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[摘 要]众所周知，水力发电是一种节能、环保的发电技术，为我国的电能供应贡献着巨大的作用。而我国的发电方式也是种类繁多，可以说各有各的特色和优势，但是从整体上来看，水力发电的性价比最高。本文详细介绍了水力发电的原理，并对发电机和水轮机做了详细的介绍，重点就水力发电和其他发电方式做了比较，希望通过文章的分析能够使人们对水力发电能够更加了解，也希望促进其更好地发展，从而为百姓造福，为社会造福。
[关键词]水力发电；水轮机；发电机；优势比较
中图分类号：V984.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0341-02
引言
我国的社会经济在近年来得到了快速发展，与之相适应的对于电能的需求也在不断加大，使得煤炭资源被大量应用，煤炭资源不断减少，呈现出用量紧张的趋势，火力发电不能满足日趋加大的用电需求[1]。所以必须改变我国的能源结构，利用更多新能源来进行发电，这是电力行业需要考虑的问题。而我国已经开始尝试利用光电、风电和核电等方式来发电，并取得了良好的效果，而其中水利发电的优势比较显著，发电条件便利、技术成熟、经济效益高等，所以是重点开发的对象，进一步加大对水力发电的研究力度，有利于推动其更好的应用，这也是文章所要探讨的重点问题。
1 发电机
发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备[2]，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有廣泛的用途。
1.1 发电机基本参数
1）基本尺寸大小。
发电机主要尺寸有转子直径D、长度￡及磁石的固定方式。一般发电机的体积与发电量成正比，因此：
式（1）中：为发电量；K为系数，与线圈匝数、转速、磁材及动态性能有关，具体选用可参照手册。
2）感应电压。
同步发电机在稳定运转下，转速与级数会成反比关系，如下式：
式（2）中： 为转速发电量；厂为频率。
三相同步发电机以一定转速驱动转子磁场旋转，定子线圈会产生感应电压，可由法拉第定律得知：
式（3）中：E为每相感应电压的有效值；Ⅳ为每相匝数；为磁通的最大值[3]。
1.2 发电机的转子结构
1）转轴
转轴是由高强度且高导磁的铬镍钼钒整体合金锻钢制成。转轴在另一个角度是属于定子的，但和转子的联系也很紧密。
2）绕组
绕组由线圈、槽内绝缘及固定件、端部绝缘及固定件和引出线等组成。线圈由于其重要性，也是由高强度的材料制造而成。保证这个发电机的顺利工作。
3）转子护环
转子护环是由高强度的无磁性的合金铸造而成的，在护环和转子本体和中心环的连接处都有特定的环键，用来防止轴向位移。
4）阻尼系统
发电机转子的每极表面上有两个阻尼槽，槽内有阻尼条，作用是使感应电流能够成功通过横向槽。
2 水轮机
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。现代水轮机大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电[4]。
2.1 水轮机的工作参数
1）工作水头：又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位差。
2）流量：表示水流在单位时间内通过水轮机的体积。
3）功率：输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水轮机的出力。
4）效率：通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。
5）转速：水轮机轴每分钟转动的圈数，称为水轮机的转速，单位为r/min。设计时选定的稳态转速称为水轮机额定转速[5]。
我国电网的额定频率为50HZ，水轮机额定转速为
式中：P——发电机磁极对数
2.2 水轮机的工作原理及分类
水轮机按转轮水流方向可分为反击式，冲击式和可逆式，水轮机的类型及应用水头范围如表1所示。
2.3 水轮机的效率及最优工况
2.3.1水轮机的效率
水轮机的能量损失导致N < Ns，效率η<1。效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成。
1）水力损失及水力效率
蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失
旋涡、脱流、撞击——局部损失
水轮机的水力效率[7]为：
