水能计算及水电站主要参数选择

第一节水能计算的目的与内容第二节水电站的保证出力和多年平均年发电量计算第三节电力系统的的负荷及容量组成第四节电力系统中各类电站的工作特性第五节水电站在电力系统中的运行方式第七节水电站装机容量的选择1第一节水能计算的目的与内容水能计算的目的：确定水电站的出力和发电量及它们随时间变化的规律。水电站的出力：指发电机组的出线端送出的功率。水电站的发电量：水电站出力与相应时间的乘积。

水电站在t1至t2时段内的发电量为：23实际计算中常采用：水电站在某一时段t内的平均出力计算时段的长短主要根据水电站出力变化情况及计算精度要求确定。水电站的保证出力：指水电站在长期工作中，符合水电站设计保证率要求的平均出力。水电站的主要动能指标保证出力N保多年平均发电量E年，均4多年平均发电量：指水电站在多年工作时期内，每年平均所能生产的电能量。为经济性指标或电量效益指标。5

工程规划阶段，一般是先要拟定几个正常蓄水位方案，针对每一个方案去求装机容量、保证出力、多年平均发电量和有利的死水位等指标，这也是水能计算的主要任务。

1.确定水电站的动能指标，主要是保证出力、多年平均发电量、装机容量；

2.确定水库的特征水位，正常蓄水位和死水位等；3.选定机电设备，水轮机组等；4.经济评价水能计算的目的：确定水电站的保证出力、多年平均发电量指标、水电站的工作情况。6无调节水电站保证出力计算调节水电站保证出力计算年调节水电站的保证出力计算多年调节水电站保证出力计算水电站保证出力计算水能计算的方法：时历法列表法：概念清晰，应用广泛，尤其适合于有复杂综合利用任务的水库的水能计算。当方案较多、时间序列较长时，不适用。图解法：计算精度较差、工作量也不比列表法小；电算法：从发展方向看，适宜用电算法进行水能计算。即使方案很多，时间序列很长，也可迅速获得精确的计算结果。数理统计法78二、水能计算方法，可按简化的水能调节方式：按等流量调节方式按规定出力调节方式以年调节水库为例，计算时段月或旬

在已知水电站水库的正常蓄水位和死水位，即已知兴利库容的情况下，按等流量调节方式计算水电站的出力和发电量。（例3-1P67）【例3-1】某水电站正常蓄水位高程为Z正=760m，死水位Z死=720m。水库水位与库容关系见表3-1，水库下游水位与流量关系见表3-2。某年各月平均的天然来水量见表3-3，求水电站各月平均出力及发电量。10111）计算死库容2）计算各月的调节流量3）推求水库蓄水量变化4）计算水库水量5）计算水电站水头6）计算水电站出力和发电量12131415二、水能计算方法，可按简化的水能调节方式：按等流量调节方式按规定出力调节方式按照已知出力调节的列表试算法根据规定的水电站出力，计算所需的调节库容和水库应用过程。列表试算法。（例3-2P71）水电站的保证出力Nfm：指水电站在长期工作中，符合水电站设计保证率要求的平均出力。水电站的主要动能指标保证出力N保多年平均发电量E年，均16无调节水电站保证出力计算日调节水电站保证出力计算年调节水电站的保证出力计算多年调节水电站保证出力计算第二节水电站保证出力和多年平均发电量计算年调节水电站的水能计算1.年调节水电站保证出力：符合设计保证率要求的17供水期平均出力。年调节水电站的水能计算18供水期平均出力。年调节水电站的水能计算长系列法：①对实测径流资料逐年进行供水期的水能计算，求出各年供水期的平均出力；②将供水期的平均出力从大到小排列，计算其经验频率，并绘制供水期平均出力保证率曲线；③根据已知的设计保证率在曲线上查处相应的供水期平均出力即为年调节水电站的保证出力。19年调节水电站的水能计算设计枯水年法：①根据实测年径流系列统计计算成果与年径流频率曲线，按已知的设计保证率求得年径流量；②选年径流与设计年径流相近，年内分配不利的年份作为典型年；③用设计年径流量与典型年径流量之比表示的年内分配系数推求设计枯水年的径流年内分配；④最后根据给定的Z蓄、Z死及相应的兴利库容求出供水期的调节流量，进而求出供水期的平均出力，该值为年调节水电站的保证出力。202.无调节和日调节水电站保证出力:

