小水电站基本知识.docx

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小水电站基本知识

综述

　　水力发电是清洁、无污染、可循环利用、成本低、效益高、对环境影响小的能源。

对小型水电站，由于其开发规模小，对环境的影响相对于大型水电站对环境的影响更小，所以小水电是一种绿色能源。

　　人类从很早就开始利用水利资源从事农业生产活动，如水车、水磨都是对水力动能或势能的一种利用。

大约在公元前206年至公元8年的西汉王朝后期，中国就有了利用水力舂米的记载。

19世纪末，随着电的发明，人类开始利用水力来发电。

中国大陆最早的水电站是云南螳螂川上的石龙坝水电站，于1912年4月建成通电，水头14m，装机2×240kW。

随着工业增长对电力需求的不断增长以及电力技术的发展，水力发电从早期的小规模、独立运行、近区供电的小水电站发展到大规模、并网运行、跨区供电的大型水电站。

　　所谓小水电是指容量为1.0～0.5MW的小型水电站；容量小于0.5MW的水电站又称为农村小水电。

因此，小水电也包括小小型和微型水电站（虽然小小型和微型电站一般完全局限于为局部地区供电）。

我国在五十年代，一般称500千瓦以下的水电站为农村水电站；到六十年代，小水电站的容量界限到3000千瓦，并在一些地区出现了小型供电线路；八十年代以后，随着以小水电为主的农村电气化计划的实施，小水电的建设规模迅速扩大，小电站定义也扩大到2.5万千瓦；九十年代以后，国家计委、水利部进一步明确装机容量5万千瓦以下的水电站均可享受小水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至几十万千伏安的地方电网。

　　适于建造小水电站的河流很多，开发小水电资源的地点一般都选在经济上最有吸引力的站址。

降雨量、水头和靠近用电中心是小水电站站址必须具备的重要条件。

因此，小水电的开发并不仅局限于资源丰富的地区。

现已建成的水电站的规模大小不等，小的电站的装机容量还不足1MW，大的则超过10000MW。

水电发电的效率为同等规模的热电站的两倍以上。

水电是可再生能源，据初步估算，1993年全世界的水电站为人类提供了约20%的电力，并相应减少了约5.39亿吨的二氧化碳排放量。

相对于大型水电站，小水电对环境气候的影响很小，是符合水电开发和经济持续发展与环境相协调的可再生能源。

而且，山区农村地域辽阔，也不可能完全靠大电网解决农村用电问题。

随着世界各国对环境保护的日益重视，小水电也正受到各国政府的日益重视。

小水电工程简单、建设工期短，一次基建投资小，水库的淹没损失、移民、环境和生态等方面的综合影响甚小。

而且小水电运行维护简单且接近用户，故输变电设备简单、线路输电损耗小。

以上这些优点使小水电在我国和其他发展中国家发展迅速，成为农村和边远山区发电的主力。

现在0.5kW以下的农村小水电，遍布全国1500多个县，并成为其中半数县的主要电力供应来源。

我国小水电资源丰富，主要分布在两湖、两广、河南、浙江、福建、江西、云南、四川、新疆和西藏等。

这13个省区的可开发的小水电资源约占全国90％左右。

小水电基本知识

1．大中小型小电站是如何划分的？

　　按现行部标，装机容量小于25MW的为小型；装机容量25～250MW的为中型；装机容量大于250MW为大型。

2．水力发电的基本原理是什么？

　　水力发电就是利用水力（具有水头）推动水力机械（水轮机）转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械（发电机）随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。

水力发电在某种意义上讲是水的势能变成机械能，又变成电能的转换过程。

3．水力资源的开发方式和水电站的基本类型有哪几种？

　　水力资源的开发方式是按照集中落差而选定，大致有三种基本方式：

即堤坝式、引水式和混合式等。

但这三种开发方式还要各适用一定的河段自然条件。

按不同的开发方式修建起来的水电站，其枢纽布置、建筑物组成等也截然不同，故水电站也随之而分为堤坝式、引水式和混合式三种基本类型。

4．水利水电枢纽工程及相应农工住筑物按什么标准划分等级？

　　应严格按照原水利电力部颁发的《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SDJ12－78执行，按工程规模（水库总容积、电站装机容量）大小来划分等级。

