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[原创] 水电创新发展的分析探讨

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发表于 2016-7-13 21:37:56 |显示全部楼层
水电创新发展的分析探讨
作者:王树然

        现在的水力发电普遍采用的是拦河筑坝方式,利用下泄的水流带动水轮机旋转发电。这样的水电模式工程量巨大、投资额奇高、建筑周期太长,对河流的生态环境影响非常严重。

        难道水力发电只能采用拦河筑坝这一种方式吗?其实,单纯从发电的角度考虑,筑坝形成的巨大库容没有太大意义,因为即使大部分库容被泥沙淤积,只要能够保持原有的水位和落差,发电仍能照常进行。可能有人会说,巨大的库容有利于防洪抗旱;这话听起来似乎很有道理,其实用于发电的水库,防洪抗旱的作用并不大。为了保证发电的正常和稳定,水位必须维持在一定的幅度范围,洪水来临前,库容不能大幅腾空;下游干旱时,也不宜大量放水。可见,用于发电的水库,其巨大的库容对旱涝的调节作用并不大。比如,2011年长江中下游干旱,三峡水库为了保发电,不敢大幅降低库容水位,对下游的抗旱帮不上什么忙。撇开建设过程中的移民拆迁、农田淹没和库区文物保护等不谈,三峡建成后的泥沙淤积、库坡塌方、下泄清水对下游堤岸的冲刷等等众多生态环境保护难题,仍在等待人们去解决。

        看来,人们花费了那么大的人力、物力建成的巨大库容,对防洪抗旱起不了多大作用;截断河流后,也不能将河水全部用来发电,仅仅利用了部分水流发电。这样的水电模式,难道不值得我们反思吗?可是,这是世界各国普遍采用的方式,也是人类应用百年的成熟模式,还有什么值得怀疑?是的,现有的水电为人类提供了巨大的电能,促进了社会的发展和进步;我们对现有水力发电模式的反思,并不是否定现有水电对人类做出的贡献;而是为了在现有的基础上,探寻更科学、更实用的水力发电模式。

        既然人们只是利用河流的部分流量来发电,真的有必要筑高坝来截断整个河流吗?我们能否不截断河流,只利用河流中上层较清的水来发电?这样,可以避开库容淹没、移民拆迁、水运阻缓、上游泥沙淤积和下游清水冲刷等等难题。这样美好的愿望能实现吗?能!只要我们中国人敢于创新、科学创新,一旦想得到,应该能做到。

        大家知道,现有水电建设拦河筑坝的目的,就是为了抬高水位来增加水的势能,让坝区的水位与河流上游数公里、数十公里、甚至上百公里的水位持平。假如我们从河流上游凌空高架水平引水渡槽到达坝区,也可以获得同样的水力势能。但这样的做法不可取,因为这样巨大又高耸的长距离引水渡槽,其工程量将远远超过拦河筑坝。

        那么可否采用其它的方法将上游水流,保持原有的势能引入坝区?答案是:可以的。我们可以采用密封管道,将上游的水引入坝区。根据液体连通器原理,不论管道输送路途中如何高低起伏,管道未端的水位,都可以自动上升到与上游水面同样的高度,达到与高架引水渡槽同样的效果。这样的引水管道可以沿地面浅埋铺设,不仅工程量小、造价低、施工也比较容易;况且引来的是河流上层水,泥沙含量相对较少,对主河道生态环境的影响也不大。

        但是,这样的管道引水发电方式,可行性如何?密封管道能否承受水的压力?我们知道,密封容器承受外压的能力较差,但承受内压的能力很强,所以管道承压能力不用过多担心。比如:葛洲坝的水位高24米,折算下来仅有2.32个大气压(注:1个大气压等于10.33米水柱);三峡大坝的水位高175米,折算下来是16.94个大气压。其实,在实际运用中,只要能形成几十米的水压差就能满足正常发电需要了,追求过高的水压差,反而使引水距离大大增加,综合经济效益并不划算。