基本步骤：

1）以日为计算时段，计算各日的平均出力值；

2）绘制日出力保证率曲线；

3）相应于设计保证率的日平均出力，即为保证出力。21日平均出力。符合设计保证率要求的2.无调节和日调节水电站保证出力基本步骤：

1）根据实测径流资料的日平均流量变动范围，将流量划分为若干个流量等级；

2）统计各级流量出现的次数，绘制日流量频率曲线；

3）选择设计枯水日，计算日平均水头H和日平均流量Q；4）计算电站的出力N=KQH。注意：上游水位一般按照死库容加兴利库容的一半，查找库容曲线确定。下游水位由日平均下泄流量按流量—水位关系曲线查得。22设计枯水日法3.多年调节水电站保证出力计算23

计算方法与上述年调节水电站保证出力的计算基本相同。简化计算时，可以设计枯水年组来计算。一般选用实际水文资料中最枯最不利的连续枯水段作为设计枯水段。二、水电站多年平均发电量的估算多年平均年发电量：指水电站在多年工作时期内，平均每年所能生产的电能量。它反映水电站多年平均动能效益，是决定电站效益的重要指标。1.设计中水年法2.三个代表年法3.设计平水系列法4.全部水文系列法

计工算作越量来逐越渐精加确大

241.设计中水年法：

基本步骤：

1）选择设计中水年，要求该年的年径流量及其年内分配均接近于多年平均情况；

2）列出所选设计中水年各月（或旬、日）的净来水流量；

3）根据国民经济各部门的用水要求，列出各月（或旬、日）的用水流量；

4）对于年调节水电站，可按月进行径流调节计算，对于季调节或日调节、无调节水电站，可按旬进行径流调节计算，求出相应各时段的平均水头H均及其平均出力N均；255)将各时段的平均出力乘以时段的小时数，即得各时段的发电量，设n为平均出力低于装机容量的时段数，m为平均出力等于或高于装机容量的时段数，则水电站的多年平均年发电量为：设计中水年法上式中(m+n)为全年时段数，以日为时段，(m+n)＝365(日)，t=24小时；以月为时段(m+n)=12(月)，t=730小时。262.三个代表年法：27

设计平水系列：指某一水文年段(一般由十几年的水文系列组成)，该系列平均径流量约等于全部水文系列的多年平均值，其径流分布符合一般水文规律。对该系列进行径流调节，求出各年的发电量，其平均值即为多年平均年发电量。3.设计平水系列法284.全部水文系列法2930

（1）用n年长系列资料进行计算，计算时段为t，一年共T个时段。

（2）绘制时段出力保证率曲线（也即是水流出力持续曲线）。

（3）将横坐标P换成持续时间T(h).

（4）根据装机容量，“装机切头”。

（5）装机容量以下的部分，就是多年平均发电量。4.全部水文系列法314.全部水文系列法32第三节电力系统的负荷及容量组成一、电力系统及其用户特性电力系统：由若干发电厂、变电站、输电线路及电力用户等部分组成。1.按生产特点和用电要求分为工业用电、农业用电、市政用电及交通运输用电等四大类。工业用电：用电量大，年内用电过程比较均匀，

但在一昼夜内则随着生产班制和产品种类的不同而有较大的变化。农业用电：

在用电时期内负荷相对稳定，而在一年不同时期内则很不均匀。用户类型：33

市政用电：一年内及一昼夜内变化都比较大。交通运输用电：一年内与一昼夜间用电都是比较均匀的，只是在电气列车启动时会产生负荷突然跳动的现象。2.电力用户按其重要性可分为一级、二级和三级。34二、电力负荷图日负荷图：负荷在一昼夜内的变化过程线。年负荷图：负荷在一年内的变化过程线。35电力负荷：在任何时间内，电力系统中各电站的处理过程和发电量必须与用户对出力的要求和用电量相适应，这种对电力系统提出的出力要求，常被称为电力负荷。电力负荷图：电力系统中所有用户所需出力N（负荷）随时间t的变化曲线。二、电力负荷图（一）日负荷图特征值：最大负荷P〃、平均负荷P、最小负荷P′。36基荷指数：37该指数越大，表示日负荷变化越小。该指数越大，基荷占负荷图的比重越大，表示用户的用电情况比较稳定。日最小负荷率该指数越小，表示负荷图中高峰与低谷负荷的差别越大，日负荷越不均匀。日平均负荷率

