水力发电站

水力发电站是利用水位差产生的强大水流所具有的动能进行发电的电站，简称“水电站”，是利用河流的水能推动水轮机带动发电机组而发电的工业企业。水力发电站虽然基建投资大、建设周期长、受自然条件局限，但却拥有不用燃料、成本低、不污染环境、机电设备制造简单、操作灵活等优点，且其发电水工建筑物还可与防洪、灌溉、给水、航运、养殖等事业结合，实行水利资源的综合利用。^[1][6]中国已建成三峡、葛洲坝、乌江渡、白山、龙羊峡和以礼河梯级等各类常规水电站以及潘家口等大型抽水蓄能电站和试验性的江厦潮汐电站。^[7][8][9]

在1833年，一位瑞典化学家预言，水力发电将变成一种持久且可再生的电力资源。到了1878年，英格兰诺森伯兰郡出现了单个家庭的水力发电应用。同年，法国建成了世界上首个水力发电站。1879年，亨利·梅尼尔首次将水力发电应用到农业生产。次年，在密歇根大急流水段，有了多用户的商业型水力发电。1882年，托马斯·爱迪生在威斯康星州阿普尔顿建立了水力发电系统，这被认为是世界上最早的水电站。而中国则于1912年在昆明利用德国技术建成了自己的首个水力发电站——石龙坝水电站；而后近30年，中国的水电发展基本上以商业性质为主，在新中国成立后，逐步转移到了民生工程上，并逐渐在全球取得了领先地位，一个显著的例子就是1994年开始建设的三峡工程。^[2][10]

水力发电站由水工建筑物、流体机械、电气系统及水工金属构件等组成。^[5]其工作原理是水流冲击水轮机，使水轮机旋转，从而将动能转化为机械能，然后再由水轮机带动发电机旋转，产生电能。^[11]此外，水力发电站有多种分类方式，比如，可根据水源性质，分为常规水力发电站、抽水蓄能电站、潮汐电站；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；根据利用水头的大小，可分为高水头、中水头和低水头水电站；根据装机容量的大小，可分为大型、中型和小型的水力发电站。^[3]

水力发电的历史悠久，最初是依靠水轮机械驱动装置来实现劳动力的减轻。至19世纪30年代手摇电磁机的出现，科学家们对于水利的转化逐渐产生了更深刻的认识。1833年，一位瑞典化学家预言，水力发电将会成为一种持续的、可重复利用的电力资源。1878年，英格兰诺森伯兰郡出现了单个家庭的水力发电应用，当时的威廉·阿姆斯特朗凭借着自身财富和专业知识，开创性地利用水力发电点亮了第一盏弧光灯。1878年，法国建成了世界上第一座水力发电站。1879年，亨利·梅尼尔首次将水力发电应用到农业上，次年，在密歇根大急流水段，有了连续多用户的商业型水力发电。1882年，爱迪生在威斯康星州阿普尔顿建立了水力发电系统，这被认为是世界上最早的水电站。而中国的第一座水力发电站则是出现在1912年，而后近30年，中国的水电发展基本上以商业性质为主，并在新中国成立后逐步转移到了民生工程上，且取得了领先地位。比如，1994年开始动工的三峡工程就是其中的典型。^[2][10]

水力发电的基本原理是利用水流的高度差（水头）来推动水轮机旋转，将水流的势能转换成机械能。当水轮机与发电机相连时，水轮机的旋转会带动发电机发电，从而将机械能转换成电能。因此，水力发电实质上是水的势能经过两次转换，首先变成机械能，然后变成电能的过程。^[1]

水力发电站，也称为水电厂，是一整套将水能转换为电能的工程设施。这包括为发电目的而建造的各种建筑物和设备。通过这些建筑物，如大坝和水库，可以集中和调节天然水流的流量，并集中天然水流的落差形成必要的水头。水流被引导至水轮机，水轮机与发电机的协同工作将集中的水能转换成电能。随后，电能通过变压器、开关站和输电线路传输到电网中。许多水力发电站除了发电所必需的设施外，还包括为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等多种用途服务的建筑物。这些综合设施的集合被称为水力发电站枢纽或水利枢纽。^[1]

