水利动能计算.doc

1、FCDFCD14020水利水电工程初步设计阶段水利动能设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1997年8月水电站技术设计阶段水利动能设计大纲主编单位:主编单位总工程师： 参编 单位:主要编写人员： 软件开发单位： 软件编写人员：勘测设计研究院年月目次1. 引 言. 42. 设计依据文件和规范 . 43. 设计基本资料 . 44. 水利水能计算 . 65. 洪水调节计算 . 86. 电力电量平衡 . 107. 正常蓄水位选择 . 118. 死水位选择 . 129. 装机容量选择 . 1310. 应提供的设计成果 . 152.2 主要设计规范(1)DL 5021 93(2)DL/T5015 19

2、96(3)(4)SL 72 94(5)SDJ 12 78(6) SDJ 217-87(8)工程位于，是以为主, 等综合利用的水利水电枢纽工程。正常蓄水位 m,最大，m,死水位 m,总库容 m3,调节库容 m3,电站总装机容量 MW，年发电量 _kW h。灌溉面积 _km2。通航 _t级船队（舶）。本工程可行性研究报告于 年月审查通过，选定坝址为_。2 设计依据文件和规范2.1有关工程主要文件（1） 工程可行性研究报告；（2）工程可行性研究报告审批文件;（3）工程初步设计任务书；（4）有关部门的协议文件。水利水电工程初步设计报告编制规程；水利水电工程动能设计规范；水电建设项目经济评价实施细则；水

3、利建设项目经济评价规范；水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）及补充规定；水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（平原、滨海部分）（试行）；水电建设项目财务评价暂行规定 （试行）；建设项目经济评价方法与参数 （第二版）。3设计基本资料3.1 水文资料（1）径流资料。提示：（1） 无调节或日调节水电站采 用逐日平 均流量，年、季调节以上的 水电站采用历年逐月的平均流量资料，必要时汛期或河道流浚至封冻时期需采 用旬、日的流量资料。(2) 当上游有水库调节或工农业用 水时，需将实测径流还原为天然径流， 扣除设计水平年上游工农业用水并计入回归水，求出设计径流。当上游在设计 水平年有

4、调节能力大的水库投入时，应考虑其对设计径流的影响。(2) 水库水位与库容、面积关系曲线。提示：原始库容、面积曲线一般由(1 10000)库区地形图量算而得；不同淤积水平 年的库容曲线和面积曲线由水库泥沙专业人员提供；(2) 在多沙河流上并要考虑不同时期水库泥沙淤积对原始库容面积曲线的影响 所引起的变化。(3) 水库蒸发、渗漏损失。(4) 下游水位与流量关系曲线。 综合利用各部门用水过程线 (发电除外)。提示：应分为坝上取水和坝下取水两部分。(6) 洪水资料：各种频率的洪峰流量及洪水过程线。(7) 永久泄洪建筑物及其泄流曲线。3.2 社会调查资料3.2.1 地区社会经济概况收集工程影响地区的社会

5、经济现状和发展规划资料，包括人口、土地、矿产、水资源、 能源等以及自然灾害、工农业生产、交通运输业状况及发展规划。3.2.2 电力发展的要求3.2.2.1 收集电力系统现状及发展规划资料：(1) 负荷资料：负荷现状及发展资料的负荷特性，各负荷水平年的各月最大负荷、平 均负荷和典型日负荷曲线；(2) 电源资料：主要包括现有、在建和拟建的各类电站的地区分布、装机规模、运行特性(各月出力、调峰能力、煤耗曲线等)、发电经济指标以及待建电站的投资、年运行费等;(3) 电网资料：主要有网络结构及其发展、供电经济指标、新建输电线路的投资及费 用等。综合利用要求(1) 防洪：防护对象、现有设施及其标准，对本工

6、程的要求；(2) 灌溉：灌区范围：面积、保证率、用水量及年内分配、取水地点、取水方式和高 程;(3) 城镇和工业供水：供水现状和规划需水量、保证率、年引水量及过程线，取水口 位置和高程；(4) 航运及过木：航道及货运量现状和规划、通航季节、船舶规模、吃水深度以及对 流量、水位的要求；(5) 其它：渔业、旅游、环境保护等要求。4水利水能计算4.1 选择发电保证率和设计代表年4.1.1 选择发电设计保证率提示：(1)根据系统中的水电容量比重、水电站的规模和在电力系统中的任务和作用以及径流特性、水库调节性能、系统负荷特性等参照下表按水电站群统一选用。水电站设计保证率表电力系统中水电容量的比重，%&l

