淺析水力發電工程建筑物及其作用

摘要：水力發電工程是利用水能資源發電的場所，是水、機、電的綜合體。其中為了實現水力發電，用來控制水流的建筑物稱為水電站建筑物。這些建筑物的綜合體稱水電站樞紐或水利樞紐。本文主要介紹水力發電工程及各種建筑物在其中的作用。

關鍵詞：水力發電 轉換 建筑物

1、水力發電的轉換原理

水電站其實是利用了太陽能和重力。利用太陽能將水從低處經蒸發后“運”到高處，地球的重力使水的重力勢能轉化為動能。人們通過建水電站將機械能轉化為電能供人們使用，是一個間接利用太陽能的裝置。

在天然河流上，修建水工建筑物和控制設備，集中水頭，通過一定的流量將“載能水”輸送到水輪機中，使水能轉換為旋轉機械能，帶動發電機發電，由輸電線路送往用戶。這種利用水能資源發電方式稱為水力發電。

2、水力發電工程

2.1定義

水力發電工程包括為利用水能生產電能而興建的一系列水電站建筑物及裝設的各種水電站設備。利用這些建筑物集中天然水流的落差形成水頭，匯集、調節天然水流的流量，并將它輸向水輪機，經水輪機與發電機的聯合運轉，將集中的水能轉換為電能，再經變壓器、開關站和輸電線路等將電能輸入電網。

2.2作用

水電站一般包括由擋水、泄水建筑物形成的水庫和水電站引水系統、發電廠房、機電設備等。水庫的高水位水經引水系統流入廠房推動水輪發電機組發出電能，再經升壓變壓器、開關站和輸電線路輸入電網。

2.3 類型

按照水電站利用水源的性質，可分為三類。①常規水電站：利用天然河流、湖泊等水源發電；②抽水蓄能電站：利用電網中負荷低谷時多余的電力，將低處下水庫的水抽到高處上水庫存蓄，待電網負荷高峰時放水發電，尾水至下水庫，從而滿足電網調峰等電力負荷的需要；③潮汐電站：利用海潮漲落所形成的潮汐能發電。

在水電站工程建設中，還常采用按水電站的開發方式、按水電站利用水頭的大小和按水電站裝機容量的大小等分類方法。

3、水力發電工程建筑物及其作用

3.1 水力發電工程建筑物

通常用壩攔蓄水流、抬高水位形成水庫，并修建溢流壩、溢洪道、泄水孔、泄洪洞（見水工隧洞）等泄水建筑物宣泄多余洪水。水電站引水建筑物可采用渠道、隧洞或壓力鋼管，其首部建筑物稱進水口。水電站廠房分為主廠房和副廠房，主廠房包括安裝水輪發電機組或抽水蓄能機組和各種輔助設備的主機室，以及組裝、檢修設備的裝配場。副廠房包括水電站的運行、控制、試驗、管理和操作人員工作、生活的用房。引水建筑物將水流導入水輪機，經水輪機和尾水道至下游。當有壓引水道或有壓尾水道較長時，為減小水擊壓力常修建調壓室。而在無壓引水道末端與發電壓力水管進口的連接處常修建前池。為了將電廠生產的電能輸入電網還要修建升壓開關站。此外，尚需興建輔助性生產建筑設施及管理和生活用建筑。

(1)溢流壩：溢流壩一般由混凝土或漿砌石筑成。按壩型有溢流重力壩、溢流拱壩、溢流支墩壩和溢流土石壩。后者僅限于溢流面和壩腳有可靠防護設施、單寬流量比較小的低壩。和廠房結合在一起，作為泄洪建筑物的壩內式廠房溢流壩、廠房頂溢流和挑越廠房頂泄流的廠壩聯合泄洪方式，可用在高山狹谷地區，是宣泄大流量時，解決溢洪道和電站廠房布置位置不足的一種途徑，也是從溢流壩發展起來的新形式。

