第三章-水電站水能計算

第三章水電站水能計算第一節(jié)水能計算的基本方程和主要方法第二節(jié)電力系統(tǒng)及其容量組成第三節(jié)水電站水庫消落深度、保證出力和多年平均發(fā)電量第四節(jié)水電站裝機容量選擇第五節(jié)水電站水庫調度圖第六節(jié)無調節(jié)水電站水能計算第七節(jié)抽水蓄能電站簡述勢能(potentialenergy)動能(kineticenergy)水能設T秒時段內流過兩段面的水量為Wm3)2(2222112121211gVVPPZZWEEE2aaγ-+-+-=-=γ—斷面2-2處水流的總能量為:E2=)2(22222gVPZWaγγ++斷面1-1處水流的總能量為:)2(21111gVPZWaγγ++E1=1、水能計算的基本概念

第一節(jié)水能計算的基本方程和主要方法

V1V21122ΔZ1ΔZ2P1P2河段的潛在水能Z1-Z2

=H1-2-γ21PP?0?0功率出力(output)NTEN2121--=TWH21-=g=γQH1-2(牛頓·米/秒)1千瓦=1000牛頓·米/秒，γ=1000×9.81N/m3N1-2=9.81QH1-2（千瓦）——水流出力計算公式2222211gVVaa-E1-2=γ·W·H1-2（牛頓·米）＝γ·Q·t·H1-2=9807Q·t·H1-2V1V21122ΔZ1ΔZ2P1P2河段的潛在水能

1.水量損失2.水頭損失H凈=Z上－Z下－ΔH引3.功率損失水電站效率η=η水×η傳×η電水電站的出力公式為：N=9.81ηQ電

H凈（kw）ΔHAAQΔH引ΔZ下H凈ΔZ上Bη水——水輪機的效率η傳——傳動設備的效率η電——發(fā)電機的效率令A=9.81η水電站出力計算公式可表示為：

8.5，

大型水電站（裝機N＞25萬千瓦）

8.0~8.5，中型水電站（N=2.5~25萬千瓦）

6.0~8.0，小型水電站（N＜2.5萬千瓦）AA——出力系數(shù)N=AQ電

H凈（千瓦）水電站的出力公式為：N=9.81ηQ電

H凈（kw）2、水力發(fā)電的方式（一）壩式蓄水式

徑流式——形成水庫來集中水能，水電站能進行徑流調節(jié)。

——不形成水庫供徑流調節(jié)，水電站只能引取天然流量發(fā)電。2.壩式水電站的分類：1.概念：在天然河道中攔河筑壩，形成水庫，以抬高上游水位，集中河段落差，這種開發(fā)方式稱為壩式開發(fā)。壩后式河床式——廠房布置在壩的后面

——廠房成為擋水建筑物一部分3.壩式開發(fā)的特點：①水頭相對較小；②一般能形成蓄水庫，電站引用流量大，綜合利用效益高；③投資大，工期長，通常單位造價高，且上游形成淹沒區(qū)。4.壩式開發(fā)的適用條件：適于流量大，坡降緩，且有筑壩建庫條件的河段。有回水湖北丹江口、浙江新安江水電站屬于壩后式湖北葛洲壩、浙江富春江水電站屬于河床式河床式電站

萬家寨壩后式水電站壩后廠房（二）引水式無壓引水式水電站:沿岸修建坡度平緩的明渠來集中落差。有壓引水式水電站:有壓隧洞或管道集中落差。1.概念：沿河修建引水道，以使原河段的落差集中到引水道末廠房處，從而獲得水電站的水頭，所引取的平均流量為河段首處的平均流量。2.分類：云南以禮河、金沙江梯級電站屬于該類型。3.引水式開發(fā)的特點：①水頭較高；②電站引用流量小，水量利用率差，綜合利用效益低；③無水庫淹沒損失，工程量小，單價一般較低。4.引水式開發(fā)的適用條件：河道坡降陡，流量較小或地形、地質條件不允許筑壩的河段。1—原河道；水頭HΔZ上ΔZ下2—明渠；3—取水壩；4—進水口；5—前池；6—壓力水管；7—水電站廠房。1234567無壓引水式水電站及其主要建筑物有壓引水式水電站引水建筑物是有壓的：壓力隧洞主要建筑物：低壩，有壓隧洞，調壓室，壓力水管，廠房，尾水渠。（三）混合式水電站2.開發(fā)條件：當河段上游坡降較緩且有筑壩建庫條件，下游坡降陡且有條件集中較大落差時，采用混合式開發(fā)較經(jīng)濟。1.概念：在一個河段上，用壩集中一部分落差，再通過有壓引水道集中壩后河段的另一部分落差。我國四川獅子灘、福建古田溪、東北鏡泊湖等屬于混合式開發(fā)方式。