7、t;2525 50>50水电站设计保证率， %80 9090 9595 98(2)选择设计保证率时，应以保证率以外特枯水年水电站(群)的不足岀力可以用系统中火电站全部事故备用容量的50%弥补为限，否则须提高设计保证率；(3) 年或多年调节水库通常采用年保证率，季调节和径流式电站则采用历时保证率选择设计代表年提示:(1)可以用丰、平、枯三个代表年或用丰、平、枯、平偏丰及平偏枯五个代表年。一般应采用长系列径流资料进行计算；(2)水量选年法(年水量选年或蓄水期水量、供水期水量、供水期调节流量选年)精度较差。岀力选年法(即用供水期的岀力选年)精度较高，故以发电为主者常采用。4.2 保证出力计算提

8、示:(1)保证岀力计算有按流量(等流量或变流量)调节计算和按岀力(等岀力或变岀 力)调节计算两种。以发电为主初设阶段常采用精度较好的按岀力调节计 算的方法。一般常用的等岀力的调节计算方法如下：先假设一个保证出力值 N保，再逐月假设调节流量 Q调，按N=AQ调H 计算各月出力N(其中H为净水头，A为系数，初算可取8.38.5，初设 阶段可根据可研阶段机组选取)，使其等于N保。当计算至供水期末，水 库水位正好降到死水位时，则所假设的N保即为所求的保证出力。否则，则需重新假设N保，重新进行上述试算过程。见下表。保证岀力计算表(等岀力调节)年月入库 流量m3/s调节 流量m3/s水库 蓄放m3/(s

9、月)水库蓄水量上游 水位m下游水位m水 头m出 力MW月末m3/(s 月)水中m3/（s 月）水库的调节性能好的水电站在装机容量选择时，常采用更适应电力系统负荷季节 性变化的变岀力调节计算，即水电站按系统负荷要求发岀各月的岀力。其计算表 格同上表；(2)在实际工作中，常遇到的情况是水电站放水既要满足下游综合利用用水要求，又要满足系统用电要求。这时应对不同月份按控制的要求下泄流量 。4.3 多年平均发电量计算提示：可以用代表年和长系列径流资料计算多年平均发电量。取各代表年发电量的均值或者取长系列发电量的均值做为多年平均发电量。4.4 水电站群的补偿调节计算提示：水电站群的补偿调节，有水量补偿调节

10、和岀力补偿调节两种。其目的是为了提 高系统中水电站群的综合效益。补偿调节可以使水电站的部分季节性电能转化为保证电能，从而提高水电站群总的发电效益。441 选择补偿水库的条件(1) 调节库容大，调节性能好者；(2) 调节性能相同时，优先选用综合利用要求简单者；(3) 调节性能和综合利用要求相同时，优先选用水头高、距用电中心较近或单位投资 低者。提示：补偿电站可以是一个或几个。补偿调节计算方法提示：通常采用时历法列表计算。既可按等岀力，也可按变岀力进行计算。方法步骤如下：(1) 对被补偿电站利用本身的调节库容进行调节计算，用N=AQH公式求出各月平均出力N 被; 假定一个水电站群的总保证出力N总，

11、扣除各月的N被，即得各月所需的补偿出力N补；(3) 补偿水库按照各月的 N补放水发电；若补偿水库的综合利用要求都能满足，且到补偿期末其水位仍恢复至补偿起始水位，则所假定的 N总即为所求之总保证出力。否则需重新假定N总，再进行计算；(5)对设计水电站不同特征值方案所计算岀的水电站群总保证岀力及各水电站 逐月的平均岀力，作为方案比较的基本资料。以上为无水利联系的水电站群补偿调节计算。若是有水利联系则计算要复杂 些。当补偿电站处于被补偿电站下游时，被补偿电站的调节计算与无水利联 系的一样，而下游电站的入库流量需根据上游电站的下泄流量进行修正。当 补偿电站处于上游时，下游被补偿电站的入库流量受上游补偿

12、电站发电的影 响，计算就比较复杂了。5洪水调节计算提示：以发电为主的水库，洪水调节的主要任务是：(1) 提供泄洪建筑物设计依据；(2) 选择洪水起调水位(一般以正常蓄水位为起调水位 )；(3) 确定各种标准的防洪库容和相应水位。5.1 设计依据5.1.1 水工建筑物的设计洪水标准：按SDJ12 78及补充规定和 SDJ217 87的有关规定确5.1.2 下游防洪要求、上游重要厂矿防洪要求、防护对象、防洪标准和允许泄量。水库防洪运用方式，要确保水库的安全和实现下游防洪的要求。提示：(1)下游若无防洪要求，防洪运用方式比较简单，水库超过一定水位即可敞开泄洪设施泄洪，保证水库安全。下游若有防洪要求，