5、什么是流量、径流总量、多年平均流量？

　　流量是指性单位时间内水流通过河流（或水工建筑物）过水断面的体积，以立方米/秒表示；径流总量是指在一个水文年内通过河流该断面水流总量之和，以104m3或108m3表示；多年平均流量是指河流断面按已有水文系列计算的多年流量平均值。

6．小型水电站枢纽工程主要由哪几部分组成？

　　主要由挡水建筑物（坝）、泄洪建筑物（溢洪道或闸）、引水建筑物（引水渠或隧洞，包括调压井）及电站厂房（包括尾水渠、升压站）四大部分组成。

7．什么是径流式水电站？

其特点是什么？

　　无调节水库的电站称为径流式水电站。

此种水电站按照河道多年平均流量及所可能获得的水头进行装机容量选择。

全年不能满负荷运行，在保证率为80%。

，一般仅达到180天左右的正常运行；枯水期发电量急剧下降，小于50％，有时甚至发不出电。

即受河道天然流量的制约，而丰水期又有大量的弃水。

8．何谓出力？

怎样估算水电站的出力和计算水电站的发电量？

　　在水电站（厂）中，水轮发电机组发出的电力功率称为出力，河川中某断面水流的出力则表示该段水能资源。

所谓水流的出力就是单位时间内的水能。

　　N=9.81×QH

　　式中，Q为流量（m3/S）；H为水头（m）；N为水电站出力（W）。

对于小型水电站出力近似公式为

　　N=（6.0～8.0）×QH

　　式中（6.0～8.0）为水轮发电机组的效率系数

年发电量公式为

　　E=N×T

　　式中，N为平均出力；T为年利用小时数。

9．什么是保证出力？

有什么作用？

　　水电站在较长时段工作中，该供水期所能发出的相应于设计保证率的平均出力，称作该水电站的保证出力。

水电站的保证出力是一项重要指标，在规划设计阶段是确定水电站装机的重要依据。

10．什么是装机年利用小时？

　　指水轮发电机组在年内平均满负荷运行的时间。

它是衡量水电站经济效益的重要指标，小水电站年利用小时要求达到3000小时以上。

11．什么是日调节、周调节、年调节和多年调节？

　　日调节：

是指一昼夜内进行的径流重新分配，即调节周期为24小时。

周调节：

调节周期为一周（7天）的。

年调节：

对径流在一年内重新分配，当汛期洪水到来发生弃水，仅能存蓄洪水期部分多余水量的径流调节，称不完全年调节（或季调节）；能将年内来水完全按用水要求重新分配，又不需要弃水的径流调节称完全年调节。