2.3.2 流量损失及流量效率（容积效率）
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。
容积效率：
2.3.3 机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：Ne；
输出功率：N=Ne-ΔNm
机械效率：ηm=N/Ne
水轮机的总效率：
提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。
2.3.4 水轮机的最优工况
水轮机的最优工况是指η最高的工况。一般情况下，对η起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大[8]。
水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳定性和空蚀性能也好。因此，在实际运行中，水轮机的运行工况范围均有一定限制。
3.水力发电
水力发电过程其实就是一个能量转换的过程。通过在天然的河流上，修建水工建筑物，集中水头，然后通过引水道将高位的水引导到低位置的水轮机，使水能转变为旋转机械能，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现从水能到电能的转换。发电机发出的电再通过输电线路送往用户，形成整个水力发电到用电的过程[9]。 3.1 水力发电原理
如图2所示，高处水库中的水体具有较大的势能，当水体经由压力管道流进安装在水电站厂房内的水轮机而排至水电站的下游时，水流带动水轮机的转轮旋转，使得水动能转变为旋转的机械能，水轮机带动同轴的发电机转子切割磁力线，在发电机的定子绕组上产生感应电动势，当定子绕组与外电路接通时，发电机就向外供电了。如此，水轮机的选择机械能就通过发电机转变为电能。
3.2 水电站的运行特点
目前，在我国的电力系统中，主要是火电厂与水电站以及少数的核电厂、风力发电厂、地热能发电厂联合工作。水电站的运行特点如下[10]：
（1） 水电站的工作情况随河川径流的多变而变化。水电站的出力和发电量受到天然径流来水量的影响，虽然水库具有调节径流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度调节（水库库容越大，调节的作用就越明显）
，导致水电站在枯水季节出力和发电量得不到保证，丰水季节又往往由于库容不足弃水而导致水能难以利用。
（2）水电站的运行费用与实际发出的电量多少无关。建成后的水电站，其发电量的多少主要与其来水径流量的多少有关，而其运行费用却基本不会因此而有所增减。因此，应当尽量使水电站多发电，而减少系统中火电厂的发电量，从而减低火电厂相应燃料的消耗，提高整个电力系统的经济性。
4 水力发电的优势分析
4.1 水力发电的经济效益分析
水力发电不仅能够创造直接的经济效益，还能够在其他方面获得经济效益，如水产养殖业、水上航运、农业灌溉。同时也会有一些问题在水力发电开发中相伴而生，移民等问题都是不容忽视的，且比较棘手。但无论如何，水力发电所能够获得的经济效益还是比较突出的，开发利用的价值很大[11]。
4.2 水力发电与其他发电方式的比较优势
4.2.1 相比于火力发电的比较优势
（1）从发电量的利润上来看，火电的发电成本是水电的5.65倍，而所得到的利润仅仅是其的八分之一，水电只运用15%左右的发电量能够创造出一半以上利润，这就能明显的比较出水电的优势[12]。
（2）从能源利用效率和生态环保上看，水力发电主要利用的是水的势能，可进行循环使用，在有水的情况下，可以持续使用，属于可再生能源，发电中还可以将所有能量都转化为电能，利用率非常高，也不会产生其他污染。
4.2.2 相比于风能发电的比较优势
风力和水力一样都属于清洁、可再生能源，并且资源也比较丰富，优势有很多[12]。
（1） 在稳定性上，风力发电采用的多是恒速恒频发电系统，频率处于一个相对固定的数值上，当风速发生变化时，风力机转速不会随之变化，灵活性或适应能力不足，风能的利用率大打折扣。
（2） 在发电成本上，需要建立大量的风电站，稳定性不高，就会影响到电网安全，这就要在电网改造上花费一定的资金，建立与风电相适应的调峰调频电站，这就会大大增加发电成本。从单位发电成本上来看，风电要大于火电，所以根本无法与水电相提并论。
5 结论与展望
通过文章的分析使我们充分了解到水力发电的基本优势。在众多的发电方式中，水力发电是最能够与我国现阶段的发展相契合的，其是一种节能环保的可持续发展的发电技术，不仅能够实现良好的经济效益，还在社会经济效益方面上有着不俗的表现。在文章的分析下，我們可以清楚地了解到无论是经济上还是在安全性上，水力发电都要明显优于其他方式，所以应该得到大力推广和应用。所以进一步加大水力发电的研究力度对我国电力行业的发展能够发挥重大的现实意义。