3、水能計算內容

水能計算或水能設計的主要內容是通過不同方案的綜合經(jīng)濟比較來選定合理的正常蓄水位，保證出力，裝機容量和多年平均電能。水能計算任務是確定電站效益與工程規(guī)模之間的關系。電站效益通常用保證出力和多年平均電能兩指標來衡量，而工程規(guī)模則以水庫正常蓄水位和有效庫容、引水渠道尺寸及電站裝機容量為指標。本章介紹正常蓄水位已定條件下的水能計算方法。4、水能計算的基本方程和主要方法

4.1列表試算法

4.2半圖解法

出力落差發(fā)電流量下游水位上游水位水庫蓄水量（104Kw)（m）（m3/s)（m）（m）（m3/s)月（m3/s)6.449157.4191.86240.8664.0142.752148.3191.80243.8075.0149.155140.2191.75246.7589.5159.658132.9191.70249.70105.5172.061126.4125.0188.26.64.2半圖解法

時段天然流量Q水庫蓄水量V出力N發(fā)電流量q水庫蓄放流量Q-q庫水位Z上棄水（m3/s)（m3/s)月（m3/s)（104Kw)（m3/s)（m3/s)（m)（m3/s)月（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）94247.65254160.52219.5187.566.5257.36248284.5188164.084.02657145.38107.394010911、電力系統(tǒng)和負荷圖若干個電站及用戶之間用輸電線聯(lián)結為一個共同的電力網(wǎng)，稱為電網(wǎng)或電力系統(tǒng)。

第二節(jié)電力系統(tǒng)及其容量組成系統(tǒng)負荷是其用戶用電要求的匯總。基荷指數(shù)：該指數(shù)越大，基荷占負荷圖的比重越大，表示用戶的用電情況比較穩(wěn)定。日最小負荷率該指數(shù)越小，表示負荷圖中高峰與低谷負荷的差別越大，日負荷越不均勻。日平均負荷率該指數(shù)越大，表示日負荷變化越小。日負荷圖（一）日負荷圖（二）年負荷圖

日最大負荷年變化曲線（年最大負荷圖）日平均負荷年變化曲線（年平均負荷圖）

年負荷圖常用特性指數(shù)反映負荷在月內、季內及年內變化特性。（1）月負荷率σ：表示在一個月內負荷變化的不均衡性。用該月平均負荷與最大負荷日的平均負荷之比表示。（2）季負荷率ζ：表示在一年內月最大負荷變化的不均衡性，用全年各月最大負荷的平均值與年最大負荷之比表示。

（3）年負荷率δ：表示一年的發(fā)電量E年與最大負荷Nmax相應的年發(fā)電量的比值：2、系統(tǒng)的容量組成系統(tǒng)總裝機容量水電站裝機容量火電站裝機容量水電站必需容量水電站重復容量系統(tǒng)重復容量系統(tǒng)必需容量系統(tǒng)備用容量系統(tǒng)最大負荷系統(tǒng)最大負荷電力系統(tǒng)容量組成示意圖負荷備用容量為最大負荷的2％～5％。系統(tǒng)事故備用容量一般可取系統(tǒng)最大負荷的8％～10％，但不應小于系統(tǒng)中最大單機容量。N系裝=N必+N重=N系工〞+N系備+N系重＝N工〞+N負備+N事備+N檢備+N重3、水、火電站的工作特性

水電站的技術特性：1）水電站的電力生產情況受河川徑流隨機性的影響和制約；2）具有綜合利用任務的水電站，其工作方式受其它部門用水的影響；3）水能是再生性能源，水電站的年運行費用與所生產的電能量無關，因此在豐水期內應盡可能多發(fā)水電，少發(fā)火電，以節(jié)省系統(tǒng)的燃料消耗，降低電量成本；4）水電站機組開停靈便、迅速，適宜擔任系統(tǒng)的調峰、調頻和事故備用等任務；5）水電站的建設地點要受水能資源、地形、地質等條件的限制。水電火電運行靈活，開機到發(fā)電1-2分鐘，可調峰、調頻運行遲鈍，點火到發(fā)電2-3小時，不宜調峰、調頻能源為水能，成本是火電的

1/3～1/7，但可靠性差能源為煤、油、天然氣，成本高，但可靠性好改善環(huán)境，污染少，但要防止淹沒、浸沒，注意綜合利用灰塵、廢氣污染環(huán)境機組可逆，既可抽水，又可發(fā)電機組不可逆廠用電為年發(fā)電量的1.0%廠用電為年發(fā)電量的2.5%可以儲存水能，立即用來處理事故可以儲存煤能，不能很快處理事故水電站與火電站特點的對比歸納4、水、火電站的工作方式4、水、火電站的工作方式圖3-9水電站工作位置的確定第三節(jié)水電站水庫消落深度、保證出力和多年平均電能計算1、保證出力與消落深度的關系在水庫正常工作中，水庫水位隨來水和用水的變化而升降。水庫水位在設計枯水段內升降的最大幅度稱消落深度。在正常蓄水位和死水位已定的情形下，它們的高差即是消落深度。

