水利工程的水电能源开发与利用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 08 日 作者简介：左晶(1992)，男，汉族，江西永新人，本科，永新县水利局，专技十一级，研究方向为水利工程的水电能源开发与利用研究。-1-水利工程的水电能源开发与利用研究 左 晶 江西省吉安市永新县水旱灾害防御中心，江西 吉安 343400 摘要：摘要：工业化技术的快速发展，城市可持续发展、对可再生能源的需求量日益增加，为开发清洁能源，实现资源化节约利用，将水电能源的开发作为重要清洁能源来源。鉴于此，文章以水利工程水电能源开发为研究对象，从水电能源开发概述、水利工程的水电能源开发技术措施等方面进行分析，提炼了关于水利工程的水电能源开发与利用相关技术，结合水利工程水电能源开发特点，分析能源管理与利用途径，希望通过本文论述能够为同专业领域技术人员提供一定理论参考。关键词：关键词：水利工程；水电能源；开发；利用 中图分类号：中图分类号：TV6 1 概述 为应对全球日益增长的能源需求，推动可再生能源的发展，以及解决水资源与能源的协调利用问题。寻找可再生、清洁的能源来源变得尤为迫切。水力能源因其稳定、可再生的特性成为备受关注的绿色能源之一。水利工程的水电能源开发与利用对于推动可再生能源的发展，减少对有限化石能源的依赖，具有重要的战略意义。因此，本文以理论分析与实践相互结合，就水利工程水电能源开发与利用途径展开论述，提出相关解决和控制措施，期望能够为本技术开发与应用提供最优解决措施。2 水电能源开发概述 2.1 水电能源的定义和特点 2.1.1 高效性与可再生性 水电能源相对于传统火电具有明显的优势，其发电成本仅为后者的 1/4，发电效率可达 80-90%，远高于后者的 30-50%。充分说明了水电能源具有高效能转换的特性，能够更充分地利用水流动的能量。同时，水电能源是一种可再生能源，因为水循环是地球上的自然过程，水流的不断循环使得水电资源的再生产具有相对稳定的可预测性。2.1.2 长寿命性与开发年限 与火电等项目的常规 BOT（建设-运营-转让）模式不同，水电资源的开发年限没有时间限制，通常按照50-100 年的寿命进行设计。以上数据的展现，意味着水电站的设施可以更长时间地提供电能，不受项目年限的限制。随着折旧的摊销，水电项目在经济上更具可持续性。2.1.3 单位造价的比较 根据数据显示，2022 年核准常规水电站工程平均单位千瓦总投资为 13319 元，相对于风电、核电、光伏等项目，水电的单位千瓦造价相对较低。陆上集中式平原地区、山地、复杂山地风电项目单位千瓦造价分别约为 4800 元/kW、5500 元/kW 和 6500 元/kW，海上风电项目单位千瓦造价约为 11500 元/kW，地面光伏电站平均单位千瓦造价约 4130 元，充分说明水电在投资方面相对更为经济实惠1。2.2 水电能源开发的目的和重要性 水电能源开发的目的基于水资源的有效录用，为将水能转化为电能，进而满足社会和大众的用电需求。基于此，水电能源的开发，主要目的包含有：水电能源的开发，基于清洁能源需求的发展，从环保理论、可再生能源的利用理论进行分析，水电能源可作为清洁式、低碳化的能源利用形式，进而被公众广泛应用。以水电能源开发利用为渠道，为减少能源利用的依赖，进而降低温室效应，以提供更加稳定化、高效化的电力供应渠道。第二，水电能源的利用，要基于发电量的需求，对用电需求进行适度、动态化的调整和控制，进而应对负荷波动与电力峰谷的差异性，为提供可靠、稳定的电力供应需求，基于区域经济发展的要求，将水渠中国科技期刊数据库 工业 A-2-引导、水库建设作为基础工程建设的环节，从而保障水渠引导、水利工程及其发电设施的优化，为区域经济的协调、可持续发展具有积极意义。3 水利工程的水电能源开发技术措施 3.1 水电站类型 3.1.1 坝式水电站 坝式水电站根据坝的高度来确定水头的设计。目前，坝式水电站的最大水头不超过 300 米。由于设计采用筑坝形成水库，可用来调节流量，因此引用流量较大，电站规模较大，水能得到充分利用。在世界范围内，有许多超过 2,000MW 装机容量的坝式水电站。大中型坝式水电站适用水头为 25 米以下，而小型坝式水电站适用水头为 810 米以下。3.1.2 引水式水电站 引水式水电站的水头相对较高，最大水头已达2000 米以上。但引用流量相对较小，且没有水库来调节径流，导致水量利用率较低，综合利用价值相对较差。