，需要在渠道与压力前池之间设置扩散和斜坡段连接，以保证水流平顺，水头损失小，不发生旋涡等不利水流形态。
（2）压力水管进水口。进水口一般采用挡水墙式，由拦污栅、工作门、检修门、通气孔等组成。
（3）泄水建筑物。一般采用侧堰式，宣泄多余水量，保证压力前池不产生漫溢或向下游供水。
（4）排污、排砂和排冰建筑物。应在压力前池处设置排污、冲沙孔等，以防止有害物质进入压力管道。在严寒地区还要设拦冰、排冰设施。
3.压力前池的布置
压力前池应尽可能靠近厂房，以缩短压力水管长度。压力前池和渠道的渗漏，可能会引起山坡坍滑等，为了确保安全，压力前池要布置在地质条件良好的挖方中，并进行建筑物结构强度和地基的渗漏、稳定等校核。
图2-10 压力前池布置图（单位：m）
（a）前池，进水口平面；（b）前池，进水口纵剖面
（二）压力水管
压力水管是从水库、压力前池或调压室将水引向水轮机的输水管道。
1.压力水管的特征值
压力管道的主要荷载是内水压力，压力管道的内径D(m)、水压H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及其技术难度的特征值。
2.压力水管的类型
压力水管按材料可分为钢管、钢筋混凝土管。钢管由于具有强度高、防渗性能好等优点，在高、中水头的水电站中得到广泛应用；钢筋混凝土管具有造价低、能承受较大的外压和经久耐用等优点，在内压不高的中小型水电站中应用较多。压力水管按其布置形式可分为明管、地下埋管、坝内埋管等几种型式。
3.压力管道的线路选择
压力管道的线路选择应按水电站引水系统建筑物布置要求确定，其基本原则如下。
（1）尽可能选择短而直的路线。这样不仅可以缩短管道的长度，降低造价，减小水头损失，而且可以降低水击压力，改善机组的运行条件。
（2）尽可能选择良好的地质条件。明钢管应敷设在坚固而稳定的山坡上，特别应避开可能产生滑坡和崩塌的地段；支墩和镇墩应尽量设置在坚固的基岩上。
（3）尽量减少管道的起伏波折。管道应避免出现反坡，以方便管道排空；管道任何部位的顶部应在最低压力线以下，并有不小于2m的安全裕压。当为减少挖方而将明管布置成折线时，应在转弯处设镇墩，管轴线的曲率半径不应小于3倍管径。明钢管的底部应高出地表0.6m以上，以便安装检修；若直管段超过150m时，管道中间宜设镇墩。地下埋管的坡度应利于开挖出碴和钢管的安装检修。
（三）调压室
1.调压室的作用
调压室是一个具有自由水面的筒式或井式建筑物，位于有压引水隧洞与压力水管衔接处。调压室利用扩大断面和自由水面反射水锤波，它将有压引水系统分成两段，上游段为有压引水隧洞，下游段为压力水管。由于调压室体积较大，故可像水库一样造成水锤波的反射，从而限制水锤压力继续向引水隧洞传播，使其水锤压力减小；同时由于缩短了压力水管的长度，使得压力管道及厂房过流部分中的水锤压力也减小，改善了机组在负荷变化时运行条件及系统供电质量。
设在地面以上的调压室称为调压塔，设置在地面以下的称为调压井。
2.对调压室的基本要求
（1）尽可能靠近厂房，以减小压力水管的长度，从而降低引水管道中的水锤压力。
（2）尽可能充分反射由压力水管传来的水锤波，将传至引水隧洞的水锤值控制在合理范围内。
（3）调压室的断面应满足稳定要求，保证调压室中的一切水位波动都能逐渐衰减。
（4）调压室底部和压力水管连接处的断面积应较小，以尽可能减小正常运行情况下的水头损失。
（5）电站负荷变化时，引起的波动振幅小，以减小调压室高度，利于机组稳定运行。
（6）工程安全可靠，施工简单方便，造价经济合理。
3.调压室的基本布置方式
（1）上游调压室（引水调压室）。调压室在厂房上游的压力水管上游侧，它适用于厂房上游有压引水道比较长的情况。
（2）下游调压室（尾水调压室）。当厂房下游具有较长的有压尾水隧洞时，需要设置下游调压室，且尾水调压室应尽可能靠近水轮机。
（3）上下游双调压室系统。在有些地下式水电站中，厂房的上下游都有比较长的有压引水道，为了减小水锤压力，改善水电站的运行条件，在厂房的上下游均设置调压室。
（4）上游双调压室系统。在上游较长的有压引水道中，因结构、地质等原因，设置一个调压室不能满足要求时或因电站扩建时，则可设置两个调压室。
4.调压室的结构型式
（1）筒式调压室，如图2-11（a）所示。其特点是自上而下具有相同的断面，结构简单，反射水击波效果好，施工方便；当流量变化时，调压室中水位波动振幅较大，衰减较慢，所需调压室的容积较大。一般多用于低水头、小流量的水电站。
