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水利工程论文美国水电的发展摘要美国的水电装机容量为90GW,领先于全世界。早在18世纪,美国人就认识到了水电的优越性,并将其广泛用于磨粉和抽水。20世纪初,水电已经占全美发电总量的40。尼加拉瓜大瀑布是最早用于发电的场所之一,时至今日它仍然发挥着巨大的作用。今天,水电已成为美国最主要的可再生能源,并为超过三千万的家庭提供充足的电力来源。关键词美国水电发展第1、2、3章略4.美国水电的发展4.1概况和可靠性美国的水电装机容量为90GW,领先于全世界。早在18世纪,美国人就认识到了水电的优越性,并将其广泛用于磨粉和抽水。20世纪初,水电已经占全美发电总量的40。尼加拉瓜大瀑布是最早用于发电的场所之一,时至今日它仍然发挥着巨大的作用。今天,水电已成为美国最主要的可再生能源,并为超过三千万的家庭提供充足的电力来源。联邦政府是最大的水电生产商,以下为私有部门、公共部门和合作机构。根据美国公共电力协会所发布的2002年度目录和统计报告,各类机构的水电发电量如下联邦政府机构为40,787MW,私有部门为27,626MW,公共部门为20,202MW,而合作机构为1184MW。非联邦政府的水电项目必须遵守联邦和各州政府的有关规定,并且必须从联邦能源监管委员会(FERC)领取许可证后方可运营,在美国共有2162家经联邦能源监管委员会批准许可的水电场所。一般而言,美国共有5种类型的水电项目,它们分别是1)蓄水坝型水电使用一条河流上的中型或大型水坝蓄水。水可以被释放以满足不断变化的电力需求,或者保持一个恒定的水位。2)径流型水电利用河流的自然落差,它需要一点点或者根本不需要蓄水。导流型电站可以设计为使用大流量低水头或者小流量高水头。3)微型水电装机容量为100kW或者更少,微型水电站可以利用低水头或者高水头。4)导流型水电将河流的一部分引入一条沟渠或水渠。5)抽水蓄能电站。水电是美国最有效和最可靠的电力来源,其最为显著的特点是清洁和可再生,而鲜为人知的是它对这个国家电网运行可靠性的重要贡献。电网运营者常利用水电的快速和灵活性解决电力供应中不断出现的波动问题,以及在停电后的恢复电力供应。1965年所发生的一个显著例子足以证明电力可靠性的重要,在当时,新英格兰、纽约和安大略有三千万人遭受停电之苦,这就是众所周知的1965年大停电,它将在高峰时段乘坐交通工具的人们陷于困境之中,同时也使人们意识到建立一个更为可靠的输电网络的重要性。一连串发生的电力事故,使公众明白了电力系统是互通互连的,并有必要进一步加强电力系统之间的协同合作以及突发事故的应急反应机制。北美电力可靠性协会所组织的地区可靠性协会的现代化系统正是在这一背景下应运而生。但一个鲜为人知的事实是,在1965年的大停电之后,水电对于恢复系统的供电起到了关键的作用。水电的黑启动能力-在不需要外来电源的情况下重新启动发电,使得备受折磨的电网运营商能够为更多的热电站提供辅助能源,热电站常常需要几个小时甚至几天才能恢复供电。水电还用于激活输电线路,帮助附近的电网恢复供电。在一份联邦政府关于该次停电的报告中写道拥有水电的电网能够比那些单独依靠热力发电的电网更快地恢复供电。此外,在向林登约翰逊总统提交的报告中指出了当时系统的不足之处包括缺少在突然停电后迅速恢复供电的备转容量。虽然一个错误的电力传输导致了最初的损耗,就像大多数迅速蔓延的混乱,但是它单独不可能摧毁整个电力系统。更为糟糕的是,由于缺乏储备的电力资源,而未能充分地应对突发的停电事故,从而引发了一连串的事故使得美国东海岸的大部分地区陷于一片漆黑之中。该报告最后总结道我们的初步调查表明,电力储备的类型和分布在应急使用的范围内与电量同等重要。具有快速起动和负荷感知特性的其它电力资源比起那些发电量增长缓慢的蒸汽发电站更能够应当负荷的突然增加。4.2美国水电的历史回顾通过利用水进行发电,人们实现了改善生活水平的目标。利用水的落差产生机械动力是一个古老的工作方式。