13、则需拟定合理的水库运用方式，既要满足下游防洪要求，又要确保大坝安全，故需有控制的泄流。 水库需确定防洪限制水位和防洪高水位。(2) 调洪计算中，当来水流量大于一定防洪标准或库水位超岀某个限制时，下泄量即不受限制。此时下泄量突然加大很多。当考虑对下游堤防和消能设施 有不利影响时，应采用逐步加大泄量的方式。(3) 水库最大泄量，不应超过最大入库流量。当利用预报腾空库容或对双峰型洪水的后峰腾空库容时，泄量可适当大于入库流量。汛期防洪限制水位选择 提示：(1)汛期防洪限制水位是汛期允许兴利蓄水的上限水位，并作为洪水的起调水 位。要考虑对发电、水库淹没、泥沙冲淤及淤积部位、水库寿命、枢纽布 置及水轮机运

14、行条件等的影响，通过不同方案的效益和费用比较，综合分 析确定。(2)根据水情规律有时可分期逐级提高汛期限制水位以提高水库的发电效益；(3) 汛期限制水位与正常蓄水位关系密切，两者常结合进行选择；(4) 在防洪、淹没、泥沙、枢纽布置等条件不变或相近的情况下，汛期限制水位选高些对发电和水轮机运行有利(其上限为正常蓄水位)。5.2 洪水调节计算方法提示：用不稳定流进行洪水调节是严格的方法，但在实际工程设计中，采用简化的方法也能满足设计要求。故可按照“列表试算法”(见下表)编成电算程序进行计算。计算步骤如下：水库调洪计算表时间入库泄量水库蓄水水库水库平均流量时段初时段末平均量变化蓄水量水位tQqiq2

15、qZv=(Q_d)心VZd hm3/sm3/sm3/sm3/sm3m3m3(1)已知初始时间 忙入库流量Qi、起调水位乙和初始的水库蓄水量V!及时段初的泄量(2) 假设时段末的泄量q2,算出平均泄量q、水库蓄水量变化V、时段末的水库蓄水量V2,并根据V2查出时段末的Z2，根据Z2查出q2；(3) 如计算的q2等于假设的q2则该时段的计算完毕；如不相等则需重新假设q2进行计算；(4) 以上述时段末的q、V、Z做为第2个时段的初始值，继续进行计算；(5) 计算岀水库最高水位，它与起调水位间的库容即所需的防洪库容。5.3 洪水调节计算成果(1) 水库设计洪水位、校核洪水位、防洪高水位及汛期限制水位；

16、(2) 水库调洪库容和防洪库容；(3) 设计洪水时最大泄量及相应下游水位；校核洪水时最大泄量及相应下游水位;(4) 水库淹没征地和移民要求的调洪成果。6电力电量平衡6.1 电力电量平衡的原则电力电量平衡要求全电力系统在电力、电量和调峰能力方面都达到供需平衡。电力电量平衡主要原则：提示：有必要时，可进行分区电力电量平衡(1) 优先充分利用已建水电站的容量和电量；(2) 各种电站要在满足调峰要求的前提下，首先利用设计水电站的容量和发电量，根据其可提供的电量(枯水时)和电力系统可利用的电量(丰水时)，确定在负荷图上的工作位置, 以充分利用水能节省燃料。；(3) 根据各电站的特性合理分配备用容量；提示

17、：事故备用容量采用系统最大负荷的10%左右，一般可按各类电站的工作容量比例分配。负荷备用容量采用系统最大负荷的 2%5%,并宜由靠近负荷中心的， 且具有大水库和大机组的水电站担负。检修容量应根据全系统的电力平衡确定； 各类电站的检修时间为：火电机组 45天，水电机组30天，核电机组60天。多 沙河流的水电站检修时间可适当增加。(4) 开机容量的允许最小技术出力，应小于或等于最小负荷；(5) 全系统开机容量中的可调容量(额定容量减去受阻容量)应大于或等于系统日最大负荷与旋转备用之和。旋转备用为全部负荷备用加一半事故备用；(6) 水电站的运行方式应满足预定的综合利用要求。6.2 电力电量平衡的方法