作者简介
李琪，青岛城裕置业有限公司，工程科科长。
武潇，青岛大学。
[关键词]水力发电；水轮机；发电机；优势比较
中图分类号：V984.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0341-02
引言
我国的社会经济在近年来得到了快速发展，与之相适应的对于电能的需求也在不断加大，使得煤炭资源被大量应用，煤炭资源不断减少，呈现出用量紧张的趋势，火力发电不能满足日趋加大的用电需求[1]。所以必须改变我国的能源结构，利用更多新能源来进行发电，这是电力行业需要考虑的问题。而我国已经开始尝试利用光电、风电和核电等方式来发电，并取得了良好的效果，而其中水利发电的优势比较显著，发电条件便利、技术成熟、经济效益高等，所以是重点开发的对象，进一步加大对水力发电的研究力度，有利于推动其更好的应用，这也是文章所要探讨的重点问题。
1 发电机
发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备[2]，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有廣泛的用途。
1.1 发电机基本参数
1）基本尺寸大小。
发电机主要尺寸有转子直径D、长度￡及磁石的固定方式。一般发电机的体积与发电量成正比，因此：
式（1）中：为发电量；K为系数，与线圈匝数、转速、磁材及动态性能有关，具体选用可参照手册。
2）感应电压。
同步发电机在稳定运转下，转速与级数会成反比关系，如下式：
式（2）中： 为转速发电量；厂为频率。
三相同步发电机以一定转速驱动转子磁场旋转，定子线圈会产生感应电压，可由法拉第定律得知：
式（3）中：E为每相感应电压的有效值；Ⅳ为每相匝数；为磁通的最大值[3]。
1.2 发电机的转子结构
1）转轴
转轴是由高强度且高导磁的铬镍钼钒整体合金锻钢制成。转轴在另一个角度是属于定子的，但和转子的联系也很紧密。
2）绕组
绕组由线圈、槽内绝缘及固定件、端部绝缘及固定件和引出线等组成。线圈由于其重要性，也是由高强度的材料制造而成。保证这个发电机的顺利工作。
3）转子护环
转子护环是由高强度的无磁性的合金铸造而成的，在护环和转子本体和中心环的连接处都有特定的环键，用来防止轴向位移。
4）阻尼系统
发电机转子的每极表面上有两个阻尼槽，槽内有阻尼条，作用是使感应电流能够成功通过横向槽。
2 水轮机
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。现代水轮机大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电[4]。
2.1 水轮机的工作参数
1）工作水头：又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位差。
2）流量：表示水流在单位时间内通过水轮机的体积。
3）功率：输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水轮机的出力。
4）效率：通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。
5）转速：水轮机轴每分钟转动的圈数，称为水轮机的转速，单位为r/min。设计时选定的稳态转速称为水轮机额定转速[5]。
我国电网的额定频率为50HZ，水轮机额定转速为
式中：P——发电机磁极对数
2.2 水轮机的工作原理及分类
水轮机按转轮水流方向可分为反击式，冲击式和可逆式，水轮机的类型及应用水头范围如表1所示。
2.3 水轮机的效率及最优工况
2.3.1水轮机的效率
水轮机的能量损失导致N < Ns，效率η<1。效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成。
1）水力损失及水力效率
蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失
旋涡、脱流、撞击——局部损失
水轮机的水力效率[7]为：
2.3.2 流量损失及流量效率（容积效率）
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。
容积效率：
2.3.3 机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：Ne；