在2000多年以前,希腊人曾利用水轮将小麦磨成面粉。在18世纪,美国人认识到了水力所产生的机械动力的优越性,并将其广泛用于磨粉和抽水。到20世纪初,水电已占全美电力供应量的40。在20世纪40年代,水电占美国西部和太平洋西北地区用电量的75,大约相当于整个美国总发电量的1/3。随着其它发电形式的不断发展,水电所占的份额逐步下降,今天其提供了全国电力的大约1/10。尼亚加拉大瀑布是美国最早用于水力发电的地方,直至今天它仍然被作为电力的来源。在1800年至1895年期间所建造的早期的水电站为直流电站,用于为弧光灯和白炽灯提供能源。在电动机投入使用后,对新型电力能源的需求便呈现出螺旋式的上升态势。在1895年至1915年期间,水电设计呈现出惊人的变化,并建造了许多风格各异的水电站。第一次世界大战后,水电站的设计更趋向于标准化。由于其使命是管理贫瘠的西部地区的水资源,美国垦务局开始涉足水电的生产。其所建造的大坝成为主要的电力生产者。尽管水电生产是水资源开发一个附属产品,但其已经成为垦务局事务的一个重要组成部分。其水电产量见图1。在水电开发的早期,电站被建造在大坝的位置以支持工程队的施工活动。水电被用于举起、搬运和加工用于建造大坝和开挖运河的建筑材料。电站为锯木机、混凝土搅拌机、空中索道、巨型铲挖机和索斗铲提供能源。因为有了水电站所提供的照明,夜间作业成为可能。当工程结束后,水电驱动的水泵可将水输送到较高的地段,这比起顺流而下的沟渠要管用得多。多余的电力被卖给当地的配电系统。当地的工厂、城镇和农村的消费者从这一成本低廉的电力中获得实惠。大坝和相关设施的建造和运营费用,大部分通过销售剩余电力的收益支付,而不是仅仅通过用水者。电力收入对那些居住在西部地区的依赖灌溉而生活的农户来说无疑是一个恩惠。垦务局的第一个水电站建在亚利桑那州凤凰城东北约75英里的索尔特河上,作为罗斯福大坝建设的辅助工程。小型水力发电机在工程建设之前被安装为工程和用于运送石块的设备提供能源。剩余的电力被卖给社区,当地居民很快便支持增加大坝的发电量。于是建成了一座4500KW的电站,1909年有5台发电机被投入运营,为抽取灌溉用水提供能源,并向凤凰城地区提供电力。水电开发作为水资源开发的一个附属产品对该地区的经济和生活水平产生了巨大的影响。电力被卖给农场、城市和工厂。依靠电力打井抽水意味着更多的农田可以得到灌溉,还可在那些饱受水涝和碱性土壤问题困扰的地区抽水。1916年,已有9座抽水站被投入运营,灌溉了超过10000英亩的土地。此外,垦务局还解决了凤凰城的所有居民和商业用电需求。低廉而充足的水电同时促进了该地区的工业发展,一家私营公司可以在附近建造一个大型的冶炼厂和磨粉厂并使用水电对低等级的铜矿石进行加工。罗斯福发电站是最早由联邦政府兴建的大型电力设施之一。其发电量已经从当初的4500kW增加到超过36000kW。电力的开发最初用于修建罗斯福大坝和抽取灌溉用水,也用于帮助支付工程建设费用,改善农村和城市居民的生活水平,并促进凤凰城地区新兴工业的发展。在第一次世界大战期间,水电项目持续不断地为西部地区的农场和牧场提供水和电力,它也帮助解决了整个国家吃和穿的问题,并且电力方面的财政收入成为联邦政府的重要收入来源。三十年代的经济大萧条,伴随着在西部地区普遍发生的水灾和旱灾,刺激了多用途复垦项目的建设,例如哥伦比亚河上的大古力水坝,科罗拉多河下游的胡佛大坝以及加利福尼亚的中央河谷项目。那些大坝所生产出的低成本水电对城市和工业的发展产生了深远的影响。随着第二次世界大战的来临,美国国内对水电的需求飞速增长,在战争爆发后,轴心国所拥有的电力资源是美国的3倍。在以下1942年美国内务部的战争计划说明中,这种对能源的需求被具体化560亿美元的战争预算将需要每年1540亿kWh的电力,用于制造飞机、坦克、枪炮、军舰和其它战争物资以武装并服务于陆军、海军和海军陆战队。战时工业每花费一美元就需要大约2.75kWh的电力。这一需求超出了当时美国所有电力设施的生产总量。1942年,为了生产足够的铝以满足美国总统建造60000架新飞机的目标,仅此一项就需要用电85亿kWh。