多年调节：

当水库容积足够大的可把多年期间的多余水量存在水库中，然后以丰补欠，分配在若干枯水年才用的年调节，称多年调节。

12．什么是河流的落差和比降？

　　所被利用河流段的两个断面水面的高程差称为落差；河源与河口两个断面水面的高程差称为总落差。

单位长度的落差称为比降。

13.什么是降水量、降水历时、降水强度、降水面积、暴雨中心？

　　降水量是为一定时段内降落在某一点或某一集而面积上的总水量，以mm表示。

降水历时是指降水的持续时间。

降水强度是指单位面积的降水量：

以mm/h此表示。

降水面积是指降水所笼罩的水平面积，以km²表示。

暴雨中心是指暴雨集中的较小的局部区域。

14．什么是水电站设计保证率？

年保证率？

　　水电站的设计保证率是指在多年运行期间正常工作的时段数与总运行时段之比的百分率；年保证率指多年期间正常发电工作年数占运行总年数的百分比。

15．编制设计任务书的目的是什么？

　　编制小型水电站设计任务书的目的是为了能够确定基本建设项目，并作为编制初步设计文件的依据。

它是基本建设程序之一，也是主管部门进行宏观调控的手段之一。

16．设计任务书的主要内容是什么？

设计任务书的主要内容有八个方面：

∙应包括流域规划、可行性研究报告的全部内容。

与初步设计也是一致的，仅在研究问题的深度上有所区别。

∙针对流域内建筑地段的工程地质及水文地质条件进行分析描述，可进行1／50万（1／20万或1／10万）地图的收集，只进行少量地勘工作。

对划定设计方案区的地质条件，基岩可利用深度，河床覆盖层深度，及主要地质问题要弄清。

∙收集水文资料，并分析计算，选定主要水文参数。

∙测量工作。

收集建筑区1／5万、l／1万地形图；施测坝址厂房区1／1000～l／500地形图。

∙进行水文、径流调节计算。

各种水位、水头的选择与计算；近远期电力、电量平衡计算；装机容量，机组机型及电气主结线初步选择。

∙比较选定水工建筑物型式和枢纽布置，进行水力学、结构和稳定计算、工程量的计算。

∙经济评价分析、论证工程建设的必要性及经济合理性评价。

∙工程对环境影响评价、工程投资估算和工程实施计划。

17、什么是工程投资概算？

工程投资估算及工程预行？

　　工程概算是以货币形式编制工程所需全部建设资金的技术经济文件。

初步设计总概算则是初步设计文件的重要组成部分，是考核经济合理性的主要依据。

经批准的总概算是国家承认基本建设投资重要指标，也是编制基本建设计划和招投标设计的依据。

工程投资估算是在可研阶段做出的投资数。

工程预算是在施工阶段做出的投资数。

18．为什么要编制施工组织设计？

　　施工组织设计是编制工程概算的主要依据之一，要按照所确定的施工方法、运输距离、施工方案等多种条件，对号查编单位工程估算表计算单价，是概算最基本的工作。

19、施工组织设计的主要内容是什么？

　　施工组织设计的主要内容是施工总平面布置、施工总进度、施工导流、截流方案、对外交通、建材来源、施工方案及施工方法等。

20．现行水利水电基本建设工程有几个设计阶段？

　　按水利部的要求，应该有流域规划；项目建议书；可行性研究；初步设计；招标设计；施工图设计等六个阶段。

21．水电站主要经济指标有哪些？

∙单位千瓦投资，是每千瓦装机需要的投资。

∙单位电能投资，是每千瓦时电量需要的投资。

∙电能成本，是每千瓦时电量支付的费用。

∙装机年利用小时数，是衡量水电站设备利用程度。

∙电能售价，是每千瓦时电量售给电网的价格。

22．水电站主要经济指标如何计算？

　　水电站主要经济指标按下列公式计算：

　　　　单位千瓦投资=水电站建设总投资/水电站总装机容量

　　　　单位电能投资=水电站建设总投资/水电站多年平均发电量

　　　　装机年利用小时数=多年平均发电量/总装机容量

小水电的定义

　　在中国，小水电系指装机容量25MW及一下的水力发电站和以小水电为主的地方小电网。

　　小水电的容量界限是与我国国民经济的发展相协调的，尤其与我国农村经济的发展和农村用电水平有关。

例如在五十年代，一般称500kW一下的水电站为农村小水电站；到六十年代，小水电的容量界限到3MW，并在一些地区出现了由几个小水电站联起来的小型供电线路，这是中国地方电网的雏形。

六十年代末期，随着县、社工农业用电量和经济实力的增长，国家及地方设备制造能力的加强，小水电站的容量界限上升到12MW，并形成了统一调度的县电网，电网电压等级多在35kV以下。

八十年代以后，随着以小水电为主的农村电气化计划实施，小水电的建设规模迅速扩大，小水电站建设容量也不断增大，并开始建设110kV的地方电网，小水电站的定义也扩大到25MW。

九十年代后，国家计委、水利部进一步明确装机容量50MW以下的水电站均可享受小水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至二十几万kVA的地方电网。