尽管其水头较高，受到流量限制，适用于特定水资源条件下。3.1.3 混合式水电站 混合式水电站整合坝式和引水式水电站优点的设计。适用于上游有适宜建库的坝址，而下游河道突然变陡或河流有大转弯的情况。以上设计方案充分结合了两种类型的水电站的优点，以最大化水能的综合利用效果。3.1.4 抽水蓄能电站 抽水蓄能电站采用抽水方式将水从低处抽升到高处的水库，以需要时释放水以产生电力。例如广东抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站等，这几个水电站的装机容量分别为 2400MW、1800MW、800MW、420MW、90MW，显示抽水蓄能电站在提供能源储备和调峰方面具有显著的优势2。3.2 水电能源开发的关键技术（1）水能资源评估与规划 以某城市区域为例，近期对连续 5 年及以上的用水资料进行分析，以评估水资源利用的节水水平。在产品水效评估方面，重点对工业用水量前 80%以上的企业进行评估，以确保基本生态用水，并统筹满足农业、工业和航运等多方面的需求。在供水端，提倡优先使用地表水，并鼓励使用非常规水。在各个地区，再生水利用率不宜高于 25%。根据规划，到 2025 年，全国年用水总量将被控制在 6400 亿立方米以内，万元国内生产总值用水量相较于 2020 年将下降 16%左右，农田灌溉水有效利用系数目标为 0.58 以上，万元工业增加值用水量预计将较 2020 年降低 16%。（2）水电站的设计与建设 例如，在桐柏和叶巴滩水电站的设计中，选择不同的单机容量方案。对于桐柏水电站，237.5m288.3m的扬程范围内，考虑了 200MW、250MW 和 300MW 三个方案，最终选择了单机 300MW 作为推荐方案。而叶巴滩水电站，171.1m208.5m的扬程范围内，考虑了150MW、200MW 和 250MW 三个方案，最终选择了单机 250MW 作为推荐方案。表明在设计初期需要综合考虑水电站的具体情况，包括水头扬程范围和可装设的单机容量，以确定最优的选型方案。水泵水轮机的制造难度在设计中是一个重要的考虑因素。常用的衡量制造难度的指标之一是 Hpmax 和转轮直径的平方乘积，即 TD=HpmaxD2/1000。这个指标的选择和计算需要在制造成本和工程可行性之间找到平衡。在设计过程中，需要对制造难度进行全面评估，以确保水电站的建设和维护都能够在可控范围内进行。水电站设计需要充分考虑设备参数和运行性能。例如，机组单机容量的选择已经达到 40 万 kW 或 35 万kW，并且机组转速为 500r/min 或 600r/min。这些参数的选择直接影响到水电站的发电效率和运行稳定性。同时，比转速和比速系数的计算也是关键的步骤，它们反映了水轮机和水泵的设计特性。综合考虑这些因素，可以在设计阶段优化水电站的整体性能，提高发电效率和可靠性。（3）水电设备与技术的应用 根据 2022 年度我国能源消费品种占比情况，煤炭和石油仍然占据主导地位，总比重高达 75%。然而，此结构设计过程中，水电所占比例为 8.7%，尽管相对较小，但其在能源结构中的比重逐渐增加。水电作为一种清洁能源，不仅可以提供稳定的电力输出，而且对环境的影响相对较低。以保证水电在推动我国能源结构向清洁、可持续方向转变中发挥了积极的作用。电站 1#、2#机组早期使用的冷却介质氟利昂113对大气臭氧层造成了破坏。为解决这一问题，中科院专家通过多次真机试验，研发了一系列新型冷却介质，中国科技期刊数据库 工业 A-3-如 FLa、F31A、XF-4310，最终使用的 ZXB-21 等。新型冷却介质在提供良好散热效果的同时，尽量减少对环境的不良影响。体现出在水电设备和技术的应用中，对环保和可持续发展的高度重视和积极探索。大型机组蒸发冷却技术在水电站的应用中起到了至关重要的作用。通过在大寨电站的真机试验，不断优化冷却介质的选择和使用，积累了大量的运行数据。以上数据不仅为水电站的稳定运行提供了可靠依据，也为未来大型机组蒸发冷却技术的进一步改进和创新提供了宝贵经验。水电设备和技术的不断升级，推动了水电在我国能源体系中更为广泛和有效的应用3。4 水电能源利用与管理 4.1 水电能源的发电与供应（1）水电能源的储能与调节 按水头大小划分，水电站可分为高水头（70 米以上）、中水头（15-70 米）和低水头（低于 15 米）水电站。高水头水电站通常水能充沛，利用水势垂直落差大，装机容量相对较大，但选址和建设难度也较高。中水头水电站具有适中的水头，适用于中山地区和平原地区，是平衡水电发展的一种重要形式。