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水力发电
水力发电


简介

水力发电(Hydroelectric power),研究将水能转换为电能的工程建设和生产运行等技术经济问题的科学技术。水力发电利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。为实现将水能转换为电能,需要兴建不同类型的水电站。是目前人类社会应用最广泛的可再生能源。

江河水流蕴藏着巨大能量,把天然水能加以开发利用转化为电能,就是水力发电。构成水能的两个基本要素是流量和落差,流量由河流本身决定,直接利用河水的动能利用率会很低,因为不可能在整个河流的截面水布满水轮机。

水力利用主要利用势能,利用势能必须有落差,但河流自然落差一般沿河流逐渐形成,在较短距离内水流自然落差较低,需通过适当的工程措施,人工提高落差,也就是将分散的自然落差集中,形成可利用的水头。

原理

水力发电的基本原理是利用水位落差 ,配合水轮发电机产生电力,也就是利用水的位能转为水轮的机械能,再以机械能推动发电机,而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件,有效的利用流力工程及机械物理等,精心搭配以达到最高的发电量,供人们使用廉价又无污染的电力。

而低位水通过吸收阳光进行水循环分布在地球各处,从而回复高位水源。

于1882年,首先记载应用水力发电的地方是美国威斯康辛州。到如今,水力发电的规模从第三世界乡间所用几十瓦的微小型,到大城市供电用几百万瓦的都有。

水电站发电量为水电站的出力与相应时间的乘积,一般以千瓦时(kWh)作为计算单位。

水电站的出力是指发电机组的出线端送出的功率,一般以千瓦(kW)作为计算单位。

水电站的出力可用公式计算:

N = 9.81η×Q×H

  • Q:通过水电站水轮机的流量,m3/s ;
  • H:水电站的净水头,水电站上下游水位差减去各种水头损失,m ;
  • η:水电站的效率,它小于 1,为水轮机效率、传动设备效率和发电机效率三者乘积。

评价标准

防洪减灾

生态、环境影响

寿命

水电站运行特点

灵活性

可再生资源

随机性

生产流程

惯常水力发电的流程为:河川的水经由拦水设施攫取后,经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂,当机组须运转发电时,打开主阀(类似家中水龙头之功能),后开启导翼(实际控制输出力量的小水门)使水冲击水轮机,水轮机转动后带动发电机旋转,发电机加入励磁后,发电机建立电压,并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力,可以调整导翼的开度增减水量来达成,发电后的水经由尾水路回到河道,供给下游的用水使用。

种类

惯常式水力发电

  • 水库式水力发电

水库式水力发电(英语:Conventional hydroelectricity),又称堤坝式水力发电。是以堤坝储水形成水库,其最大输出功率由水库容积及出水位置与水面高度差距决定。此高度差称为扬程又叫落差或水头,而水的势能与扬程成正比。

  • 川流式水力发电

川流式水力发电(英语:Run of the river hydroelectricity),又称引水式水力发电或径流式水力发电。川流式水力发电站的堤坝相当小,有的甚至没有堤坝。流经的水若不用作发电就会即时流走。在美国,这种方式的电站产能相当该国耗电量的13.7%(2011年计)。

  • 调整池式水力发电

调整池式水力发电是界于水库式水力发电及川流式水力发电之间的发电方式,和水库式水力发电一様会兴建拦水坝,形成的湖泊称为调整池,但调整池只容纳一天的水量,因此规模比一般水库要小。

潮汐发电

潮汐发电是以因潮汐引致的海洋水位升降发电。一般都会建水库储内发电,但也有直接利用潮汐产生的水流发电。全球适合潮汐发电的地方并不多,英国有八处地适合,估计其潜能足以满足该国20%的电力需求。

抽水蓄能式水力发电

抽水蓄能式水力发电(英语:Pumped-storage hydroelectricity),是一种储能方式,但并不是能量来源。 当电力需求低时,多出的电力产能继续发电,推动电泵将水泵至高位储存,到电力需求高时,便以高位的水作发电之用。此法可以改善发电机组的使用率,在商业上非常重要。

其他分类

  • 按水电站利用水头的大小,可分为高水头(70米以上)、中水头( 15-70米)和低水头(低于15米)水电站。
  • 按水电站装机容量的大小,可分为大型、中型和小型水电站。一般将装机容量在5,000kW以下的称为小水电站,5,000至100,000kW的称为中型水电站,10万kW或以上的称为大型水电站或巨型水电站。

