水资源规划与利用-沅水五强溪水库水利计算毕业设计

水资源规划与利用--沅水五强溪水库水利计算毕业设计水资源规划与利用---------沅水五强溪水库水利计算姓名:专业:时间:目录1根本情况…………………31.1流域概况………………31.2开发任务………………31.3设计任务………………41.4设计前提………………41.5设计内容………………51.6设计原始资料…………52兴利计算………………102.1根本资料整理………102.2死水位确实定………102.3保证出力计算………132.4水电站必需容量选择………………152.5水电站调度图绘制…………………162.6重复容量选择与多年平均电能计算………………203防洪计算………………243.1水库调洪计算………243.2坝顶高程确实定……………………26附表………………………45附图………………………701根本情况1.1流域概况 五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内,上离沅陵县城73km,下距常德市130km。坝址控制流域面积83800km2,占沅水总流域面积的93%,流域雨量充分,水量丰富,坝址多年平均流量2060m3/s,年水量649×108m3,并有1925年以来的水文资料和核实的历史洪水资料。坝址位于沅水干流最后一段峡谷出口处,岩性坚硬,地形地质条件良好。具备了修筑高坝的自然条件。在沅水规划中,五强溪水电站为沅水干流最后第二个梯级,上游接虎皮溪及酉水的风滩(已建成)梯级,是一个以发电为主,兼有防洪、航运效益的综合利用水库,系湖南省最大的水电电源点。1.2开发任务五强溪水电站是以发电为主、兼有防洪、航运和灌溉等效益的综合利用工程。其开发任务分述如下:五强溪水电站建成后投入华中电网,主要供电范围为湖南省。沅水下游赤山以西的桃源、常德、汉寿三县及常德市所属平原河网地区,统称沅水尾闾。这个地区地势低洼。全靠提防保护,共保护人口106万,农水159万亩。现有河道的泄洪能力20000m3/s,如遇1927、1931、1933、1935、1943、1949、1954、1969等年洪水重现,河道均不能完全承泄,防洪标准仅为5年一遇。五强溪水库靠近沅水尾闾,控制全流域面积的93%,解决尾闾防洪问题,是它的根本防洪任务。五强溪水电站的航运效益为改善水库区和坝下游河道的通航条件。沅水是湘西的水上交通动脉,其干流全长1550km,通航里程为640km,但航道险滩很多。五强溪水库修建以后,坝址以上,沅水以下河段成为常年深水区,其险滩都将淹没。下游航道,确定五强溪航运基荷按10万kw相应流量考虑,枯水流量加大,上、下游航道均可改善。每年自5月下旬至9月下旬为灌溉季节,在该季节自水库上游直接引走的灌溉流量平均为35m3/s。1.3设计任务本次设计任务是对五强溪水电站的诸方案(即正常蓄水位)已给的情况下,进行水库的兴利与防洪计算,确定各方案水利设备的参数,水库的调节操作方式及计算水利指标,并通过经济分析,比拟方案之优劣。1.4设计前提1.本水利枢纽是以发电、防洪为主要目标的综合利用水库;2.水电站参加系统工作,发电设计保证率P87.5%(按年份计);3.水电站的备选方案(正常蓄水位)见表1.1;方案 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ正常蓄水位(m) 120 115 108 1004.本水利枢纽根据国家规定属一级,以千年一遇洪水为设计标准,万年一遇洪水为校核标准,电站使用年限为50年计;5.水库库区蒸发渗漏等水量损失不大,故在初步设计阶段暂时不考虑;6.水库下游有防洪要求,设计标准为二十年一遇洪水,平安泄洪流量q安20000m3/s。1.5设计内容1.水电站死水位选择及保证出力NP计算;2.水电站装机容量选择;3.绘制水电站调度图的防破坏线,加大出力辅助线,确定汛期限制水位;4.求重复容量,计算水电站多年平均电能;5.进行防洪计算,确定各种防洪特征水位及坝顶高程;6.求水利指标;7.经济计算,比拟方案优劣。1.6设计原始资料1.