低水头水电站则主要应用于平原和河口地区，具有规模较小、建设较为灵活的特点。按装机容量划分，水电站可分为大型、中型和小型水电站。小水电站通常装机容量在 5,000kW 以下，适用于偏远地区或小流域的发电需求。中型水电站的装机容量介于 5,000 至 100,000kW 之间，适用于中等规模的电力需求，也较易于规划和建设。大型水电站或巨型水电站的装机容量达到或超过 10 万 kW，通常在大河流域或高山峡谷，能够提供大规模的电力供应。水力发电目前占全球发电总量的约 16%，是可再生能源中的主要组成部分，占可再生能源或可补充自然资源发电量的 85%以上。水力发电具有可再生、清洁、稳定的特点，对于减缓气候变化和保障电力供应具有重要意义。（2）水电能源的输送与利用 水电资源总储量的构成主要包括原煤、水力、原油和天然气。根据数据，原煤占据 61.6%的比例，水力资源为 35.4%，原油和天然气分别占 1.4%和 1.6%。水力资源在这一构成中占据十分重要的地位，仅次于原煤，其丰富度使得其在能源战略中具有战略性的地位。从发电角度考虑，水力资源的技术可开发量巨大。以水力资源的技术可开发量计算，每年可替代 1143 亿吨原煤，100 年就可替代原煤 143 亿吨。此计算说明水力资源在可替代传统煤炭等能源方面有着显著的潜力，是一种清洁、可再生的替代能源。我国水电装机容量和年发电量已经突破 3 亿 kW 和 1 万亿 kWh，分别占全国的 20.9%和 19.4%。然而，我国水电开发程度仍为 37%（按发电量计算），与一些发达国家相比还存在较大差距。这说明虽然我国水电资源开发取得了一定的成就，但在全球范围内的水电潜力尚未充分发挥，仍有提升空间。水电资源在技术可开发量方面仍有较大的潜力。到2050年，剩余水能资源技术可开发量仍有3.6亿kW，年发电量为1.9亿kWh，分别占可开发总量的55%和63%。充分说明我国水电资源的实际开发与潜力之间仍存在一定的差距，需要进一步加大水电资源的开发力度4。4.2 水利工程的环境影响与可持续发展 例如，垃圾分类站的建设对周边环境产生了积极的影响。首先，选址在距离施工场地 1000m 处的平整地块，有助于减少对周边自然生态系统的破坏。其次，垃圾分类站的建设意味着对生活垃圾进行有效的分类处理，有助于减少对土壤和水体的污染，提高了环境质量。通过推动垃圾分类站的建设，有望在实现资源循环利用的同时减轻垃圾对环境的不良影响。在 150项重大水利工程中，已有 101 项开工建设，水利工程的建设对环境产生了一系列的影响。水电的替代效果可以减少对大气层的温室气体排放，降低对全球气候变化的贡献。然而，水利工程的兴建也可能导致局部生态系统的破坏，如湿地消失、河流生态平衡被打破等。此外，水电工程的建设和运营也会对周边大气和水体质量产生一定的影响，需要在规划和实施过程中采取措施来减轻这些负面影响。水利工程在环境影响方面需要与可持续发展原则相结合，以确保长期的社会、经济和环境效益。首先，在水利工程规划阶段应充分考虑环境因素，选择合适的建设方案和位置，减少对生态系统的不利影响。其次，采取先进的环保技术和工艺，以最小化对水体、土壤和空气的污染。同时，建设者应当积极采取复绿、生态修复等手段，以补偿因水利工程建设而带来的生态破坏5。5 结语 中国科技期刊数据库 工业 A-4-综上所述，水利工程水电能源的开发与应用，应结合现实工程发展情况，通过水电能源技术的创新应用，结合新技术的开发，以优化管理思路和实现有效的规划为核心，不仅对推动水电能源可持续发展具有重要意义，为实现社会经济的发展，促进能源可持续应用具有积极意义。参考文献 1卫魏,罗红英,佘权威,谭景洋.西藏水电能源开发问题分析J.高原农业,2021,5(03):301-308.2黄涛珍,商波.生态优先的公共资源开发多主体合作博弈及利益共享研究基于水电能源基地建设的分析J.河海大学学报(哲学社会科学版),2019,21(06):73-79,111.3 刘 云 龙,何 理,聂 倩 文,殷 闯.水 电 能 源 开 发 对 雅 鲁 藏 布 江 流 域 景 观 格 局 的 影 响 J.水 力 发电,2020,46(02):1-5.4刘昌宇.我国水电能源开发利用浅析J.城市建设理论研究(电子版),2017(11):216.5李世海,周东,王杰,王理想,冯春,刘晓宇,刘青泉.水电能源开发中的关键工程地质体力学问题J.中国科学:物理学力学天文学,2013,43(12):1602-1616.