结构

抽水蓄能电站

生产设计

水利水电工程建设工期一般较长,投资大,效果显著,作用、意义和影响重大,工程规模巨大,建筑物宏伟壮观,结构复杂。施工条件复杂,运用先进的技术和设备。

设计和规划

水利水电工程建设工期一般较长,投资大,效果显著,作用、意义和影响重大,工程规模巨大,建筑物宏伟壮观,结构复杂。施工条件复杂,运用先进的技术和设备。如:三峡工程是由孙中山先生提出建设,在建国后反复论证,最终经过多个年代的无数次考察才正式建设的。

位置与环境

水能资源丰富,对生态环境影响较小

投资与评估

  • 除害兴利
  • 社会效益
  • 发电效益

规模与功能

成本

建造成本:一般较高 运行发电成本:非常低廉 纳税成本:一般纳税人符合下列情况的,按6%征收:县级及县级以下小型水力发电单位生产的电力。小型水力发电单位,是指各类投资主体建设的装机容量为5万千瓦以下(含5万千瓦)的小型水力发电单位。小规模纳税人征收率3%。

金融成本

银行贷款

原材料成本

人力、物料、设备

施工流程

开工前期工作

1、开工申请条件 2、开工申请应提交的资料 3、工程开工申请 4、施工现场进行“三通一平”。 5、履约保证金办理。 6、工程保险金办理

工程实施阶段

1、工程施工方案的编制 2、工程施工方案的审核 3、施工技术交底 4、图纸会审纪要 5、施工组织设计 6、设计变更通知单 7、施工放样报验单 8、施工定位测量记录和报审表 9、工程物资分类 10、材料进场检验相关资料 11、材料试验报告 12、人员分工、岗位职责、规章制度、程序框图的建立及上墙 13、汛期施工度汛方案 14、工程项目划分及批复文件

工程质量检测制度

1、隐蔽工程验收记录 2、预检记录 3、交接检查记录 4、混凝土检查记录 5、构件吊装记录 6、焊接材料烘焙记录 7、现场预应力张拉记录 8、灌浆检查记录 9、水利水电工程质量评定 10、土工击实和回填土试验报告 11、砌筑砂浆取样及送检 12、混凝土取样及送检 13、水利水电工程外观质量评定 14、工程质量控制程序 15、施工质量联合检验合格(开仓)证 16、工程质量缺陷处理 17、工程项目验收申报表

工程计量付款制度

1、工程预付款申报 2、工程签证单签认 3、工程计量 4、合同支付的申报与审查 5、合同支付管理 6、工程变更 7、合同索赔 8、农民工工资支付情况

安全生产管理制度

1、 文明施工条例 2、 安全施工方案 3、 工地文明施工教育培训 4、 施工事故应急救援方案 5、 安全生产检查记录(安全标志、防护措施、三保四口,“一机一箱一漏一闸” 6、 安全事故报告

竣工验收阶段

1、竣工验收自查 2、竣工技术预验收 3、竣工验收 4、竣工资料和竣工图纸核实 5、工程交接 6、工程竣工证书颁发

优点和缺点

有利方面

  • 发电时无污染物排放

与其他可再生能源一样,水力发电在运作时几乎全无污染物排放。(但并不是无碳排放)

  • 营运成本低及稳定

水力发电无需燃料,发电成本不会受燃料价格影响,加上运作高度自动化,运作时所需人手少,故营运成本低。以三峡水电站为例,若连续以最大发电量发电计,出售5至8年电力就可以收回建造成本。

  • 可按需供电

水力发电可以按用电量需要而快速调整发电量。水力发电启动时间仅为数分钟,只需60至90秒就能达至全功率输出,烧气发电所需时间更短。因此,小型水力发电站可以用作调节供电量缓冲之尖载电厂。

  • 发电以外的其他用途

水库有储水功能,可以控制水流量,有一定程度的上下游水量分布调节能力, 故可以降低洪水泛滥造成的损失及储备灌溉用水。在某些地理环境下,水库能降低河水流速,改善航运。

不利方面

  • 寿命有限

大部份其他发电方式只要更换新装置就可以延长发电寿命,但水力发电由于水库内淤泥堆积,寿命有限,由50至200年不等,一般约为100年。淤泥堆积的速率视乎水库大小与沉积物多少。在美国,大型水库平均每年减少0.2%的容量,而中国的主要水库平均每年减少2.3%的容量。