坝址以上流域面积F83800km2;2.坝址断面历年月平均流量资料(见附表一);3.水库水位~面积、库容曲线见表1.2;4.坝址下游水位流量关系曲线见表1.3;5.为改善下游通航条件,确定五强溪航运基荷按10kw计;6.船闸操作需要耗用10m3/s,此局部流量不能用来发电;表1.2水库水位~面积、库容曲线表高程(m) 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140m3/s.月 0 9.175 60表1.3坝址下游水位流量关系曲线表水位m 流量m3/s 水位m 流量m3/s 水位m 流量m3/s 水位m 流量m3/s48.5 204 53.0 3320 57.5 9470 66.0 2520049.0 350 53.5 3360 58.0 10300 67.0 2720049.5 545 54.0 4420 59.0 12000 68.0 2930050.0 795 54.5 5040 60.0 13700 69.0 3160050.5 1120 55.0 5720 61.0 15600 70.0 3380051.0 1490 55.5 6450 62.0 17500 71.0 3600051.5 1900 56.0 7200 63.0 19300 72.0 3830052.0 2350 56.5 7950 64.0 21200 73.0 4030052.5 2820 57.0 9700 65.0 23200 74.0 434007.每年5月下旬至9月下旬为灌溉季节,在该季节自水库上游直接引走的灌溉流量平均为35.0m3/s,此局部流量亦不能用来发电;8.在沅水规划中,五强溪水电站上游将干流的虎皮溪及酉水的风滩(已建成)梯级,其尾水水位124m及114.2m,各正常蓄水位方案对上游风滩的影响见表1.4;表1.4各正常蓄水位方案对上游风滩的影响方案(正常蓄水位) Ⅰ(120m) Ⅱ115m Ⅲ108m Ⅳ100m减少风滩 Nkw 0.284 0.02 0 0E(亿kw.h) 0.228 0 0 09.沅水尾闾洪灾情况、洞庭湖分分蓄洪提防根本情况见表1.5、1.6;表1.5沅水尾闾历年洪灾情况年份 常德最大流量m3/s 洪灾情况1927 24800 酉水特大洪水,尾闾未见灾情记载1931 29700 尾闾淹田100万亩,淹死3049人1935 29900 尾闾淹田93万亩,淹死3430人1938 20600 黔阳淹5万余亩,尾闾未见灾情记载1943 28600 沅陵、桃源灾情较重,常德、汉寿未见灾情记载1949 24700 尾闾淹田71万亩,受灾35万人1954 24300 尾闾淹田73万亩1970 22900 安江一带灾情严重,尾闾无灾1974 21700 表1.6历年较大洪水所需拦洪量单位:108m3年份 1933 1931 1935 1949 1969 1954 1970 1974 193810.五强溪水库入库设计洪水过程线(见附表二);11.水库最大吹程15km,设计风速12km/s;12.各方案泄洪建筑物参数见表1.7;表1.7各方案泄洪建筑物参数表方案泄洪建筑物 Ⅰ120m Ⅱ115m Ⅲ108m Ⅳ100m溢洪坝 孔数 10 12 12 14坝顶高程m 108 101 94 84孔口尺寸(宽×高) 15×12 15×14 15×14 15×16中孔 孔数 1 1 1 0底坎高程m 82 82 82 0孔口尺寸(宽×高) 13×8 13×8 13×8 02兴利计算沅水五强溪水电站水库正常蓄水位共有120m、115m、108m、100m四个方案,本次设计将对这四个方案进行比拟,并选定最优方案。2.1根本资料整理设计原始资料给定的流量是坝址断面历年平均流量,考虑工程实际,现对其平均流量(附表一)数据进行处理:扣除灌溉和船闸用水。灌溉用水按5月下旬至9月下旬的灌溉季节每月扣除35m3/s(5月扣除11.7m3/s,七、八月扣除35m3/s,9月扣除22.3m3/s);船闸运行用水按每月10m3/s的流量扣除,从而得到新的年平均发电流量表(附表三)。