（2）阻抗式调压室，如图2-11（b）所示。这种调压室的体积小于简单筒式调压室，正常运行时水头损失小，但由于阻抗的存在，水击波不能完全反射，隧洞可能受到水击的影响，设计时必须选择合适的阻抗。适用于中水头和引水隧洞长度不大的电站。
（3）双室式调压室，如图2-11（c）所示。它是由一个断面较小的竖井和上、下两个断面扩大的储水室组成。当水电站丢弃负荷时，竖井的水位迅速上升，一旦升到断面较大的上室，水位上升的速度便立即缓慢下来；增加负荷时，水位迅速下降至下室，并由下室补充不足的水量，从而限制了水位的下降。这种调压室的容积较小，适用于水头较高，要求的稳定断面较小，而水库水位变化较大的水电站。
（4）溢流式调压室，如图2-11（d）所示。其顶部设有溢流堰，当水电站丢弃负荷时水位迅速上升至溢流堰顶后自动溢流，限制水位继续上升。这种调压室水位下降的波动无法限制，故经常与双室式调压室结合使用，即上室设溢流堰的溢流双室式调压室。
（5）差动式调压室，如图2-11（e）所示。它由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较小，上有溢流口，通常叫升管，底部以阻抗孔口与外面大井相通。这种调压室兼有阻抗式和溢流式调压室的优点，但结构较复杂。
图2-11 调压室的类型示意图
（a）筒式；（b）阻抗式；（c）双室式；（d）溢流式；（e）差动式
四、水电站厂区枢纽
水电站厂区枢纽通常由主厂房、副厂房、主变压器和开关站等部分组成，它是发电、变电、配电的机电设备和其相应的水工建筑物组成的综合体。
（一）主厂房
1.主厂房的功用
主厂房中安置了水轮机、发电机和各种辅助设备，是将水能转变为电能的生产场所，其主要任务是满足各种机电及其辅助设备的安装、检修和运行条件，保证发电质量，并为运行人员创造良好的工作条件，使建筑物与自然环境协调。
2.主厂房的基本类型
（1）地面式厂房。厂房建于地面上，主要有坝后式、河床式、岸边式厂房等。
（2）地下式厂房。将厂房等主要建筑物布置在地下山岩中。当河道比较狭窄，洪水又较大时采用。优点是厂房施工不受气候影响，与大坝施工无干扰，下游尾水变化对厂房影响小，人防条件好；缺点是地下开挖大，施工条件差，需照明、通风、防潮系统。
（3）坝内式厂房。厂房位于坝体空腔内，适用于洪水量大，河谷狭窄，在坝轴线上不易布置水电站厂房的情况。
（4）溢流式厂房。当河谷狭窄、泄洪量大，机组台数较多、地质条件又差时采用。
3.主厂房的组成
（1）按设备组成的系统划分。水电站厂房内配置的机械和电气设备可归纳为：水流系统、电流系统、机械控制设备系统、电气控制设备系统、辅助设备系统等。
（2）按水电站厂房的结构划分。在平面上，主厂房分为主机室和装配场。在剖面上，以发电机层为界，分为上部结构和下部结构，见图2-12。
图2-12 主厂房横剖面图（单位：mm）
1)上部结构。厂房上部结构与一般工业厂房类似，包括主机室和装配场，一般称为发电机层或主机房。
2)下部结构。下部结构为大体积的钢筋混凝土结构，一般分为四部分：发电机出线层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层。
4.水电站主厂房的设计要求
水电站厂房除满足稳定、强度、防渗要求外，还应保证机电设备的安全运行，电能损失尽可能小，运行人员有良好的工作条件和卫生条件。
（二）副厂房
副厂房是布置机电设备、运行、控制、试验、管理和运行人员工作及生活的房间。副厂房的房间包括如下结构。
（1）控制及运行室，如中央控制室（是副厂房布置的关键）、集缆室、发电机配电装置室、继电保护室、蓄电池室、载波通信室、充电机室、通风室等。
（2）辅助设备房间，如厂用配电装置室、厂用变压器室、空气压缩机和储气罐室、水泵室、油处理及油罐室等。
（3）生产车间，如电器修理车间、油和水化验室、高压试验室、仪表试验室等。
（4）工作场所，如办公室、会议室、值班室、卫生间、浴室等。
（三）主变压器
主变压器作用是将电能升高到规定的电压后送到开关站。主变压器应尽可能靠近厂内的机组，以缩短昂贵的发电机母线的长度，减少电能损失和故障机会；并尽量与主厂房内装配场处在同一高程，以方便安装、检修和排除故障，并满足防火要求。
（四）开关站
开关站是装设高压开关、高压线和保护措施等高压电气设备的场所，高压输电线由此将电能输送到电网。开关站可以是露天的，也可以是户内的。从运行方便来讲，开关站应与变压器布置在同一高程，多布置在岸边，以便运行管理人员检查和维护，并且应满足防火要求。