  • 投资巨大

溃堤会导致大量人命伤亡及经济损失,因此水坝品质必需极高,大型水坝承受巨大水压,地质勘察、设计、计划、测试及建造等成本相当高。

  • 破坏生态环境

大型水库会导致上游大面积土地被水淹没,导致栖息地细碎化,破坏生物多样性,失去生产力较高的低地、草原,破坏生态价值高的湿地、河谷及森林。

而下游同样会受影响,原本会流至下游的沉积物在有水力发电站后会大幅减少,这是因为发电机组所排出的水中含有的沉淀物非常少,使下游河床被冲刷,又失去沉淀物的补充,导致水土流失,最终下游的原有地貌会逐渐被侵蚀,河堤、三角洲会受影响,肥沃的冲积土减少。

阻碍水中生物迁徙,阻碍其繁殖,部份物种可能因而绝种,减少了物种多样性。水库会使水温上升,因而导致鱼群数量及种类减少。而且这些破坏是永久性、不能逆转的。

  • 能源依赖水流

水力发电虽然不需燃料,但需要水源,当一个地区重度依赖水力发电供电后,若发生天旱而水流减小时,该地区就会发生供电不足的情况。若发电与生活用水都依赖同一水源,情况就更严重。

全球气候变化也导致发生水流短缺可能性增加,有研究指出,每当全球气温上升2度,就会减少65%降雨量,有可能导致河流水量下跌100%,巴西的水力发电量也预计在本世纪末会因此而减少7%。

  • 人口迁移

上游居住在将被淹盖的土地上的人口需被迁移,2000年,全球因此而被迁移的人口有四千至八千万。

  • 位置受限

并不是任何地点都适合建水库,除需在适合的水源及地形外,还需考虑一系列因素,包括地质结构、对自然环境影响、对当地居民影响等。

  • 水坝的其他影响

减少灌溉用水:可作大型水库增大水面表面面积,增加了水的蒸发量,也就减少了下流河水的总量,实质性地减少了可用作灌溉用水。

诱发地震:储水量大及深的水库会产生巨大压力,这压力会改变原有的地壳受力情况而导致地震,历史上第一次水库诱发地震在阿尔及利亚于1932年发生,时至今日,有证据证明有最小70次地震与水库有关。1963年,意大利的一次水库诱发的地震中有2600人死亡。

水坝形成的水库储有大量水,若一旦因为天灾(例如地震或特大洪水)、工程质量、设计或人为因素(例如战争)而溃堤可导致严重人命伤亡及经济损失,例如1975年的中国的河南“75·8”溃坝事件,包括板桥水库在内的60多座水库接连溃堤,受灾人数1015万人,死亡人数2.6至23万,比切尔诺贝利核事故的死亡人数(包括事后因而生癌而死亡的人数)多超过8至60倍。

在战争中,大坝也经常成为战略目标,水电站是发电设施,有战略价值外,在韩战及越战也有过故意破坏水坝引发洪水的例子。

  • 发电成本

水力发电每度电的发电成本显然较目前部分广泛应用的发电方例如火电、核电、太阳能低,但预计将比风力发电相当。

  • 供电稳定性

相对太阳能及风能等可再生能源,水力发电量相对稳定,但并不及火力发电及核能发电,原因是水源、流量等会随季节、气候改变。

  • 灵活性

在电力工业角度来说,水电是调节性最好的电源之一。由于只需一开闸门就立刻可以发电,水电通常在输电网络中可以扮演承担调峰、调频、事故备用等角色。在调节性能这一点上,能够与水电媲美的只有石油及天然气发电。

  • 对环境影响

水库对环境有相当及不可逆转的影响及破坏,相比其他可再生能源,例如太阳能、风力发电等,较不环保。而且水库式水电站寿命有限,可持续发展方面也不及其他可再生能源,但一般情况下仍然比石化燃料发电环保。

  • 排放温室气体

由于水坝有相当深度,造成较多缺氧环境,例如坝底,造成生物的厌氧分解,动植物分解后形成甲烷,也有少量二氧化碳,是一种比二氧化碳强36倍的温室气体,加剧全球暖化。这是自然界中,湖泊、湿地等环境不会发生的,因为自然界的这些地方有较好的氧循环,使水的含氧量较高,让生物能把甲烷分解成温室效应低很多的二氧化碳。

