DWG-002 · 图纸已投产 · 交互仿真台

水力发电

水电站做的其实是一笔简单的换算：1 立方米水落下 100 米，就能换出约 0.27 度电。 难的从来不是公式，而是怎么造一堵 285 米高的墙、让几千吨的转子稳稳转上 50 年。 下面这座电站由你调度。

§ 01

仿真台

调落差与流量 → 水轮机自动换型 → 功率由 P = ρ·g·Q·H·η 现场计算
SCENE · 大坝剖面 · 实时工况 上游水库 坝顶 发电机 G 厂房 · 水轮机 → 发电机 下游尾水 落差 H = 150 m 落差　H 150 m 流量　Q 500 m³/s 功率　P 662 MW 混流式水轮机
CONTROL · 参数
150 m

落差决定水轮机的"性格"：低水头选轴流、中水头选混流、高水头选冲击

500 m³/s

长江多年平均流量 ≈ 28,600 m³/s —— 大江的流量是这台"最大档"的 19 倍

90.0 %

现代水轮机 + 发电机综合 85–92%——没有热循环，所以没有卡诺上限

输出功率 0 MW
水轮机选型 混流式 · 法兰西斯
理想流速 √(2gH) 54 m/s 喷嘴实际可达 ≈ 70 m/s（冲击式）
折算口径 · 每户日均 6 kWh 当前出力可点亮 0 户家庭，相当于三峡电站总装机的 0%；按水电等效满负荷 3,800 h/年估算，年发电约 0 万 kWh。
FIG. 1 · P–Q 关系（同一落差下功率随流量线性增长）
§ 02

原理拆解：一库水 的四次变身

ENERGY CHAIN — 势能 → 动能 → 机械能 → 电能
FIG. 2 · 能量链
FIG. 3 · 水轮机三大家族（按落差选型）
选型逻辑藏在两个数里：落差 H 决定"每一滴水有多少劲儿"，流量 Q 决定"每秒有多少滴水"。 低水头大流量用轴流螺旋桨，高水头小流量用冲击式水斗——中间最广谱的就是混流式。

第一变身 · 势能进管道

水库的水在进水口后面压着，落差 H 越大压强越大。压力管道（penstock）把这份"憋着的劲"一路送到厂房，管壁钢板动辄几十到上百毫米厚。

第二变身 · 水轮机收下动能

混流式让水从四周切向进入、径向流出，转轮把 90% 以上的水流动能变成轴上的转矩——这是人类造出的效率最高的原动机之一。

第三变身 · 发电机跟进

水轮机转速通常只有每分钟几十到几百转，大型水轮发电机直接做成多极低速电机，与水轮机同轴——连齿轮箱都省了。

第四变身 · 升压并网

出口 13–20 kV，经主变压器升到 500/800/1000 kV，跨省送电。白鹤滩的电到江苏，走的是 ±800 kV 特高压直流。

§ 03

公式与"电网充电宝"

THE MATH — 以及水电最聪明的一条支线
P = ρ · g · Q · H · η
变量含义典型值
ρ·g每立方米水的重量9,810 N/m³
Q流量：每秒通过转轮的水量三峡单机 ≈ 966 m³/s
H落差：上游水位 − 尾水位三峡 ≈ 81 m · 白鹤滩 ≈ 216 m
η水轮机 + 发电机综合效率0.85 – 0.95
FIG. 4 · 抽水蓄能：把电"存"成一库水
电太多时，把下库的水抽回上库（消耗富余电力）；缺电时放水发电。往返效率 75–80%， 损耗换来的却是"随叫随到"的巨量调节能力——截至 2024，中国在运抽水蓄能约 5,000 万千瓦（公开资料）， 是全球规模最大的电网"充电宝"。
§ 04

对照现实：图纸之外的电站

REAL PLANTS — 公开资料整理，截至 2024
FIG. 5 · 电站档案
电站装机容量机组构成备注
三峡水利枢纽 22.5 GW 32×700 MW + 2×50 MW 2020 年发电 1,118 亿 kWh，创全球单座电站年发电纪录
白鹤滩水电站 16 GW 16×1,000 MW 全球首批百万千瓦级水轮发电机组，落差 ≈ 216 m，混流式
葛洲坝水电站 2.72 GW 21 台（含 2×170 MW 轴流转桨） 低水头轴流式代表：最大落差仅 ≈ 27 m，靠流量取胜
全国抽水蓄能（在运） ≈ 50 GW — 截至 2024 公开资料；丰谷填峰，电网最便宜的"充电宝"
冷知识 三峡大坝坝体是混凝土重力坝，靠自重抗住上游几百亿吨水的推力； 而水轮机转轮精度要求到 0.05 毫米级——同一座坝里，粗与细各到了极致。