水力发电站由水工建筑物、流体机械、电气系统及水工金属构件等组成。^[5]

水下建筑物有挡水建筑物、引水建筑物、泄水建筑物和水力发电站厂房（发电建筑物）。^[5]

(1)挡水建筑物：形成低坝，雍高水位，成为有调节能力的水库。挡水建筑物中的支墩坝又分为平板坝、连拱坝和大头坝。土石材料坝分为土坝、堆石坝、上石混合坝。按筑坝材料不同主要分为混凝土坝和土石材料坝两大类。混凝土坝可分为重力坝、拱坝、支墩坝、碾压凝土坝。^[5]

(2)引水建筑物：将水引至水力发电站厂房的建筑物，包括进水口、引水道（或隧洞）、压力前池（或调压室）、压力管道等。^[5]

(3)泄水建筑物：控制泄汛期洪水运行水位，冲沙、排冰、放空水库，将上游的水不通过电站直接向下游泄放，有溢流坝、溢洪道、泄水闸、泄水隧洞、坝身泄水孔等。^[5]

(4)水力发电站厂房：按结构及布置特点分为地面式厂房、地下式厂房、坝内式厂房和溢流式厂房等。^[5]

流体机械的主体是水轮机，它的作用是将水流能量转换为旋转机械能，再通过发电机将机械能转换为电能。流体机械的附属设备包括调速器和油压装置，以及为满足主机正常运行、安装、检修所需要的辅助设备，如进水阀、起重设备、技术供水系统、检修排水系统、渗漏排水系统、透平油系统、绝缘油系统、压缩空气系统、水力测量系统、机修设备等。^[5]

电气系统包括电气一次、电气二次和通信。^[5]

(1)电气一次：具有发电、变电、分配和输出电能的作用。在电站与电力系统的连接方式已确定的基础上，以电气主接线为主体，与厂用电接线以及过电压保护、接地、照明等系统构成一个整体。电气一次的主要电气设备包括发电机、主变压器、断路器、换流设备、厂用变压器、并联电抗器、消弧线圈、接地变压器、隔离开关、互感器、避雷器、母线、电缆等。^[5]

(2)电气二次：对全厂机电设备进行测量、监视、控制和保护，保证电站能安全可靠而又经济地发出合乎质量要求的电能，并在机电设备出现异常和事故时发出信号或自动切除故障，以缩小事故范围。该系统主要包括自动控制、继电保护，以及二次接线、信号、电气测量等。^[5]

(3)通信：保证水力发电站安全运行、生产管理和经济调度的一个重要手段。在任何情况下都要求畅通无阻。^[5]

水工金属构件一般包括压力钢管、拦污栅、清污设备、闸门及启闭设备等。这些金属构件可以用于拦污、清污、挡水、引水、排沙、调节流量、检修设备时隔断水体等。水工金属构件是水工建筑物的组成部分。^[5]

常规水力发电站，又称为大坝式水力发电站或水库式水力发电站，是一种利用天然河流、湖泊等水源进行发电的设施。其工作原理是通过建造堤坝来形成水库，利用水库中的水体储存大量的重力势能。当水流经过大坝一侧的出水口流出时，与水库水平面之间的高度差便形成了扬程、落差或水头，这是水能转换为电能的关键因素。^[3][12]

抽水蓄能电站基本构造包括：上水库、下水库、输水系统、厂房和其他专用建筑物等。^[13]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，从而满足电网调峰等电力负荷的需要。^[3]此外，抽水蓄能电站是目前最常用的大规模储能技术，主要用于电力系统削峰填谷、调频调相和紧急事故备用等。抽水蓄能电站具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期不受限制等优点。但抽水蓄能电站需要合适的地理条件建造水库和水坝，同时具有建设周期长、初期投资巨大等缺点。通常抽水蓄能电站按照有无天然径流分为两类：一是纯抽水蓄能电站，上水库没有或只有很少的天然径流，水体上、下水库间循环使用，主要承担调峰填谷、事故备用等任务，而不承担常规发电等任务；二是混合式抽水蓄能电站，上水库有天然径流，既利用天然径流承担常规发电和水能综合利用等任务，又承担调峰填谷、事故备用等任务。^[14]