不同环境下水力发电的温室气体排放量分别可以很大。在温带,如加拿大及北欧,温室气体的排放只有一般水力发电的28%,但在热带地区,水力发电所产生的温室气体会比使用石化燃料的火力发电还多,极端情况下可达石化燃料的火力发电多3.5倍。而季节性的水位变化会为水库不断提供分解物,使水库内的生物的厌氧分解持续不断。

一份被英国牛津大学刊物“BioScience”刊登,由一国际科学家团队发表的研究报告指出水库等人工储水设施会产生大量温室气体,该报告分析了超过200排放研究个案,包括了267个堤坝及水库,覆盖77,699km2。得出结果推算出全球水坝、水库每年产生10亿吨温室气体,占全球碳排放量1.3%。而值得注意的是,当中的79%是温室效应较二氧化碳强36倍的甲烷。

此外,由于水坝工程浩大,兴建水坝所产生的温室气体是火力发电的数百倍。

收益管理

消费曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

市场

国内市场

产量

消费量

国际市场

产量

消费量

主要公司

国家电网 南方电网

著名水电站

中国

石龙坝水电站

位于云南省昆明市,建成于1912年,是中国第一座水电站,至今仍在运行。

丰满水电站

位于吉林省吉林市,建成于1943年,是中国第一座大型水电站,也是全世界第一座原址重建的大型水库式水电站。

新安江水电站

位于浙江省杭州市,建成于1960年,是新中国成立后第一座自行设计建造的大型水电站。

三门峡水电站

位于河南省三门峡市,建成于1961年,是黄河干流的第一座水电站。

葛洲坝水电站

位于湖北省宜昌市,建成于1981年,是长江干流上的第一座水电站,也是中国比较成功的径流式水电站。

三峡水电站

位于湖北省宜昌市,建成于2003年,是中国以及全世界最大的水电站。

岗南水库

位于河北省石家庄市,附设有抽水蓄能机组,是中国第一座抽水蓄能水电机组(位于广东省广州市的广州抽水蓄能电站是中国第一座专门的抽水蓄能电站)。

江厦潮汐电站

位于浙江省台州市,建成于1972年,是中国第一座潮汐发电站。

其他国家

胡佛大坝

美国现代土木工程奇迹之一,被赞誉为“沙漠之钻”,和拉斯维加斯共荣。

伊泰普水电站

巴西巴拉圭共同建设,世界上装机量第二大的电站,基本满足了巴拉圭全国的用电量。

迪什林水电站

位于叙利亚,由四川省机械设备进出口公司总承包机电部分的设计、生产、发运、安装、试验及试运行,是迄今为止中国对外出口的最大的水电项目。

https://zh.wikipedia.org/wiki/水力發電#著名水电站

相关规定及国家标准

  • 《大中型水利水电工程建设征地补偿和移民安置条例》
  • 《电力监管条例》
  • 《水库大坝安全管理条例(2018修正)》
  • 《水电站大坝运行安全监督管理规定》
  • 《水电站大坝运行安全信息报送办法》
  • 《小型水电站初步设计报告编制规程》
  • 《灌溉与排水工程技术管理规程》
  • 《水文基础设施及技术装备管理规范》
  • 《山洪沟防洪治理工程技术规范》
  • 《水电站厂房设计规范》

县级及县级以下小型水力发电单位

  • 税收政策:县级及县级以下小型水力发电单位可适用简易办法缴纳增值税
  • 享受主体:县级及县级以下小型水力发电单位(增值税一般纳税人)
  • 优惠内容:自2014年7月1日起,县级及县级以下小型水力发电单位生产的电力,可选择按照简易办法依照3%征收率计算缴纳增值税。
  • 享受条件:小型水力发电单位,是指各类投资主体建设的装机容量为5万千瓦以下(含5万千瓦)的小型水力发电单位。
  • 政策依据:
  1. 《财政部 国家税务总局关于部分货物适用增值税低税率和简易办法征收增值税政策的通知》(财税〔2009〕9号)第二条第(三)项、第四条
  2. 《财政部 国家税务总局关于简并增值税征收率政策的通知》(财税〔2014〕57号)第二条、第四条

文档

编辑成员
14 人

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