(2)溢洪道：用于宣泄規劃庫容所不能容納的洪水，保證壩體安全的開敞式或帶有胸墻進水口的溢流泄水建筑物。

(3)泄水孔：進口有一定淹沒深度的壩體泄水建筑物。可供泄洪、預泄庫水、放空水庫、排放泥沙或施工導流。泄水孔一般設置在混凝土壩和漿砌石壩，如重力壩、拱壩、支墩壩的體內。需有閘門控制，可隨時提閘放水。

(4)泄洪洞：用于引水或泄水的隧道。按其功用分為：引水、輸水隧洞；導流、泄洪隧洞；尾水隧洞；排沙隧洞；

3.2 機電設備

將水能轉變為電能的機電設備稱水電站動力設備。其在常規水電站和潮汐電站為水輪機和水輪發電機組成的水輪發電機組，及附屬的調速器、油壓裝置、勵磁設備等。抽水蓄能電站的動力設備為由水泵水輪機和水輪發電電動機組成的抽水蓄能機組及其附屬的電氣、機械設備。水電站的電氣裝置除水輪發電機及其附屬設備外，還包括發電機電壓配電設備、升壓變壓器、高壓配電裝置和監視、控制、測量、信號和保護性電氣設備等。

(1)水輪發電機組：由水輪機和發電機組合而成的發電動力裝置。設置在水電站中，執行把水能轉換成電能的功能。機組中水輪機作為原動機，它利用水的能量運轉，驅動發電機發電。常用的水輪機有沖擊式、反擊式、貫流式和可逆式。發電機則均采用同步發電機。由于水電站的自然條件和工況各異，水輪發電機組的容量和轉速變化范圍很大。可按其尺寸大小和結構特征劃分其容量和轉速。

(2)調速器：用于減小某些機器非周期性速度波動的自動調節裝置。它可使機器轉速保持定值或接近設定值。水輪機、汽輪機、燃氣輪機和內燃機等與電動機不同，其輸出的力矩不能自動適應本身的載荷變化，因而當載荷變動時，由它們驅動的機組就會失去穩定性。例如當汽輪機發電機組的饋電量突然減少時，汽輪機軸上的阻力矩將急劇下降，如不及時調節汽輪機的進汽量，則機組將加速運轉，改變發電頻率，導致機組損壞。這類機組必須設置調速器，使其能隨著載荷等條件變化，隨時建立載荷與能源供給量之間的適應關系，以保證機組作正常運轉。調速器的理論和設計問題，是機械動力學的研究內容。

(3)油壓裝置：油壓裝置的功用是為各種設備提供壓力能源，目前廣泛用于水輪機組調速系統和機組控制系統，大型水泵站以及進水閥門、空放閥等，其他需用壓力能源的地方均可選用。此類油壓裝置分為組合式和分離式兩種，即回油箱和壓力罐組合安裝為組合式、分別安裝為分離式。

(4)勵磁設備：勵磁裝置是指同步發電機的勵磁系統中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調節作用的電氣調控裝置。勵磁系統是電站設備中不可缺少的部分。勵磁裝置的使用，是當電力系統正常工作的情況下，維持同步發電機機端電壓于一給定的水平上，同時，還具有強行增磁、減磁和滅磁功能。對于采用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能。勵磁裝置可以單獨提供，亦可作為發電設備配套供應。

3、結束語

中國已建成諸多常規水電站、抽水蓄能電站和潮汐電站。今后在水力資源豐富而又未充分開發的國家，常規水電站的建設將穩步增長。大型電站的機組單機容量將向巨型化發展。同時，隨著經濟發展和能源日益緊張，小水電將受到各國的重視。由于電網調峰、調頻、調相的需要，抽水蓄能電站將有較快的發展。而潮汐電站和波浪能電站的建設由于受建站條件及造價等因素制約，在近期內不會有大幅度的增長。各類電站的自動化和遠動化將進一步完善和推廣。