【正文】 ， 我們就能充分地 、合理地分配和利用水力資源 ， 使各個經濟部門都能得到應有的發(fā)展 。 但是在某些方面它們之間的利益也可能發(fā)生矛盾 。 在此情況下 ，我們就只能根據(jù)統(tǒng)籌兼顧的原則 ， 妥善地解決防洪和發(fā)電蓄水的矛盾 。 例如我國永定河上的官廳水電站 ， 是一個綜合利用的水利樞紐 。 總的來說 ， 河流綜合利用的效益是巨大的 。 河流的梯級開發(fā) 河流的梯級開發(fā) ， 就是把河流象通常的階梯那樣分成很多級來開發(fā) 。 在流域規(guī)劃中，根據(jù)綜合利用原則和水文、地理、地質等自然情況進行河流的梯級開發(fā)，選定壩址，決定壩高，以獲得一定的效益。相反，如在巖石堅硬，地形陡峻的峽谷段，就要考慮建筑高壩或引水道式的高水頭水電站。調節(jié)水庫的位置很重要，如太偏上游，控制的面積就太小，流量不大，調節(jié)作用不顯著；如位于下游，上游的一系列水電站就得不到調節(jié)的好處。象黃河干流的 46個梯級開發(fā)中就有三個大水庫，分布在三個河段上，中間并有一系列的中小型水庫，互相配合，就可得到最大的攔洪和調節(jié)流量的效果。 在研究和選擇河流的梯級開發(fā)時 ， 一般要考慮以下幾個因素： ★ 符合綜合利用的原則 ， 最大限度地滿足各經濟部門的要求 。 ★ 使全部梯級造成的總淹沒損失最小 。 第二章 水電站布置方式及設備概述 1． 水電站建筑樞紐的組成 無論發(fā)電 、 灌溉或任何一種水利事業(yè) ， 都需要修建水工建筑物 ， 以控制和支配水流 。 如果水利樞紐是以發(fā)電為主要目的 ， 也可稱為水電站建筑樞紐 。 它是樞紐中重要組成部分之一 。 （ 2） 泄水建筑物 其功用是渲泄水庫中多余的水 ， 保證水電站建筑樞紐中各建筑物的安全 。 泄水建筑物可建于壩上或壩旁 。 渠道 、水槽 、 水管 、 隧洞等都屬于此類建筑物 。 裝設水輪發(fā)電機組的場所為主廠房 ， 裝設附屬設備 、 電力儀表及機檢修工廠等的場所為副廠房 。 它和樞紐總布置 、 出線走廊 、 送電方向 、 出線回路數(shù) 、 出線電壓等級及相關電器設備有關 。 (6) 其他建筑物 為了其它目的 ， 有時在水電站建筑樞紐中還筑有專門建筑物 。 自然條件是復雜的 ， 因而每一個水電站樞紐都各有其特殊性 。 2．水電站的布置方式 如在一較短的河段上有集中的水位落差 ， 就可以最有效地利用水流能量 。 一般要利用分布在一段長距離上的河川落差 ， 這需要人工將落差集中 。 ★ 堤壩式水電站的布置方式 ★ 引水式水電站的布置方式 ★ 混合式水電站的布置方式 堤壩式水電站的布置方式 在這種布置方式中 ， 水頭主要靠壩造成 ， 如圖 2所示 。 此時就形成可利用的水頭 H， △ H為水頭損失 。 這種布置方式 ， 不可避免地引起淹沒 。 如果淹沒較大的居民區(qū) 、 重要的工礦企業(yè)和交通要道等 ， 有時雖然淹沒面積不大 ， 但仍是不經濟的 。 圖 2 堤壩式水電站的布置圖 圖 3 堤壩式水電站樞紐布置圖 （圖中： 1 — 攔河壩， 2 — 發(fā)電廠房 3 — 船閘） 堤壩式水電站由于在堤壩上游形成了水庫 ， 又可以利用水庫中的存水進行水量調節(jié) 。 引水式水電站的布置方式 引水式水電站的水頭主要靠坡降很小的引水道造成 。 很顯然 ， 這種布置方式是由明渠來造成水頭的 ， 壩的作用只是將水引入明渠中去 ， 對增加水頭不起顯著作用 。引水式水電站樞紐布置見圖 5。 由于這種水電站引用的流量不會太大 ， 發(fā)電規(guī)模往往比堤壩式水電站要小 ， 一般都屬于中小型水電站 。 這種布置方式具有堤壩式和引水式布置的優(yōu)點 。 同時這種布置方式可形成較大的水庫來進行河流的水量調節(jié) 。 圖 6 混合式布置示意圖 上述三種布置方式實際上是最常用的 ，同時也是最簡單的 。 但是引水渠道 （ 或隧道 ） 和壩在這些布置中仍是集中水頭的主要建筑 。 