浅析水力发电工程建筑物及其作用
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作者: 潘黎
摘要：水力发电工程是利用水能资源发电的场所，是水、机、电的综合体。其中为了实现水力发电，用来控制水流的建筑物称为水电站建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。本文主要介绍水力发电工程及各种建筑物在其中的作用。
关键词：水力发电 转换 建筑物
1、水力发电的转换原理
水电站其实是利用了太阳能和重力。利用太阳能将水从低处经蒸发后“运”到高处，地球的重力使水的重力势能转化为动能。人们通过建水电站将机械能转化为电能供人们使用，是一个间接利用太阳能的装置。
在天然河流上，修建水工建筑物和控制设备，集中水头，通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中，使水能转换为旋转机械能，带动发电机发电，由输电线路送往用户。这种利用水能资源发电方式称为水力发电。
2、水力发电工程
2.1定义
水力发电工程包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。利用这些建筑物集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。
2.2作用
水电站一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。
2.3 类型
按照水电站利用水源的性质，可分为三类。①常规水电站：利用天然河流、湖泊等水源发电；②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潮汐电站：利用海潮涨落所形成的潮汐能发电。
在水电站工程建设中，还常采用按水电站的开发方式、按水电站利用水头的大小和按水电站装机容量的大小等分类方法。
3、水力发电工程建筑物及其作用
3.1 水力发电工程建筑物
通常用坝拦蓄水流、抬高水位形成水库，并修建溢流坝、溢洪道、泄水孔、泄洪洞（见水工隧洞）等泄水建筑物宣泄多余洪水。水电站引水建筑物可采用渠道、隧洞或压力钢管，其首部建筑物称进水口。水电站厂房分为主厂房和副厂房，主厂房包括安装水轮发电机组或抽水蓄能机组和各种辅助设备的主机室，以及组装、检修设备的装配场。副厂房包括水电站的运行、控制、试验、管理和操作人员工作、生活的用房。引水建筑物将水流导入水轮机，经水轮机和尾水道至下游。当有压引水道或有压尾水道较长时，为减小水击压力常修建调压室。而在无压引水道末端与发电压力水管进口的连接处常修建前池。为了将电厂生产的电能输入电网还要修建升压开关站。此外，尚需兴建辅助性生产建筑设施及管理和生活用建筑。
(1)溢流坝：溢流坝一般由混凝土或浆砌石筑成。按坝型有溢流重力坝、溢流拱坝、溢流支墩坝和溢流土石坝。后者仅限于溢流面和坝脚有可靠防护设施、单宽流量比较小的低坝。和厂房结合在一起，作为泄洪建筑物的坝内式厂房溢流坝、厂房顶溢流和挑越厂房顶泄流的厂坝联合泄洪方式，可用在高山狭谷地区，是宣泄大流量时，解决溢洪道和电站厂房布置位置不足的一种途径，也是从溢流坝发展起来的新形式。
(2)溢洪道：用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水，保证坝体安全的开敞式或带有胸墙进水口的溢流泄水建筑物。
(3)泄水孔：进口有一定淹没深度的坝体泄水建筑物。可供泄洪、预泄库水、放空水库、排放泥沙或施工导流。泄水孔一般设置在混凝土坝和浆砌石坝，如重力坝、拱坝、支墩坝的体内。需有闸门控制，可随时提闸放水。
(4)泄洪洞：用于引水或泄水的隧道。按其功用分为：引水、输水隧洞；导流、泄洪隧洞；尾水隧洞；排沙隧洞；
3.2 机电设备
将水能转变为电能的机电设备称水电站动力设备。其在常规水电站和潮汐电站为水轮机和水轮发电机组成的水轮发电机组，及附属的调速器、油压装置、励磁设备等。抽水蓄能电站的动力设备为由水泵水轮机和水轮发电电动机组成的抽水蓄能机组及其附属的电气、机械设备。水电站的电气装置除水轮发电机及其附属设备外，还包括发电机电压配电设备、升压变压器、高压配电装置和监视、控制、测量、信号和保护性电气设备等。
(1)水轮发电机组：由水轮机和发电机组合而成的发电动力装置。设置在水电站中，执行把水能转换成电能的功能。机组中水轮机作为原动机，它利用水的能量运转，驱动发电机发电。常用的水轮机有冲击式、反击式、贯流式和可逆式。发电机则均采用同步发电机。由于水电站的自然条件和工况各异，水轮发电机组的容量和转速变化范围很大。可按其尺寸大小和结构特征划分其容量和转速。
(2)调速器：用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。它可使机器转速保持定值或接近设定值。水轮机、汽轮机、燃气轮机和内燃机等与电动机不同，其输出的力矩不能自动适应本身的载荷变化，因而当载荷变动时，由它们驱动的机组就会失去稳定性。例如当汽轮机发电机组的馈电量突然减少时，汽轮机轴上的阻力矩将急剧下降,如不及时调节汽轮机的进汽量,则机组将加速运转，改变发电频率，导致机组损坏。这类机组必须设置调速器，使其能随着载荷等条件变化，随时建立载荷与能源供给量之间的适应关系，以保证机组作正常运转。调速器的理论和设计问题，是机械动力学的研究内容。
(3)油压装置：油压装置的功用是为各种设备提供压力能源，目前广泛用于水轮机组调速系统和机组控制系统,大型水泵站以及进水阀门、空放阀等，其他需用压力能源的地方均可选用。此类油压装置分为组合式和分离式两种，即回油箱和压力罐组合安装为组合式、分别安装为分离式。
(4)励磁设备：励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。励磁装置可以单独提供，亦可作为发电设备配套供应。
3、结束语
中国已建成诸多常规水电站、抽水蓄能电站和潮汐电站。今后在水力资源丰富而又未充分开发的国家，常规水电站的建设将稳步增长。大型电站的机组单机容量将向巨型化发展。同时，随着经济发展和能源日益紧张，小水电将受到各国的重视。由于电网调峰、调频、调相的需要，抽水蓄能电站将有较快的发展。而潮汐电站和波浪能电站的建设由于受建站条件及造价等因素制约，在近期内不会有大幅度的增长。各类电站的自动化和远动化将进一步完善和推广。
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