在划分小水电容量中，主要考虑了以下三个主要因素：

1.用电负荷需要。

小水电主要供县、乡工业企业和广大农村用电。

目前我国农村用电水平还较低，一般中等县的用电水平只有几十MW左右，因此，不可能把小水电的容量定义得太大。

2.地方办电能力。

小水电主要由县、乡、村三级兴建，采用民办公助办法，建设资金主要靠地方各级自筹解决，国家只补助一部分，一座10MW的小水电站，需投资近亿元，即使国家有些补助，地方自筹也是很重要的。

3.机组设备的选择。

在一个小水电站内，通常选用规格型号相同的两台水轮发电机组。

因为采用一台机组，遇机组检修或发生故障时，电站就只能停止发电；如果采用多台机组时，往往又要增加机电设备和厂房土建费用，而且建成后也要增加机组运行人员。

因此，从经济上考虑，往往采用两台机组。

同时根据我国小水电机组产品系列规格，当选用两台单机为6MW机组，总装机容量则为12MW。

因此，当时将小水电的容量定为12MW以下。

这对设备制造、电站设计、地方办电能力和农村用电水平等各方面都是比较适合的。

　　随着我国国民经济的发展，农村用电水平不断提高，小水电装机容量也不断扩大。

总结国内外经验可以看出，小水电容量的范围关系到能否促进小水电的发展。

总的趋势是，小水电容量在随着地方经济的发展而不断增大。

各国小水电的容量定义

国家或国际组织名称

分　　类（kW）

微型（Micro）

小小型（Mini）

小型（Small）

国际小水电有关会议

<100

101-500

501-10000

拉美能源组织

<50

51-500

501-5000

中国

<100

101-500

500-25000

水力发电与筑坝杂志

50-100

300-5000

10000-50000

秘鲁

5-50

51-500

菲律宾

<15000

罗马尼亚

5-5000

瑞典

<100

101-15000

泰国

<200

201-6000

6001-15000

土耳其

<100

101-1000

1001-5000

美国

<500

501-2000

<15000

哥伦比亚

<20000

印度

<100

<2000

<15000

马来西亚

<25

25-500

<5000

尼泊尔

<50

<500

<5000

巴拿马

<100

101-1000

1001-10000

厄瓜多尔

<50

51-500

501-5000

玻利维亚

<100

101-1000

多米尼加

<100

101-1000

1001-5000

前苏联

<30000

越南

<50

51-500

501-5000

日本

<10000

法国

<500

501-2000

2001-8000

新西兰

<10000

<50000

印度尼西亚

<5000

津巴布韦

5-500

501-5000

挪威

<10000

希腊

<100

101-1000

1001-15000

波兰

<100

101-1000

1001-15000

芬兰

<200

201-2000

<20000

英国

<1000

瑞士

<300

301-2000

斯里兰卡

<1000

加拿大

<1000

1001-1500

阿根廷

<1000

小水电的分类和开发方式

　　按传统的方式，水电站系根据其集中水头的方式来分类，有坝式（包括河床式和坝后式）、引水式和混合式。