2.2死水位确实定死水位影响因素比拟复杂,需考虑保证水库灌溉要求、满足泥沙淤积要求、保证水电站最低水头要求以及航运、养殖等其它要求。本次设计对死水位确实定采用简化处理的方法,主要考虑水库的使用寿命及泥沙淤积;灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求;水轮机最小水头的限制三个因素。各方案分述如下:2.2.1正常蓄水位120m方案(方案一)使用寿命T按50年计,年淤积量V年为669万m3V淤V年×T669×5033450万m3查库容~水位曲线表,确定水库在使用年限内满足防淤要求的死水位Z176.20m;2.灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求,水库削落的最低水位不得小于Z282.00m;3.水轮机最小水头的限制,水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。(1)任意假定最小发电流量q(0),并相应下游Z下(0)。最小发电流量取q(0)800m3/s,查表得下游水位Z下(0)50.05m。极限削落深度hm(Z正-Z下(0))×35%120-50.05×(3)Z死0Z1,Z2,Z376.80,82.00,95.5295.52m;(4)根据Z30长系列计算各年供水期调节流量qp799.28m3/s,并满足|q(0)-qp|0.72m3/s<ε1m3/s,那么Z死Z死(0)95.52m。即死水位为95.52m,相应死库容14.002亿m3。2.2.2正常蓄水位115m方案(方案二)m;2.灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求,水库削落的最低水位不得小于Z282.00m;3.水轮机最小水头的限制,水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。(1)任意假定最小发电流量q(0),并相应下游Z下(0)。最小发电流量取q(0)733m3/s,查表得下游水位Z下(0)49.88m。极限削落深度hm(Z正-Z下(0))×35%115-49.88×(3)Z死0Z1,Z2,Z376.80,82.00,92.2192.21m;(4)根据Z30长系列计算各年供水期调节流量qp733.08m3/s,并满足|q(0)-qp|0.08m3/s<ε1m3/s,那么Z死Z死(0)92.21m。即死水位为92.21m,相应死库容11.353亿m3。2.2.3正常蓄水位108m方案(方案三)水库在使用年限内满足防淤要求的死水位Z176.20m;2.灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求,水库削落的最低水位不得小于Z282.00m;3.水轮机最小水头的限制,水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。(1)任意假定最小发电流量q(0),并相应下游Z下(0)。最小发电流量取q(0)644m3/s,查表得下游水位Z下(0)49.70m。极限削落深度hm(Z正-Z下(0))×35%108-49.70×(3)Z死0Z1,Z2,Z376.80,82.00,87.5987.59m;(4)根据Z30长系列计算各年供水期调节流量qp644.32m3/s,并满足|q(0)-qp|0.32m3/s<ε1m3/s,那么Z死Z死(0)87.59m。即死水位为87.59m,相应死库容8.346亿m3。2.2.4正常蓄水位100m方案(方案四)水库在使用年限内满足防淤要求的死水位Z176.20m;2.灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求,水库削落的最低水位不得小于Z282.00m;3.水轮机最小水头的限制,水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。(1)任意假定最小发电流量q(0),并相应下游Z下(0)。