水电在迅速扩大全国的能源产量方面提供了最好的途径之一。在西部地区的大坝上所修建的水电站使得能源生产的扩展成为可能,水电站的建设加速了能源的可得性。从1940年至1945年,垦务局属下的电站共发电470亿kWh,足以生产69,000架飞机,79,000门机枪,5000艘船只,7,000,000枚航空炸弹,5000辆坦克和31,000,000枚炮弹。在战争期间,垦务局成为西部地区主要的电力生产商,在那里分布了所需要的资源。低成本电力的提供将大型的国防工业吸引到该地区,造船厂、钢厂、化工厂、炼油厂、以及汽车和飞机制造厂都需要大量的电力。为了利用大古力水坝所生产的水电,原子能设施被安装在了华盛顿州汉福德。复垦项目的电力生产有力地促进了军工产业的发展壮大,这些电力同时用于加工食品,为军营提供照明用电,并满足许多地区的平民百姓的需求。随着战争的结束,电站被用于迅速发展的和平时期的工业。水电对于西部地区的工业发展至关重要,该地区的工业主要使用矿物资源或农产品作为原料。许多工业甚至完全依赖联邦政府所提供的水电。事实上,哥伦比亚河的周期性低水流量不时地困扰着该地区制造业的发展。在战争时期,农业对于美国来说是非常重要的,在今天也是如此。垦务局每年为超过3100万人提供10万亿加仑的水,为西部地区14万农民(1/5)的1000万英亩的农田提供灌溉用水,这些农田生产出的蔬菜占全国的60、水果和坚果占全国的25。农村地区在3个方面直接受惠于水电1其所产生的收入可以用于支付灌溉设施的费用,同时也缓解了用水户的财政负担。2通过抽水设施,可以灌溉位置更高的土地。3它使得电力可以用于农田和其它家庭用途。垦务局在水电站的运营方面仅次于美国陆军工程军团。垦务局使用其所生产的电力运行其自己的设施,如抽水站。多余的电力由联邦电力市场管理部门卖给优先客户,如农村电力合作社、公用事业地区、市政当局以及州和联邦机构。任何剩余的电力可以卖给私营的电力公司。垦务局所生产的电力足以满足成千上万人的需求,每年的电力收入超过7亿美元。电力收入被返还联邦国库,用以支付项目的建设、运营和维护费用。4.3美国水电的利用利用溪流和河流中水的落差所产生的潜在能量进行发电已有100多年的历史。水电项目是电力生产最有效的手段。如今水电站的效率通常超过90。水电站不产生污染,不需要使用燃料,自上而下的水是消耗不完的,比起其它形式的电力生产,水电有着很长的生命期,并且立即可以得到。这些有利的特点使得水电项目成为具有吸引力的电力资源。1920年,水电约占全美总发电量的30,40的能源由电力系统统一供给。60年代初,美国更多的依靠矿物燃料,水电大约占总发电量的20。如今,水电在能源组合中所占的比例大约为10。4.4联邦政府关于水电项目的规定联邦政府所建造的水电站项目由国会进行授权,并主要由美国内政部、垦务局、美国陆军工程军团和田纳西流域管理局进行建设。至于大多数非联邦政府的水电项目,则必须由联邦能源监管委员会颁发许可证授权进行建设,或者授权一个现有的项目继续进行运营。许多水电项目还发挥着其它的功能,如航运、防洪、休闲、灌溉和增大水流量。4.5关于非联邦政府水电项目的规定在1920年联邦水力法案通过之前,项目开发商需得到国会的一项特别法案才可以在航道上或联邦土地上修建和运营水电站。国会于1884年批准了第一个水电项目。第一次世界大战期间,对电力的需求大量增长。1920年,国会针对这一需求变化颁布了联邦水力法案,建立了联邦电力委员会。该委员会由战争部长、农业部长和内政部长组成,联邦电力委员会负责向非联邦水电项目颁发许可证,如果其影响到可航行水域,占用联邦土地,使用政府大坝的水或水力,或者影响各州之间的商业利益。该法案还要求联邦电力委员会只向那些其认为是最适于一个改善或开发一个或者多个河道的综合性项目颁发许可证。除了通过建立一个有序的水电开发途径以满足日益增长的电力需求,国会还希
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