潮汐发电是水力发电的一种。在有条件的海湾或感潮口建筑堤坝、闸门和厂房，围成水库，水库水位与外海潮位之间形成一定的潮差(即工作水头)，从而可驱动水轮发电机组发电。^[15]按照水力发电站对天然水流的利用方式和调节能力，可以分为两类。1、径流式水力发电站：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力发电站；2、蓄水式水力发电站：设有一定库容的水库，对天然水流具有不同调节能力的水力发电站。^[3]

坝式水电站是通过在河道上构筑拦河坝或水闸，人为抬高水位以形成水流落差，进而利用输水管道或隧洞将水库中的水引导至发电厂房。在厂房内，水轮机发电机组将水能转换为电能。根据厂房的布置位置，坝式水电站可分为河床式和坝后式两种类型。河床式水电站的厂房直接坐落在河床或渠道上，与拦河坝或水闸呈一线排列或成一定角度。在这种情况下，厂房本身成为坝体或闸体的一部分，共同承受水压。这种设计常见于平原地区，适用于水头较低的水电站，或在具有落差的引水渠道和灌溉渠道中。相对地，坝后式水电站的厂房则位于大坝下游，与坝体分开建造。在这种配置中，厂房不承担挡水的作用，也不承受水压。这种设计更适合水头较高的水电站，因为它允许更大的水流落差，从而提高发电效率。^[16]

引水式水电站通过建设引水道，如渠道或隧洞，将河水引至与进水口有一定距离的下游河道。这种方法在引水道和下游河道之间形成水位差，即水头。电站的厂房通常建在下游河道的岸边。根据引水道中水流的特点，引水式水电站可以分为无压引水式和有压引水式两种。无压引水式水电站的引水道中的水流没有压力，而有压引水式水电站的引水道中的水流则处于压力状态。引水式水电站的建设通常在以下情况下更为有利：当原河道坡度较陡、存在天然瀑布或剧烈的河道弯曲时。进水口处通常会建造一座低坝，其主要作用不是用来增加水头或形成水库以调节流量，而是为了拦截水流，方便取水。在实际工程实践中，无压引水式水电站更常见于小型水电站。这种类型的水电站适用于上游水位变化不大的情况。相反，当上游水位变化较大时，有压引水式水电站则更为合适，因为它可以更好地适应水位的变化，保持稳定的水流供应。^[16]

混合式水电站结合了坝式水电站和引水式水电站的特点。在这种类型的水电站中，水头的一部分是通过建造大坝获得的，而另一部分则是通过引水道实现的。这种设计既能够利用自然地理条件，如河道弯曲、陡峭跌水等地形优势，又能够通过水库调节河水流量，以适应不同的发电需求。混合式水电站的建设通常需要综合考虑多种因素，包括地形、水文条件、环境影响以及经济效益等。通过这种方式，混合式水电站能够实现更高效和灵活的电力生产，同时也能够更好地适应自然界的水文变化，确保电力供应的稳定性和可靠性。^[16]

发电站根据所利用的水头（即水流从水库流向水轮机时的高度差）大小，可以分为高水头、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的规定。部分国家将水头低于15m作为低水头水力发电站，15～70m为中水头水电站，71～250m为高水头水电站，水头大于250m时为特高水头水力发电站。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为中水头水力发电站。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。^[3]

水力发电站根据其装机容量的大小，可以分为三类：大型、中型和小型。国际上通常将装机容量不超过5000千瓦的水力发电站归类为小型水电站，5000至10万千瓦的划为中型水电站，而10万至100万千瓦的则属于大型水电站。那些装机容量超过100万千瓦的则被划分为巨型水力发电站。在中国，水力发电站的被分为五个等级。装机容量超过75万千瓦的被视为一等大型水力发电站，75万至25万千瓦的为二等大型水力发电站，25万至2.5万千瓦的为三等中型水力发电站，2.5万至500千瓦的为四等小型水力发电站，而装机容量低于500千瓦的则归类为五等小型水力发电站。然而，在统计上，通常将1.2万千瓦以下的发电站统一视为小型水电站。^[3]