最小发电流量取q(0)568m3/s,查表得下游水位Z下(0)49.55m。极限削落深度hm(Z正-Z下(0))×35%100-49.55×(3)Z死0Z1,Z2,Z376.80,82.00,82.3482.34m;(4)根据Z30长系列计算各年供水期调节流量qp567.79m3/s,并满足|q(0)-qp|0.21m3/s<ε1m3/s,那么Z死Z死(0)82.34m。即死水位为82.34m,相应死库容5.55亿m3。2.3保证出力计算本次设计要求长系列等出力操作;用试算法逐年求解以下方程组:Vt-I,Vt??t时段初、末水库蓄水量;Qt??t时段平均入库流量(新系列);qt??t时段平均发电流量;Ht??t时段平均水头;Vt??供水期末水库蓄水量。2.3.1计算方法对某一特定年份求解步骤如下:1.设NpN0(1)设qtq0qt为t时段发电流量;(2)VtVt-1+Qt-qtΔt当Vt>V兴+V死,取VtV兴+V死(3)由V均Vt+Vt-1/2查水位库容曲线得到Z上;由qt查坝址下游水位流量关系曲线得到Z下;(4)NtKqtZ上-Z下(5)假设|Nt-Np|<ε1,转下时段;否那么qtq0+tNp-Nt/[KZ上-Z下],转(2)步骤计算。2.求年最小水库蓄水量Ve;3.假设|Ve-V死|<ε2,转下一年;否那么NpN0+K[Z正+Z死/2-Z下]Z死-Ve/T供转(1)步骤计算。求出各年的供水期平均出力后,据设计保证率可求出Np。2.3.2计算结果本次设计采用程序计算,各方案具体参数及结果如下:1.方案一:正常库容57.349亿m3,死库容14.002亿m3,兴利库容43.347亿m3。设计保证出力Np41.33万kw。2.方案二:正常库容43.357亿m3,死库容11.353亿m3,兴利库容32.004亿m3。设计保证出力Np35.34万kw。3.方案三:正常库容29.424亿m3,死库容8.346亿m3,兴利库容21.078亿m3。设计保证出力Np27.84万kw。4.方案四:正常库容18.490亿m3,死库容5.55亿m3,兴利库容12.94亿m3。设计保证出力Np21.46万kw。2.4水电站必需容量选择必需容量包括工作容量与备用容量两局部。2.4.1工作容量计算本设计缺少电力平衡的资料,采用经验方法确定工作容量如下(按方案一计算):1.保证出力中局部担任航运基荷:N工基10(万kw)N峰Np-N工基41.33-1031.33(万kw)N工峰3.08N峰+7103.50(万kw)N工N工峰+N工基103.50+10113.50(万kw)2.4.2备用容量计算本设计电站担任系统负荷用及事故备用容量,各方案取值见表2.1。表2.1各方案备用容量表方案 Ⅰ120m Ⅱ115m Ⅲ108m Ⅳ100mN备(万kw) 30 25 20 152.4.3电站必需工作容量经计算,沅水五强溪水电站各方案必需工作容量见表2.2。表2.2各方案必需工作容量表方案 Ⅰ120m Ⅱ115m Ⅲ108m Ⅳ100mN工基(万kw) 10 10 10 10N备(万kw) 30 25 20 152.5水电站调度图绘制本次毕业设计要求从兴利要求出发对水电站调度要求作两条线,一条是根本调度线??防破坏线;一条是加大出力辅助线。2.5.1防破坏线防破坏线按以下步骤计算确定。1.择设计保证率范围内的径流系列(新系列)资料。(从原始系统中剔除来水小于设计枯水年的年份)2.年从供水期水期末开始,按Np等出力逆时序操作,求得各年迟蓄方案水库蓄水量过程线。具体求解方程组:式中符号意义同前。其具体求解流程如下:(1)设qtq0;(2)Vt-1Vt-Qt-qtΔtVt起始值为V死(当Vt-1<V死,取Vt-1V死);V均Vt+Vt-1/2查水库水位库容曲线得到Z下;(4)NtKqtZ上-Z下;(5)假设|Nt-Np|<ε,转前时段,否那么qtq0+Np-Nt/〔KZ上-Z下〕,转(2)步骤3.将各年迟蓄方案水库蓄水量过程线点在一张图,并取其外包线,即为防破坏线。