　　中国的小水电站多半为引水式，如利用天然瀑布、急滩、河段跌水、河流弯道、高山湖泊、跨流域引水等，这是利用山区小河自然坡降的一种较为经济的开发方式。

坝式和混合式电站数量较少，但因其有调节水库，往往成为梯级开发或地区供电中的骨干电站。

单纯发电的坝式电站一般造价较高，但综合利用枢纽中的坝式电站，在投资分摊后，仍相当经济。

小水电特点

　　小型水电站一直受到人们的重视，而且现在也确实处于较为突出的位置，其原因是：

1.施工周期短、总投资低、运行维护简单、寿命长、坚固耐用、电价稳定，并且水资源是可再生的。

对于用电规模较小的边远地区来说，小型水电站成为最具有吸引力的选择对象；

2.拥有连接电厂和用电中心的输电网的地区并不多。

许多地区，特别是在发展中国家，还必须依赖就地供电的小型发电厂供电；

3.几乎处处都有可以用来发电的小河流；

4.一般来说，小型水电站造成的环境影响远小于大型水电站，是一种可持续发展的绿色能源；

5.当把河水用于其他目的时，如灌溉、防洪、供水等，如能同时规划建设小水电站，则在经济上将更有吸引力；

6.在有条件的地方，可把小型水电站作为局部地区的供电能源。

如条件许可，小型电站也可并入公用供电网；

7.对已有的年代较早的小水电站进行技术改造，可以取得较好的经济效益。

　　当今的小水电技术是已经得到充分验证的成熟技术。

电站的规划建设相对简单，建设工期短，并可大量地利用当地的劳动力和材料。

现有的并已经过实践验证的电站设计方案，无论是规划建设方面的，还是运行管理方面的，均可广泛适用于各地的不同的条件。

小水电站运行方式多种多样，既可是简单的人工操作，也可以是全自动的计算机化控制。

　　小水电站开发在土建工程方面的工作主要是建筑大坝、溢洪水道或引水堰及通向电厂的水道。

水通过水道流到电厂，电站依靠水轮发电机组将水的位能和动能转换成电能。

为降低造价，小水电站一般都是径流式电站，利用的是自然水流，没有蓄水库。

对于小型水电站项目来说，建设大坝是不合算的，筑坝建库通常是用于防洪和灌溉的目的，因此，通常只建造最简单的矮坝或引水堰。

　　小水电站在规模上没有优势，单位装机容量成本较高。

在目前，500～10000kW的电站投资成本约为1500～4000美元/kW。

在某些特殊情况下，成本可能还会更高些。

在站址条件特别好的地方，或者当地的投入较为低廉时，成本可能会低一些。

一般来说，每干瓦装机容量的项目成本与装机容量和水头成反比。

但各个设计参数一般是根据当地的条件确定的，可变更的余地较小。

如果在一个现有的供水或灌溉系统上增加发电系统，往往花费不多。

因此，今后应发展多用途项目，它可很好地成为以后增扩的小水电站的主要平台。

对于再小一些的水电站，则更需要重点研究如何降低成本，甚至要不惜牺牲运行效率来达到降低成本的目的。

对于那些并非十分重要的功能，则应舍去，并要尽可能就地取材。

　　在选择控制装置时，需要在装置的复杂性和成本二者之间进行折衷，而且选择时还要考虑当地拥有什么样的技能。

如果想采用简单的人工控制来获得满意的效果，就需要操作人员具有相当高的技能。

而高度自动化的电站，重点则是在维护方面，并且需要有足够的备份部件，这就需要更多地依靠外地或国外的支援和进口设备。

然而，小水电站的容量为三类：

微型（小于100kW），小小型（100-1000kW）和小型（1000-10000kW）。

对于容量很小的微型电站来说，设计越简单，控制系统就越简单，经济上也就越有生命力，如微型整装机组将水轮机和发电机结合在一起，甚至把控制器也设计在整装机组内，只要接上水管就可以发电了；而对于容量大些的小水电站来说，由于要确保电站有比较复杂和完善的保护和控制装置，因此投资就大。