保證出力是指水電站在多年運行期間為電力系統(tǒng)提供具有一定保證率的電能，是電站在設計枯水段內的平均出力，用Np表示，該設計枯水段內的電能叫保證電能，Ep。

①線:河流的中下游，庫容小、流量大的低水頭水電站中。②線:河流的中上游，流量小、庫容大、水頭也大的混合式水電站中。③線:河流中下游蓄水式水電站中。取極值點的消落深度為最優(yōu)，(浙江新安江水電站)。水電站消落深度不應超過最大水頭的30％～40％

1、保證出力與消落深度的關系2、保證出力計算（長系列法）

先擬定若干個死水位，對每一個死水位方案，求出水庫各年中供水期的平均出力N，如有n年資料，就可點繪N～P關系曲線。由已定的電站保證率P可查得相應的保證出力Np。當水電站受最大消落深度限制和其他用水部門要求所允許的死水位在極點下面時，則EP和死水位選在極點處，可提供的Ep為最大。當所允許死水位在極點之上時，就選定該死水位和其相應的保證電能。對于每一個死水位方案，都可通過長系列操作，求出相應的保證出力值(或保證電能值)，并點繪出死水位與保證電能關系曲線。2、保證出力計算（長系列法）

3、保證出力計算（典型年法）

選用設計枯水年的供水期進行水能計算，推求保證出力(對于多年調節(jié)用設計枯水年組)。常用方法有等出力法和等流量法兩種。等出力法是指設計時期內出力均相等，而等流量法是指設計時期內用相同流量發(fā)電求出各時段出力，取其平均作為電站的保證出力。等出力法:先假定幾個保證出力NP，對每個NP在設計時期內由正常蓄水位開始逐時段進行水能計算，直到供水期末，求出水庫的最低水位。

3、保證出力計算（典型年法）

3、保證出力計算（典型年法）

逐時段等流量法：先假定幾個死水位，對各死水位方案求出興利庫容(正常蓄水位已定)。設計枯水段內的平均流量=（W供+V興)/T供，然后，通過逐時段水量平衡，求出各時段出力，取其平均值。3、保證出力計算（典型年法）

簡化等流量法:假定一個死水位，求出平均庫容，查出相應平均庫水位，再由調節(jié)流量q查下游水位流量關系曲線得下游，計算設計時期平均出力。4、多年平均電能計算（簡化計算方法）

多年平均電能是指電站多年工作期間，平均每年能生產的電量。其大小一般取決于水電站裝機容量和平均水頭兩因素。平水年法：取P一50％的平水典型年，用早蓄或晚蓄或中間方案或用調度圖進行水能計算，以該年發(fā)電量作為多年平均電能。豐、平、枯三年法：(1一P)

、50％、P，進行水能計算，以三年電能的平均值作為多年平均電能。代表年期(年組)法：選一段連續(xù)水文年組為代表，計算多年平均電能。（代表年組內應包括豐、平、枯三種水量的年份，代表期的年徑流均值、Cv和多年系列的均值、Cv要大致相近，在代表年期內，水庫至少要蓄滿一次和放空一次。）第四節(jié)水電站裝機容量選擇1、工作容量的N工的確定（無調節(jié)水電站基荷）首先要知道該電站的保證出力，其次要知道該電站在電力系統(tǒng)中的工作位置，最后取負荷變化的最大值作為設計值。通過電力系統(tǒng)的電力電量平衡計算而定。無調節(jié)水電站，因沒有調節(jié)庫容，如果天然徑流不利用來發(fā)電就會棄水，故它只能任基荷，盡量發(fā)電此時水電站工作容量N工=Np。2、工作容量的N工的確定（日調節(jié)水電站擔任基荷或峰荷）已知水電站的日電量E水日（E‘水日），讓水電站擔任峰荷（基荷），求水電站的工作容量及其相應的工作位置。水電站在日負荷圖上的位置3、工作容量的N工的確定（日調節(jié)下游有綜合利用要求）4、工作容量的N工的確定（日調節(jié)水電站）已知水電站的工作容量N水及日電量E水日，求水電站其在日負荷圖上的工作位置。5、工作容量的N工的確定（年、多年調節(jié)水電站）假設幾個水電站工作容量方案；對每個假定的工作容量，在圖中查得相應不同月份水電站最大工作容量；分別在供水期各月典型日負荷分析曲線上，用各月最大工作容量查出擔任峰荷時日電能E日。供水期所需總電能為E=30.4∑(σE日)5、工作容量的N工的確定（年、多年調節(jié)水電站）每個假定的工作容量方案，都可用上面方法求出供水期電能。從而繪制出不同工作容量與供水期電能E供的關系曲線)。由水電站保證電能E，查得相應水電站工作容量。多年調節(jié)水電站計算方法和年調節(jié)一樣，先繪制工作量與相應全年電能關系曲線，再由水電站保證電能值查得相應的工作容量。6、重復容量選擇6、重復容量選擇重復容量年補充利用小時數(shù)也可根據(jù)經(jīng)驗定出，如蓄水式水電站可取2000～3000h，引水式水電站取3000～4000h，并考慮下列諸因素：在水力資源較豐富地區(qū)，可取上限，反之用下限；農業(yè)排灌負荷大的電力系統(tǒng)取較小值，反之取大值。7、裝機容量裝機容量=工作容量+備用容量+重復容量第六節(jié)無調節(jié)水電站水能計算無調節(jié)水電站保證出力:符合設計保證率要求的日平均出力?；静襟E：