此外包线,实际上是各条蓄水量过程线的同时纵坐标最大值,在具体操作时,可在计算机算完第(2)步后,直接给出外包线各点坐标,当然最后采用值,还应输出结果作适当分析修正,使防破坏线更可靠。经采用程序计算,各方案防破坏线的结果见表2.3。表2.3各方案防破坏线计算结果表月份 水库蓄水量(m3/s.月)方案一 方案二 方案三 方案四9 2183.44 1726.5 1156.45 662.5.2防洪限制水位确定防洪限制水位是表达防洪与兴利相互结合的重要参数。选择恰当,可在不影响兴利可靠性前提下,降低大坝高度,节省投资。本设计以获得最大结合库容为原那么选择。根据五强溪水电站洪水资料分析,该库洪水最迟发生在7月底,8月初:故防洪限制水位取值为7月底,8月初防洪线上的坐标值。经计算并查水库水位库容曲线,各方案防洪限制水位和相应库容分别为:方案一:防洪限制水位为120.00m,库容为57.349亿m3;方案二:防洪限制水位为115.00m,库容为43.67亿m3;方案三:防洪限制水位为105.99m,库容为26.49亿m3;方案四:防洪限制水位为95.67m,库容为14.02亿m3。防洪限制水位作为调洪演算的起调水位,并据此可求出结合库容。2.5.3加大出力辅助线的绘制在防破坏图中,在汛期防洪限制水位与破坏线间,为加大出力区,但加大出力范围较大,为减少操作的任意性,在该区中增加三条辅助线,采用简化的方法确定该组辅助线。具体如下:ZitZ死+(Z防限-Z死)×i/4式中:Zit为第i条加大出力线t时刻的坐标。经计算各方案结果见表2.4。表2.4各方案加大出力辅助线参数表正常水位 120m 115m 108m 100mV2t(亿m3) 28.94 23.04 15.19 9.05由表2.4绘出加大出力辅助线。三条辅助线将加大出力值计算公式如下:NiNp+(Ny-Np)÷4×i各方案计算结果见表2.5。表2.5各方案加大出值计算表正常水位 120m 115m 108m 100mN2万kw 2.6重复容量选择与多年平均电能计算2.6.1重复容量选择水电站在洪水期往往会产生大量弃水,为了利用弃水增发季节性电能,节省火电站的燃料消耗,增加一局部装机容量,由于它不能替代火电站的工作容量,因而称它为重复容量。本次设计N重采用经济利用小时数h经济2500h。补充千瓦利用小时数计算是确定重复容量的关键,但其核心是计算不同重复容量的多年平均电能,多年平均电能的计算与调度图或调度规划有关,本次设计调度按以下规那么操作:1.当时段初水位位于防破坏线内时,时段出力NtNp。2.汛期时段初水位位于加大出力区时,按加大出力线工作,即NtNi。3.段初水位在防破坏线以上时,使时段水位尽可能向防破坏线上靠,同时要考虑装机容量的限制。4.当满装机发电,且水位超过Z防限或Z正时,才允许弃水。现以方案一计算重复容量的选择及多年平均电能计算。假设重复容量N重等于0、5、10、15、20万kw时,分别计算新系列多年平均发电量E及重复容量年利用小时数h,计算结果见表2.6。因重复容量年利用小时数h均小于h经济2500h,故方案一重复容量为0。表2.6重复容量计算表(方案一)必需容量万kw 重复容量万kw 装机容量万kw 多年平均发电量亿kw.h 年发电量差值亿kw.h △E利用小时数h143.50 5 148.50 76.24 1.00 2000143.50 10 153.50 77.25 1.01 2021143.50 15 158.50 78.31 1.06 2120143.50 20 163.50 79.21 0.90 1800其余三个方案的多年平均发电量E及重复容量年利用小时数h计算结果见表2.7~表2.9。从表2.9可以看出,方案四的重复容量年利用小时数h均小于h经济2500h,故方案四重复容量为0。根据表2.7和表2.8中计算结果,点绘N重~h利曲线,再根据h经济2500h确定方案二N重6万kw;方案三N重28.17万kw。