18、与步骤6.2.1 将参加调节计算和电力电量平衡的全部水电站的月平均出力乘以24h，算出各电站逐月的平均日电量，用各月的日电量在各月的最大日负荷曲线上进行电力电量平衡，确定各 水电站的工作位置和相应的日电量。平衡中安排不上的电量即为强制弃水电量。提示：已建电站的装机容量、检修安排、负荷及事故备用都应是已知的。其在负荷图上的工作位置用日负荷电量累积曲线可首先确定。设计水电站则根据本站的日电量和拟定的装机容量方案安排在负荷图上空闲的有利的位置（充分利用其容量和电量）。负荷图的其余空位则由火电填补。上述平衡完毕后应检查是否 满足调峰和旋转备用的要求，若不满足，则应调整设计水电站的备用容量的 安排和工作

19、位置，直至满足为止。若已建水电站的安排不够合理也可进行适 当的调整。这时设计水电站在平衡中所需的电量就是“被系统吸收利用的电622 将各月最大负荷日电力电量平衡的结果放到年最大负荷图上，即得全系统的电力电 量平衡图。将设计水电站在丰、平、枯三个代表年中各月的“被电力系统利用的电量”年均值 即为设计水电站的电量效益。提示：电力电量平衡的方法和精度要求，视设计水电站的规模及在电力系统中的作用、系统中电源组成、所掌握的各电站的基本资料情况等确定。7正常蓄水位选择7.1 选择的原则提示：正常蓄水位选择，应根据电力系统和其它部门的要求及水库淹（浸）没、水利资源利用、库尾泥沙淤积、坝址地形、地质、水工布置

20、、施工条件、梯级影响、 生态与环境保护等因素，拟定不同方案，通过技术经济比较及综合论证，选 定合理的方案。7.2选择工作内容与方法7.2.1 拟定方案拟定不同正常蓄水位方案。根据可行性研究阶段对正常蓄水位的选择成果和审查意见,水能调节计算根据初拟的水库运行方式和消落深度，进行各方案的径流调节计算（一般用代表年或代表期进行等出力或变出力调节计算），初拟方案装机容量、机组机型，算出各年逐月的库水位、发电流量、尾水位、水头、出力、电量以及保证出力和多年平均发电量。发电效益计算（1）用保证出力，经电力电量平衡确定各方案的装机容量；提示：正常蓄水位选择阶段，各方案确定装机容量的原则和方法应该一致。女口：

21、各方案在负荷图上的工作位置应大致相应；各方案应遵循相一致的电力电量平衡原则(2) 取各方案的必需容量的均值作为该方案的容量效益；(3) 用丰、平、枯三个代表年计算多年平均发电量(扣除水库下泄流量大于机组引用流 量部分的弃水电量)。提示：对于水电比重较大的电网， 水电站可能有强制弃水， 故应进行各代表年的电力电 量平衡计算多年平均发电量。724 工程费用和淹没指标提示：费用包括基建投资和年运行费。 基建投资应分年列岀投资额， 一般由施工预算提 岀。水库淹没损失资料由水库专业提供。年运行费率根据已建电站调查统计和 有关规程规范确定。方案经济比较提示：(1)原则上应按国民经济评价结果进行比较。既可按

22、照不同方案所含全部因素的费用和效益进行比较，也可仅就有关因素的费用和效益进行局部的对比；(2)以济比较的方法有差额内部收益率法、经济净现值法或经济净年值法、经济效益费用比法、费用现值法或年费用法。正常蓄水位选定根据上述诸项计算分析和地质、泥沙、航运、水工、施工、生态与环境保护等专业的 工作成果，经过综合比较论证选定正常蓄水位。提示：(1)正常蓄水位是水库或水电站的主要特征值，它直接影响工程规模和其它特征值，且涉及的面广，情况复杂。既要全面考察，又要分清主次，抓住主要 矛盾，同时采用逐步渐近的方法。即首先初步选定某些特征值(如消落深度、 装机容量、机组机型等)进行不同正常蓄水位方案比选。在正常蓄

23、水位初步 选定的基础上选定其它特征值。当选定的这些特征值与初步选定的岀入较 大时，需再根据这些选定的其它特征值对原正常蓄水位比选或选定方案进 行复核；(2) 选择正常蓄水位时，要特别重视水库淹没，将淹没损失的大小和移民安置的难易程度作为方案比较的重要因素；(3) 梯级开发电站应注意下游电站对上游电站尾水位的提高所损失的电力及电量；(4) 多沙河流上，正常蓄水位应结合汛期排沙水位共同进行比较。8 死水位选择在正常蓄水位已定的情况下，选择死水位，应比较不同方案的电力、电量效益和费用, 并考察其它部门对水位、流量的要求和泥沙冲淤、水轮机运行工况以及闸门制造技术对进 水口高程的制约等条件，综合分析比较