如果为水电站建造蓄水库，就可以根据用电市场的要求来调节向电站的供水量，从而克服因河流水量的季节性变化而带来的问题。

这样就可以更好地根据实际的用电需求来设计电站的装机容量。

对于径流式电站来说，由于没有大的蓄水设施，其可靠容量就是低水量时的容量，只占装机容量的一小部分。

在这种情况下，所发出的电的价值只相当于被其替代的能源的价值。

尽管如此，如果仅仅为一个小水电站建造蓄水库，在经济上是不合算的。

　　如果小电站能够就地供电，其经济价值就可得到提高。

否则，解决输电问题将会占去电站项目投资的相当一部分资金。

如果要建新的专用输电网，情况更是如此。

如果输电费用变成电站投资的重要组成部分，就会使电站项目的成本明显上升。

小水电现状

　　首先介绍一下整个水电开发的现状。

小水电从容量角度来说处于所有水电站的末端。

在1990年，水电站占全世界电站总装机容量的22.9％，但综合的输出只占全世界总供电量的18.4％。

大部分水电站的设计发电能力都超过实际平均水流量需要的发电能力。

相当数量的水电站并入输电网是为了在用电高峰时提供电力。

另外，在所有的情况下，为了适应河流水量的变化及充分利用水流，在设计电站的容量时，都需要留有余量。

但这样做使水电站平均年因数或容量因数下降到39.3%，而其他常规能源电站的平均容量因数为51.6%。

下表列出的是1992年8月出版的"水电与大坝建造"手册发表的1991年各地区水电站容量与发电量的统计数字。

全球水电容量与发电量

地区

容量（GWe）

发电量（TW·h）

北美

133.7

579.8

拉美

94.0

390.0

西欧

136.7

405.3

东欧和独联体

82.3

260.2

中东/北非

13.1

40.2

撒哈拉沙漠以南非洲

16.5

45.1

太平洋

12.1

38.7

中国

37.9

124.8

亚洲

100.7

397.4

总计

627.0

2281.2

　　在当今的水电发电量中，工业发达国家占2/3，发展中国家占1/3。

下表列出的是根据1992年"水电与大坝建造手册"提供的统计数字及俄罗斯分析家为世界能源理事会可再生能资源研究会提供的补充资料得出的各地区的小水电站（10MW以下）的容量和发电量的统计数字。

1990年小水电容量与发电量

地区

容量（GWe）

发电量（TW·h）

北美

4302

19738

拉美

1113

4607

西欧

7231

30239

东欧和独联体

2296

9438

中东/北非

45

118

撒哈拉沙漠以南非洲

181

476

太平洋

102

407

中国

3890

15334

亚洲

343

1353

总计

19503

81709

　　据估算，1990年小水电站的总装机容量约为19.5GW，约为世界水电站总容量的3.1%。

小水电站的年发电量为81.7TW·h。

这些估算数字表明，小水电占水力发电总量的3.8%。

　　中国有丰富的水力资源，可开发量达3.78亿kW，其中小水电开发量0.75亿kW。

小水电资源分布也很广泛，在全国2166个县（市）中有1573个县有可开发小水电资源，其中可开发量在10-30MW的县有470个，30-100MW的县有500个，超过100MW的县有134个。

自1912年中国大陆建成第一座小水电站--云南石龙坝水电站，至1949年，中国小水电站总装机容量仅为3.7MW。

新中国成立以后，中国政府十分重视水电尤其是小水电的开发，从解决山区农村用电，结合农村小型水利工程建设、利用当地丰富的小型水利资源出发，积极帮助和扶持广大山区结合当地水利建设兴办小水电站。

1979年以后，小水电在中国得到更快的发展，到1994年底，全国有小水电站47314处，机组70057台，装机容量1577.53万kW，年发电量508.66亿kW·h，分别为同期全国水电总装机容量的33%和发电量的29%。

1994年共新增小型水电站1018处，机组1920台，装机容量93.85kW。

在全国2166个县中，有793个县以小水电供电为主，而且以小水电为依托建立了近800个县和跨县电网，其中跨县电网有42个（见下表）

　　由于小水电在解决农村能源供应，改善农村自然环境，扶贫及促进农村经济发展中的重要作用，使得小水电在我国农村获得了很大的发展，并引起了国内外舆论的高度关注。

鉴于中国小水电发展的成就，1981年在中国杭州建立了亚太地区小水电研究培训中心，1998年联合国开发计划署（UNDP）又正式把国际小水电中心设在中国，这表明中国的小水电已从中国走向世界。

下表是有关中国小水电的发展情况。

中国农村小水电开发情况（1996）

地区

可开发（MW）

已开发（MW）

比例（%）

年发电量（GWh）

全国

71,870

19,200.