输出功率：N=Ne-ΔNm
机械效率：ηm=N/Ne
水轮机的总效率：
提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。
2.3.4 水轮机的最优工况
水轮机的最优工况是指η最高的工况。一般情况下，对η起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大[8]。
水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳定性和空蚀性能也好。因此，在实际运行中，水轮机的运行工况范围均有一定限制。
3.水力发电
水力发电过程其实就是一个能量转换的过程。通过在天然的河流上，修建水工建筑物，集中水头，然后通过引水道将高位的水引导到低位置的水轮机，使水能转变为旋转机械能，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现从水能到电能的转换。发电机发出的电再通过输电线路送往用户，形成整个水力发电到用电的过程[9]。 3.1 水力发电原理
如图2所示，高处水库中的水体具有较大的势能，当水体经由压力管道流进安装在水电站厂房内的水轮机而排至水电站的下游时，水流带动水轮机的转轮旋转，使得水动能转变为旋转的机械能，水轮机带动同轴的发电机转子切割磁力线，在发电机的定子绕组上产生感应电动势，当定子绕组与外电路接通时，发电机就向外供电了。如此，水轮机的选择机械能就通过发电机转变为电能。
3.2 水电站的运行特点
目前，在我国的电力系统中，主要是火电厂与水电站以及少数的核电厂、风力发电厂、地热能发电厂联合工作。水电站的运行特点如下[10]：
（1） 水电站的工作情况随河川径流的多变而变化。水电站的出力和发电量受到天然径流来水量的影响，虽然水库具有调节径流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度调节（水库库容越大，调节的作用就越明显）
，导致水电站在枯水季节出力和发电量得不到保证，丰水季节又往往由于库容不足弃水而导致水能难以利用。
（2）水电站的运行费用与实际发出的电量多少无关。建成后的水电站，其发电量的多少主要与其来水径流量的多少有关，而其运行费用却基本不会因此而有所增减。因此，应当尽量使水电站多发电，而减少系统中火电厂的发电量，从而减低火电厂相应燃料的消耗，提高整个电力系统的经济性。
4 水力发电的优势分析
4.1 水力发电的经济效益分析
水力发电不仅能够创造直接的经济效益，还能够在其他方面获得经济效益，如水产养殖业、水上航运、农业灌溉。同时也会有一些问题在水力发电开发中相伴而生，移民等问题都是不容忽视的，且比较棘手。但无论如何，水力发电所能够获得的经济效益还是比较突出的，开发利用的价值很大[11]。
4.2 水力发电与其他发电方式的比较优势
4.2.1 相比于火力发电的比较优势
（1）从发电量的利润上来看，火电的发电成本是水电的5.65倍，而所得到的利润仅仅是其的八分之一，水电只运用15%左右的发电量能够创造出一半以上利润，这就能明显的比较出水电的优势[12]。
（2）从能源利用效率和生态环保上看，水力发电主要利用的是水的势能，可进行循环使用，在有水的情况下，可以持续使用，属于可再生能源，发电中还可以将所有能量都转化为电能，利用率非常高，也不会产生其他污染。
4.2.2 相比于风能发电的比较优势
风力和水力一样都属于清洁、可再生能源，并且资源也比较丰富，优势有很多[12]。
（1） 在稳定性上，风力发电采用的多是恒速恒频发电系统，频率处于一个相对固定的数值上，当风速发生变化时，风力机转速不会随之变化，灵活性或适应能力不足，风能的利用率大打折扣。
（2） 在发电成本上，需要建立大量的风电站，稳定性不高，就会影响到电网安全，这就要在电网改造上花费一定的资金，建立与风电相适应的调峰调频电站，这就会大大增加发电成本。从单位发电成本上来看，风电要大于火电，所以根本无法与水电相提并论。
5 结论与展望
通过文章的分析使我们充分了解到水力发电的基本优势。在众多的发电方式中，水力发电是最能够与我国现阶段的发展相契合的，其是一种节能环保的可持续发展的发电技术，不仅能够实现良好的经济效益，还在社会经济效益方面上有着不俗的表现。在文章的分析下，我們可以清楚地了解到无论是经济上还是在安全性上，水力发电都要明显优于其他方式，所以应该得到大力推广和应用。所以进一步加大水力发电的研究力度对我国电力行业的发展能够发挥重大的现实意义。
作者简介
李琪，青岛城裕置业有限公司，工程科科长。
武潇，青岛大学。