表2.7重复容量计算表(方案二)必需容量万kw 重复容量万kw 装机容量万kw 多年平均发电量亿kw.h 年发电量差值亿kw.h △E利用小时数h120.05 2 122.05 69.61 0.46 2300120.05 4 124.05 70.12 0.51 2550120.05 6 126.05 70.62 0.50 2500120.05 8 128.05 71.04 0.42 2100表2.8重复容量计算表(方案三)必需容量万kw 重复容量万kw 装机容量万kw 多年平均发电量亿kw.h 年发电量差值亿kw.h △E利用小时数h91.95 10 101.95 62.07 3.40 340091.95 20 111.95 66.35 4.28 428091.95 30 121.95 68.63 2.28 228091.95 40 131.95 70.64 2.01 2021表2.9重复容量计算表(方案四)必需容量万kw 重复容量万kw 装机容量万kw 多年平均发电量亿kw.h 年发电量差值亿kw.h △E利用小时数h67.30 2 69.30 34.81 0.44 220067.30 4 71.30 35.23 0.42 210067.30 6 73.30 35.63 0.40 200067.30 8 75.30 36.01 0.38 19002.6.2装机容量确实定装机容量由必须容量和重复容量确定,但由于回水对上游风滩电站的影响,应在方案一和方案二中扣除风滩电站的多年平均减少电能。各方案的装机容量分别为:方案一:NyN必+N重143.50+0143.50万kw;方案二:NyN必+N重120.05+6126.05万kw;方案三:NyN必+N重91.95+28.17120.12万kw;方案四:NyN必+N重67.30+067.30万kw。2.6.3多年平均电能计算利用上述计算结果点绘Ny(NyN必+N重)~E的关系图,查得各方案多年平均发电量。方案一:E75.24-0.22875.012亿kw.h;方案二:E70.62-070.62亿kw.h;方案三:E68.29亿kw.h;方案四:E34.37亿kw.h;3防洪计算3.1水库调洪计算五强溪水库工程等别为一等,按P0.1%洪水标准设计、P0.01%洪水标准校核。水库下游防洪标准为P5%,平安泄洪量q安20000m3/s。本次设计防洪计算的任务包括上述三种洪水标准的调洪计算。利用五强溪水库入库典型洪水,调洪计算采用多级调节方法,具体的调洪规那么如下:1.起调水位为汛前限制水位。2.当水库洪水流量小于汛前限制水位相应的下泄能力,且小于平安泄量时,控制闸门,让泄流量等于来水量水库水位维持在汛期水位不变。3.当水库入流量超过汛前限制水位相应的下泄能力,而小于下游平安泄量时,翻开闸门自由泄流,水库水位上升,下泄量随之增大。4.当自由泄流量超过平安泄量时,控制qtq安,直至调节计算结束,所得最高水位为防洪高水位。5.当水库水位不及防洪高水位时,控制qtq安,当水库水位升高至防洪高水位时,闸门全开,自由泄流,得调洪后的最高水位。溢洪设备的选择本身是一个经济问题,它是权衡上下游洪灾损失的重要参数,而且泄洪设备还受材料最大应力强度及闸门结构限制、下游岩基状况及消能设备情况的影响。自由泄流时采用公式:Q1.77nBH3/2;孔口出流是采用公式:Qnωμ2gH1/2;对于千年一遇洪水调节计算得设计洪水水位及相应最大下泄流量,对万年一遇洪水进行调节计算得校核水位及相应最大下泄流量,并根据求得的校核洪水位,确定总库容。在调洪计算过程中,对闸门控制泄流情形,利用水量平衡方程式推求求得,但对于自由泄流情形那么需求解隐式方程组。VtVt-1+[Qt+Qt-1/2-qt+qt-1/2]×Δtqfv本次设计按如下步骤试算求解:①、假定qtq0;②、VtVt-1+[Qt+Qt-1/2-qt+qt-1/2]×Δt;③、由Vt查qfv曲线得相应下泄流量q1;④、假设|q0-q1|ε,转下时段,否那么假定q0q1重新进行计算。⑤、确定防洪高水位、设计洪水位及校核洪水位,确定相应库容。各方案水库调洪计算结果见表3.1。各方案水库调洪计算详细结果见附表。表3.1水库各方案调洪计算成果表项目 单位 方案一 方案二 方案三 方案四正常蓄水位 m 120 115 108 100设计洪水位 m 131.74 12