24、确定。8.2 选择工作内容与方法8.2.1 拟定方案提示：通过对前阶段成果的分析和审查意见的研究，可大致确定死水位的变化范围，在此范围内拟定死水位比较方案，然后进行技术经济比较和综合分析论证。822水利水能计算提示：计算内容与方法和正常蓄水位选择一样。发电效益计算提示：计算方法同正常蓄水位选择。工程费用提示：死水位的变化，可能影响水工、机电投资，因此需就不同死水位方案对工程总 投资和相应运行费进行修正。方案比较选定根据计算的各方案费用和效益进行经济比较，比较方法同正常蓄水位选择一样。依据经济比较的成果并考虑其它综合利用部门的要求以及库区泥沙冲淤、水轮机运行 工况、闸门制造技术等进行综合分析选定

25、死水位。提示：(1)有时可不必做经济比较即能选定死水位。如综合利用部门要求的死水位高 于发电最有利的死水位，则可按综合利用部门要求选取死水位。又如在 满足综合利用部门要求的情况下，方案间的费用相差甚少，则可根据能 量指标选取死水位；(2) 死水位选择要重视库区泥沙淤积问题，由于库尾淤积上延可能造成大量淹没、浸没损失的情况下更需慎重。还需考虑到泥沙的随机性，要留有充 分的余地；(3) 对国内已建成以发电为主的大、中型水电站的统计，其最有利消落深度一般为最大水头的20%40%，平均值约为30%。9装机容量选择根据水库的调节性能、综合利用要求、系统负荷水平及其特性、水电站的供电范围及 其在电力系统中

26、的作用、水火电比重、各类电站的合理运行方式等方面的分析研究，进行 各种代表年的电力、电量、调峰能力平衡，计算出各装机容量方案的容量、电量效益和费 用，经综合比较确定装机容量。提示：(1) 以防洪、灌溉、航运或给水为主的工程，其水电站装机容量应根据主管部门的要求所制定的水库运行方式进行选择；(2) 低水头水电站的装机容量选择，应特别注意洪水期水头降低，出力减少的影响；(3) 单独供电的中型水电站及占系统容量比较小的水电站，其装机容量选择可采用简化方法。9.2 选择工作内容和方法9.2.1 拟定比较方案提示：初设阶段主要是按照可行性研究阶段对装机容量选择成果和审查意见的要求， 对前一阶段工作的成果

27、进行复核。既可就前阶段的各比较方案进行复核，也 可在前阶段推荐方案上、下拟定若干方案进行复核。922 选定供电范围提示：一般应在流域规划和电力系统规划的基础上分析研究供电范围。此项工作应与电力系统的设计单位共同研究，必要时提岀初步意见报上级批准。选择设计水平年和负荷水平提示:(1)水电站的设计水平年可采用第一台机组投入后的5年10年年确定，也可经逐年电力电量平衡，选取水电站的效益达到设计值的年份。(2) 设计负荷水平既可采用电力系统发展规划中的预测成果，也可以和电力部门协商确定。(3) 目前，在各大电网用电普遍紧张，拉路限电比较严重的情况下，水电站建成后其发电容量和电量会立即被电力系统吸收。因

28、此，其建成投产年份即可作为设计水平年。另外，为了与有关部门发展计划相适应，设计水平年 最好能与国民经济发展计划相一致。编制负荷曲线提示：编制电力系统各月最大负荷曲线和各月平均负荷曲线及四季或冬、夏季典型日负荷曲线。若电力系统资料较多，又无特大型的电力用户投入，宜采用历史 负荷曲线修改法编制典型日负荷曲线。经济比较对各装机容量方案进行丰、平、枯代表年的电力、电量、调峰能力平衡，同时计算各 方案的总费用（也可只计算各方案不同因素的费用），取费用最小者为选中的方案。提示：（1）结合机组机型及台数选择，最后选定装机容量；（2）电力、电量效益计算必要时根据选定的装机容量，用电力电量平衡的方法计算;（3）通航河道上的电站装要容量，应考虑下游调峰不稳定对装机容量的影响。10应提供的设计成果10.1 按水利水电工程初步设计报告编制规程（SD5021 93）的要求，编写水利动能报10.2 水利动能特性表，见下表 1水利动能特性表序 号 及名 称单位数量备注一、水库1.水库水