        现实情况下,我们还可以充分利用自然落差大或拐弯形的河道,来缩短引水距离。另外,部分管道还可以用密封隧道(这样的引水隧道,不像公路和铁路隧道有平直要求,完全可以顺山势地形走向蜿蜒曲折,甚至直上直下;同时洞壁也无须修整,只要不会塌陷漏水即可。)来替代,也能缩短引水管道距离。根据我国的地形特点,西部的大江大河不仅水流落差大,而且还有“S”形弯道特别多的天然有利条件,更具备管道引水发电的优势,正好可以加以合理利用。这样的引水发电,工程量小、投入少、周期短、见效快;每铺通一根管道,就能发出一份电,有利于后续建设资金的迅速筹集;可以达到以电养电,逐步开发的目的,有利于水电建设步入良性循环。该发电模式最大的优点是:不破坏土地资源,不影响生态环境,更无很多后续烦恼。而常规水力发电不仅要筑坝,还有大量的拆迁安置和后续长年累月的清淤维护等。比如:1959年为了建设新安江水电站,就拆迁了淳安和遂安两个古老县城,以及威坪、茶园、港口三个城镇和49个乡、1377个自然村、淹没38000亩良田,移民人数达29万。而三峡水库的拆迁移民人数更是高达百万,其水电建设和移民安置的总体工程量创世界之最。这项动用了举国之力的宏大工程,其装机容量(2250万千瓦)仅占2011年底全国电力装机总量(10.5亿千瓦)的2.143%。即使不考虑今后的生态环境维护费用,这种水电模式的投入产出,怎能不让人深思?看来,即使管道引水的工程量与筑坝相同,综合比较还是具有很大的环保优势。

        也许,专业人士会指出,管道引水的水量有限,难以满足现代大型发电设备的需求,再加上水在管道内流动过程中的能量耗损,可能发不出多少电,其费效比不合算。当然,管道引水发电的费效比,既与引水管道长度和引水量大小相关,也与发电设备的效能相关。如果我们仍然采用现有的水轮机驱动模式发电,确实存在费效比不高的可能。因为现有的水力发电采用的是:“势能”—“动能”—“机械能”—“电能”的转换方式,造成了大部分水力势能难以有效地转换成电能。尽管人们通常将水力发电,说成是利用水的势能发电,其实并不准确;因为水轮机的叶片在转动的过程中并没有改变高低位置,它和风力发电一样都是利用流体的动能,区别是:风力发电是利用流体水平方向的动能,而水力发电是利用流体垂直方向的动能。

        现实情况是:冲击水轮机叶片的水并非来自势能最大的表层水,而是中低层水。高坝蓄水的势能只是为了产生更大的水压,以增加水流冲击叶片时的流速和压力。退一步分析,即使让最高处的表层水冲下来发电,当水流与水轮机叶片接触的瞬间,水的重力势能已经转换成了流体动能。根据流体力学的伯努利方程理论,在密闭管道内的流体,流经某一界面两边的总能量保持平衡。如将水轮机叶片旋转平面看作是流体流速变化的界面,由于流经水轮机叶片旋转平面后的水流速度发生了变化(减速变慢),故有部分动能转化为叶片旋转的机械能。由于流过叶片旋转界面的水流仍然具有相当的速度,所以水轮机不可能将流体动能大部分转化为机械能。另外,由于水轮机叶片旋转方向与水流方向垂直,流体动能仅仅只有少部分被转化为机械能用于发电,而大部分沿叶片轴向的动能,被白白浪费掉。

        假设水流从水坝高处以自由落体形式下降,其重力势能先转换成下降的动能,对水轮机叶片做功后,部分动能转换成机械能,相应水流的动能减少流速降低。水流经过叶片前后的流速差,代表了动能向机械能转换的大小。从理论上分析,似乎流经叶片后,水的流速差越大,流速越低越好;但在现实中,叶片前后的水流实际都是在管道内流动(与风车不同),叶片后水的流速越低,对叶片前水流的阻力也越大,正是处于一个互相矛盾的状态。所以叶片前后的流速差只能保持动态平衡,不可能相差太大,故能量转换效率必然受到制约。上述分析表明:现有水力发电模式,能量转换效率并不高,并且也很难再有较大幅度的提高。