水力機械設備 水力機械設備包括水輪機 、 水輪發(fā)電機 、 調速器 、 勵磁裝置和進水閥門 ， 以及各種水泵 、 油泵 、 空氣壓縮機 、 起重設備 、 通風和采暖設備等 。 （ 1） 水輪機 是將水能轉變?yōu)檗D動主軸的機械能 。 （ 2）水輪發(fā)電機 是將水輪機的機械能轉化為電能，然后送入電力系統(tǒng)。 （ 3） 調速器 用于控制水輪機的轉速 ， 方法是：采用混流式水輪機時改變導葉的開度；采用軸流或貫流式水輪機時改變導葉和輪葉的開度；采用水斗式水輪機時改變針閥和折向器的開度 。 （ 4） 勵磁裝置 用以向發(fā)電機提供磁場電流源 。 事故時應進行強行勵磁 、 強行減磁或滅磁 ， 以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 進水閥門的用途：在機組檢修和長期停機時 ， 關閉閥門以減少導葉縫隙漏水造成氣蝕損壞；在導水機構因故障不能關閉時 ， 關閉閥門以防止機組飛逸 。 有的廠房安裝二臺起重機 ， 而在吊運轉子和其他過重部件時由二臺起重機聯(lián)合作業(yè) 。 如在水輪機室內進行檢修工作時往往需要安裝沿環(huán)形軌道滑行的電葫蘆 ， 以保證水輪機室內全部范圍內的起重作業(yè) 。 它的主要作用是發(fā)電 、變電 、 靈活地匯集和分配電能 ， 安全 、 經濟地送電 。 同步水輪發(fā)電機的電壓相對較低 ， 一般為 至 24kV。 容量在 10萬 kVA以下時可采用明式母線 ， 容量更大時則采用封閉母線或特制電纜 。 由于 SF6 全封閉組合電器占地面積小 ， 不受氣候條件的影響 ， 不產生無線電干擾 、 無靜電感應問題 ， 有良好的運行性能 ，因而有著廣闊的發(fā)展前途 。 它的主要作用是監(jiān)視 、控制電氣一次系統(tǒng)的運行 ， 保證電能質量 ， 并在電氣設備出現(xiàn)異常和故障時自動發(fā)出信號或切除故障 ， 以縮小事故范圍 。 電氣二次系統(tǒng)的控制裝置所用直流操作電源 ， 由專門的變壓器和備用蓄電池組供給 。 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和大容量水電站的建立 ， 要求采用電子計算機 ， 在基礎自動化工作和自動化元件日臻完善的情況下 ， 逐步實現(xiàn)全電站的綜合自動化 。 金屬結構 水電站的金屬結構由攔污柵 ， 工作閘門 、 檢修閘門和壓力輸水管道等組成 。 水電站進水口上的攔污柵 ， 用以阻攔污物進入輸水管道 ， 以防護水輪機 、 閥門 、 管道不受損壞 。 檢修閘門多采用活動式啟閉機操作 ， 門體平時存放于門庫 。 壓力輸水管道多采用焊接壓力鋼管 ， 它適用的水頭范圍很廣 ， 可由幾十米至一千多米 。 （ 1） 技術供水系統(tǒng) 用于向機組部件和熱交換器 （ 冷卻器 ）及保證機組正常運行所必需的其他設備供水 。 技術供水系統(tǒng)的運轉安全程度 ， 決定著水電站的運行可靠性 ，因而往往需考慮主用和備用水源 。 技術供水系統(tǒng)除所要求的流量和壓力外 ， 還應保證水質足夠清潔 。 （ 2） 壓縮空氣系統(tǒng) 保證水電站水力機械設備和電氣設備所需的壓縮空氣 。 壓縮空氣系統(tǒng)由空氣壓縮機 、 貯氣罐和耐壓風管組成 。 （ 3） 壓力油系統(tǒng) 由貯油設備 、 油處理設備和管網組成 。 水電站用油以汽輪機油和變壓器油用量最大。絕緣油庫一般布置在主廠房外，靠近主變壓器或開關站。 （ 4） 排水系統(tǒng) 用于機組檢修時 ， 需排除在壓力水管 、蝸殼 、 尾水管內的積水 。 計算水泵機組向下游排放積水的能力 ， 以不超過 4～ 8小時為限 。 （ 5） 為了安裝 、 檢修機組和其他設備 ， 在設計水電站時應考慮配置 機械修配設備 ， 其品種 、 數(shù)量按電站裝機容量 、 臺數(shù) 、 水輪機直徑等因素確定 。 ◆ 電站交通方便 ， 據(jù)城市較近或附有協(xié)作廠時 ， 設備可酌情減少 。 （ 6） 為使電站安全 ， 經濟運行和收集科研資料 ， 電站設有 水力測量監(jiān)視系統(tǒng) 。 機組測量：攔污柵前后水位差及堵塞信號 、 鋼管爆破保護 、 水輪機流量 、 凈水頭測量 ， 水輪機流道的壓力 、 氣蝕測量等 。 一般應按有關設計標準 、 規(guī)范要求 ，并結合水電站廠房的特點進行合理的設計 。 中央控制室應采用比主廠房標準高的通風設施 。 廠內通信包括生產調度和生產管理通信 ， 系統(tǒng)通信用于對外通信及防汛通信等 ， 一般由電力線載波 、架空地線載波和微波中繼通信等幾種方式構成 。 反擊式水輪機 反擊式水輪機主要是利用水流的壓力能 （ 位能 ）來做功 。 這樣使轉輪葉片的正背面形成了壓力差 ， 構成轉動力矩的條件 ， 促進轉輪轉動 。 圖 1 反擊式水輪機示意圖 1） 混流式水輪機 其水流是從水平方向 （ 徑向 ） 流進轉輪 ， 經過葉片 ， 轉為垂直方向 （ 軸向 ） 流出 。 混流式水輪機應用普遍 ， 運行穩(wěn)定 ， 效率較高 ， 多用于中水頭和中等流量的水電站 ， 一般適用凈水頭 30700m。 這種型式水輪機在 1912年由捷克人卡普蘭首次采用定槳式水輪機 ， 1916年卡普蘭研制成功轉槳式水輪機 ， 所以在國外也稱為 Kaplan式 。 3） 斜流式水輪機 其水流是與水平方向成一定角度流入轉輪 ， 經葉片后再以垂直方向流出 。 斜流式水輪機適用凈水頭在 40120m。 這種型式水輪機過流量大 ， 效率較高 ，水力損失小 ， 但對密封 、 絕緣要求高 ， 一般適用凈水頭 小于 20m。 水流從噴嘴射出 ， 形成一股呈水柱狀的高速射流 ， 沖擊轉輪使之轉動 。 根據(jù)水流噴射條件和轉輪結構的不同 ， 沖擊式水輪機可分為水斗式 、 斜擊式和雙擊式三種型式 （ 如圖 2） 。 尾水渠的水面為大氣壓力 。 水斗式水輪機多用于小流量 、 高水頭的水電站 ， 適用凈水頭 3001700 m。 水流從斗葉一側進入 ， 由另一側流出 。 水斗式的噴嘴與轉輪是在同一平面上 ，而斜擊式的噴嘴與轉輪的回轉平面形成一個角度 ， 一般為 。 3） 雙擊式水輪機 其高速水流噴射在轉輪的上部葉片 ， 進行第一次射擊 ， 水流經過上部葉片流向中心再流入轉輪下部葉片 ， 對下部葉片進行第二次射擊 ， 故稱為雙擊式 。 水輪機基本工作參數(shù) 水輪機基本工作參數(shù)是表明水輪機對水流能量利用的特性值 ， 包括 7個有因次量：出力 N (kW)、 流量 Q (m3/s)、 水頭 H (m)、 額定轉速 n (r/min)、 飛逸轉速 np (r/min)、 轉輪名義直徑 D1 (m)和允許吸出高度 hs (m)。 1） 出力 水輪機出力是水輪機軸上向外輸出的機械功率 ，用 N表示 ， 一般采用單位為 kW， 可由下式求得： N ＝ γQHη/102 = (kW) 式中 η — 水輪機效率 2） 流量 單位時間內通過水輪機的水流體積 ， 稱為水輪機流量 ， 用 Q表示 ， 一般采用單位為 m3/s。 3） 水頭 水電站上游水位與下游水位之差 ， 稱毛水頭 。 根據(jù)電站自然條件不同 ， 水輪機工作凈水頭在一定范圍內變化 ， 有的水電站最大與最小凈水頭變幅可達 2倍或更大 。 設計凈水頭是水輪機達到額定出力時最小凈水頭 。 4） 轉輪名義直徑 水輪機的幾何尺寸是以轉輪的名義直徑（ D1） 為表征的 ， 一般采用單位為 m。 5） 額定轉速 額定轉速是水輪機軸每分鐘旋轉的次數(shù) ， 用 n表示 ,一般采用單位為轉 /分 。 7） 效率 水輪機效率等于水輪機軸上的出力與進入水輪機的水流出力之比 。 8） 氣蝕系數(shù) 水輪機的汽蝕性能用氣蝕系數(shù) σ 表示 ， 它是轉輪葉片動力真空與工作水頭的比值 。 （ 9） 允許吸