1）根據(jù)實測徑流資料的日平均流量變動范圍，將流量劃分為若干個流量等級；

2）統(tǒng)計各級流量出現(xiàn)的次數(shù)；

3）計算各級流量的平均值，查水位流量關系曲線，求得相應的下游水位Z下；

4）計算各級流量相應的水電站凈水頭H=Z上-Z下-△H；

5）計算電站的出力N=KQH。注意：上游水位一般維持在正常蓄水位。第六節(jié)無調節(jié)水電站水能計算流量分組（m3/s）分組平均流量（m3/s）出現(xiàn)次數(shù)累積出現(xiàn)次數(shù)頻率（%）（1）（2）（3）（4）（5）5.2～5.495.35112.74.9～5.195.05125.44.6～4.894.75025.44.3～4.594.45138.14.0～4.294.151410.83.7～3.993.850410.83.4～3.693.551513.53.1～3.393.251616.2第六節(jié)無調節(jié)水電站水能計算圖1日平均出力保證率曲線N～P圖2日平均出力持續(xù)曲線N～T分組平均流量水頭H出力N=7QH出力差ΔN頻率P保證歷時t=8760P電量差ΔE=ΔN.t

累積電量E裝機年利用小時數(shù)h年=E/N5.3521786.4544.12.723710431228769929095.0521742.3544.15.447320861227726930684.7521698.2544.15.447320861225640732324.4521654.1544.18.171031292223554634174.1521610.0544.110.894641722220425536133.8521565.9544.110.894641722216253338213.5521521.8544.113.5118352153212081140643.2521477.7544.116.2141962583206865843302.9521433.6544.118.9165673014200607546262.6521389.5544.121.6189283444193306149622.3521345.4544.124.7216495420184961753542.0521301.3544.135.13075135597175419758211.7521257.2544.148.64257187750161860062921.4521213.1544.159.55212229858143085067131.1521169.0544.167.65922261150120099271040.8521124.9544.170.3615827158093984375220.552180.8544.191.9805035502466826282650.252136.7536.7597.385233132383132388523年調節(jié)水電站的水能計算長系列法：①對實測徑流資料逐年進行供水期的水能計算，求出各年供水期的平均出力；②將供水期的平均出力從大到小排列，計算其經(jīng)驗頻率，并繪制供水期平均出力保證率曲線；③根據(jù)已知的設計保證率在曲線上查處相應的供水期平均出力即為年調節(jié)水電站的保證出力。年調節(jié)水電站保證出力：符合設計保證率要求的供水期平均出力?！纠}】某無調節(jié)水電站的正常蓄水位為469m。已知該水電站水庫庫容曲線，下游水位流量關系線，以及多年日平均徑流系列資料。（1）試通過水能計算求出該水電站的設計保證率取85％時的保證出力。（2）如該水電站的裝機容量定為80kW，計算出該水電站的多年平均年發(fā)電量。

說明：(1)上游水位取正常蓄水位；

(2)水頭損失為0.5m(3)出力系數(shù)K＝8.3。

無調節(jié)水電站保證出力計算

根據(jù)表中第(5)欄和(8)欄的計算數(shù)據(jù)，可點繪出該水電站的水流出力保證率曲線和水流出力持續(xù)曲線。若該水電站的設計保證率取85％，則從圖中可查出該水電站的保證出力為53kw。如該水電站的裝機容量定為80kW，從圖中可計算出該水電站的多年平均年發(fā)電量為44.05億kW．h。

某無調節(jié)水電站日平均出力保證率曲線P=85%NP=53P=85%QP=2010某無調節(jié)水電站日平均流量保證率曲線【例3】某水電站為壩式年調節(jié)水電站，設計保證率為80%。水庫以發(fā)電為主，興利庫容V興＝3152萬m3，死庫容V死＝1