        其实,我们完全可以采取将势能直接转换成机械能的方式,来提高能量转换的效率。具体做法是:将密封管道引来的上游河水,通过垂直管道提升到适当高度(考虑到水在管道中能耗损失,将水提升到比上游水面略低高度,让其流速和流量不至于太小),再利用流入容器中的水,在重力作用下缓慢下降过程,直接带动机械装置旋转发电。就像中国古老的轮式水车利用重力转动很类似,但不是用巨大的轮盘旋转,而是采用类似垂直放置的坦克履带样式,悬挂盛水的水箱。也许有人会嘲笑这样的发电方式,认为没有现代水轮机叶片的流体动力学结构设计更科学。是的,这样的方式虽然看上去很原始和笨拙,但它确确实实省去了能量转换过程的中间环节,可以直接将水的势能转换成机械能,是对水的势能更直接、更充分的利用。因为水箱中的水在从高处缓慢下降到低处做功的过程中,在高处和低处时的下降速度没有改变,表明水的势能没有转换成动能,则水的势能必然是绝大部分直接转换成机械能。这样的能量转换效率非常高,是现有水电模式无法比拟的!

        所以,我们不必迷信西方人创造的现有水电模式,只要我们将古老的东方水车模式与管道引水工程相结合,就可以克服现有水力发电的种种弊端和不足,何乐而不为?尽管经典的现代水电模式是成熟的,但其产生的众多负面效应,已经到了不容忽视的程度。我们中国人对古老的东方水车模式进行继承和创新,又有什么不好?

        当然,本人不是水电专家,对水电发展的思考也具有一定局限性,以上只是抛砖引玉地提出了一些个人设想,仅供政府相关部门和有识之士参考。


2012.5.3.写于南京
2016.6.11.修改



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发表于 2016-7-23 12:58:32 |显示全部楼层
楼主补充说明:
  
   现有水电建坝时,由于考虑到大坝建造过程中的临时分流通道建设,往往大坝选址不是在水流最窄、落差最大处。现实情况是:水流最窄、落差最大处的水力资源难以开发利用。而这样的优质水力资源,正好适合管道引水发电模式的应用。我国西部大江大河的拐弯处,往往是水流湍急、落差较大,不仅管道引水距离短,而且大部分引水管道可以由山体引水隧道(这样的隧道一旦建成,将会一劳永逸,不需要维护)代替。
     
   考虑到我国西部大江大河的水流总体落差大,往往高达上千米甚至数千米,如果采用引水管道发电模式,则大部分水力资源都可以得到有效开发,加之新式发电装置的水力势能向机械能转换效率特高,完全有可能一举解决中国能源的长期需求。由于这样获取的是优质连续电能(不像风电和太阳能发电那样,是断续难并网的电能),且初期建设规模可大可小,方便以后逐步扩充,所以更适合国家、地方、企业等不同层次的投资开发。

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发表于 2016-7-30 09:29:03 |显示全部楼层
  目前,中国的水电占电力能源的比例太低,仅有20%左右,而巴西水电占比40年来一直维持在80%以上。如果中国的水电占比也能达到80%以上,不仅可以解决中国的能源需求,而且还可以减少火电燃煤造成的环境污染(二氧化碳排放,以及粉尘和酸雨)。
  
  现在,我国正在大力发展风电和太阳能,虽然它们和水电一样都是可再生能源,但却是成本高并网难的断续发电,需要相应的储能设施相配套。我们国家如其大力投资风电和太阳能,还不如投资能够发出稳定电流的水电。因为只要我们每铺通一根引水管道,就能多获得一份可以永久使用的优质清洁能源。既然中国具有世界最丰富的水力资源,何不优先加以利用?
  
  所以我坚信:通过水电创新发展,我国的水电占比能够超过巴西,达到90%以上;到那时,随着电动汽车的普及,中国的能源需求应该能够摆脱对煤炭和石油的依赖!


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