自然界的水受太阳辐射蒸发变成水汽，升空后形成气流，气流遇冷空气凝结成雨或雪，降至地面又流入江河大海，自然界的水便在大气中不停的循环。因此，从一定的角度说，水源是取之不尽、用之不竭的。利用水能作为水力发电的能源，可以不断的循环使用。与火力发电相比，不用大量的煤，石油或天然气等能源资源，这是其它能源资源无法与水能资源相比的。^[17]

水资源具有多方面的使用价值，如修建一个水库，除发电外，还可以具有防洪，灌溉、航运、养殖以及改善环境和形成游览胜地等多方面的功能。河流的水资源还可按梯级开发，即上游的水经水力发电站引水发电后流入下游，又可在下游各级水力发电站中重复利用。^[17]

电能的生产和消费是同时进行的，故电能不可能大量贮存。相反水力发电站则可以借助于修建水库，贮蓄水能和调节水能，来代替贮蓄电能，这有利于电力系统电量的供求平衡，提高供电的灵活性和经济性。^[17][18]

水力发电站的水轮发电机组具有设备简单，操作灵活，易于实现自动化等优点，而且可以在几分钟内迅速起动投入运行(正常情况下4—5分钟，紧急情况下可缩短到1分钟左右)且增减负荷也十分方便。因此，水轮机组通常可以承担电力系统的调峰，调频和事故备用等任务。火电机组虽然也可实现上述任务，但因设备复杂，起动时间长，且经常需处于热备用状态，存在浪费燃料等问题。^[18]

水电机组生产效率较高，大、中型水力发电站的发电效率约为80~90％，小水电站约为60~70％，而火力发电厂的发电效率仅为35％左右。同时水力发电站发电成本较低，一般约为火电的1/3至1/4。^[18]

火力发电厂在生产过程中会排放出大量的废气，废水和废渣，使附近的水域和环境发生污染。而水力发电站，既无烟气，又无废渣，废水也较少，水力发电站基本上不产生污。此外，修建水库对当地环境和气候能起到一定改善作用。^[18]

水力发电站虽具有上述众多特点，但也存在不足。如水力发电站的土建工程量大，造价比火电厂高，建设周期长，由于受到枯水期的限制还会存在发电不均衡的问题。^[18]

水力发电是低碳电力行业的支柱，比核能的供电量要高55%，比其他可再生能源加起来的总量还要多。截止2024年，水力发电已有百余年的历史，电力工业产业的主要组成部分。最直观的益处便是水力发电解决了许多能源供给问题，以前火力发电耗材量大、成本高，很难大规模采集利用，水力发电则容易许多，只需要通过水位落差配合水轮发电机就能得到源源不断的能量，其产生的能量足以供给整个生活照明和工业生产的电力供给。此外，水力发电提供的是一种无污染的可再生能源，其利用率也是相当高。IEA就曾预测世界水力发电总量在2021-2030年将增长近850TWh。^[10]

中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大。据此，加快西部水力资源开发、实现西电东送，对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，无疑具有非常重要的意义。另外，大力发展水电事业将有利于缩小城乡差距、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入，加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用。水电开发通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展，将把地方资源优势转变为经济优势、产业优势，以此带动其他产业发展，形成支撑力强的产业集群，有力促进地方经济的全面发展。^[4]

未来随着数字化、智能化等技术的应用，水力发电站将向更智能化、更高效化与更安全化发展。中国未来也会聚焦水力发电站的智能建造、智能装备、智能管理等各项关键技术，积极推动水电产业升级，进一步发展清洁能源，加大水电、新能源的开发力度，不断提升水力发电站智能建造和运行管理水平。^[20]

水力发电站存在不稳定的缺点，同时该电站的建设会给当地环境造成一定程度的污染。因此，提高水电利用率和解决环境问题是未来水力发电的两大趋势。水电行业采取抽水蓄能装置可提高电力储能，以解决水电供需时间上的不均衡。同时，致力发展绿色水电也是当前解决环境问题的必然趋势。^[21]