日电能累积曲线

是日负荷图的出力值（kW）与其相应的电量（kW·h）之间的关系曲线。特性（1）在最小负荷P’以下，负荷无变化，故OA是直线；（2）在P’以上，负荷有变化，故AB为向上凹曲线段；（3）延长直线段OA，与B点的垂线BC相交于D点，则D点的纵坐标就表示平均负荷P。（二）年负荷图：负荷P在年内的变化过程。一年内各日的最大负荷值连成的曲线一年内各日的平均负荷值所连成的曲线工作容量：为满足负荷要求而设置的容量，承担负荷图上的正常负荷。负荷备用：除工作容量以外，要满足突然的负荷跳动所需要的容量。事故备用：为避免因机组发生故障影响系统正常供电而设置的容量。检修备用：为了进行停机检修而设置的容量。重复容量：为了利用季节性电量而设置的容量。2%-5%8%-10%？重复容量的设置是多余的么？（三）、电力系统的容量组成1.按任务性质划分装机容量（三）、电力系统的容量组成最大工作容量N工〞备用容量N备从设计的角度看，系统的装机容量N装必需容量N必重复容量N重负荷备用N负备事故备用N事备检修备用N检备N系装=N必+N重=N工〞+N备+N重＝N工〞+N负备+N事备+N检备+N重42电力系统容量组成示意图系统最大负荷系统最大工作容量系统必需容量系统重复容量系统备用容量系统总装机容量水电站装机容量火电站装机容量水电站重复容量水电站必需容量2.从某一时刻的运行状态看：

N装=N用+N阻=N工+N备+N空+N阻各种容量值的大小是随时间和条件而不断发生变化的，而且有可能在不同的电站、不同的机组上相互转换，不一定固定。44第四节电力系统中各类电站的工作特性1.水电站的电力生产情况受河川径流随机性的影响和制约。具有综合利用任务的水电站，其工作方式受其它部门用水的影响。一、水电站的工作特性2.水能是再生性能源，水电站的年运行费用与所生产的电能量几乎无关。3.水电站机组开停灵便、迅速，适宜担任系统的调峰、调频和事故备用等任务；水电站的工作位置比较灵活。水电站在调度上更加复杂。二、火电站的工作特点1.只要保证燃料供应，火电站就可以全年按额定出力工作，不像水电站那样受天然来水的制约。受“技术最小出力”限制。2.电能成本高，运行费包括燃料费、环保费等。3.工作有“惰性”，启动慢，调负荷慢，适宜担任电力系统的基荷，单位煤耗较小。47三、风力发电站的工作特性1.工作不连续；2.发电成本高；2.给电网运行带来困难。四、核电站的工作特性1.始终以额定出力工作，始终承担基荷；2.核电站造价昂贵，质量标准和安全要求高，技术复杂；2.运行费用低。(五)抽水蓄能电站抽水蓄能电站

蓄能电站抽水蓄能电站发电抽水蓄能电站工作示意图水电火电运行灵活，开机到发电1-2分钟，可调峰、调频运行迟钝，点火到发电2-3小时，不宜调峰、调频能源为水能，成本是火电的

1/5～1/10，但可靠性差能源为煤、油、天然气，成本高，但可靠性好改善环境，污染少，但要防止淹没、浸没，注意综合利用灰尘、废气污染环境机组可逆，既可抽水，又可发电机组不可逆厂用电为年发电量的1.0%厂用电为年发电量的2.5%可以储存水能，立即用来处理事故可以储存煤能，不能很快处理事故51第五节水电站在电力系统中的运行方式确定电站运行的一般原则：要充分利用各种能源：尽量使水电站少弃水，径流式电站在丰水期宜担任系统基荷，火电的技术最小出力不宜小于名牌出力的80%，以提高燃料的使用效率。要使整个电力系统运行经济。尽量使各电站机组在高效率区运行：在保证供电可靠的前提下，使系统的总能量损失最小，火电站的总燃料消耗量最小。52无调节水电站适宜担任系统的基荷。只有当天然流量所产生的出力大于系统的最小负荷时，水电站才担任系统的基荷和一部分腰荷。

53一、无调节水电站的运行方式54二、日调节水电站的运行方式55二、日调节水电站的运行方式日调节电站能对当日的天然水流进行重新范佩，可以承担变动负荷，可尽量担任峰荷。来水增多后可担任基荷。设计枯水年：

枯水期以最大工作容量担任峰荷；

洪水期开始逐渐担任腰荷和基荷；

洪水期全部担任基荷；

汛后逐步担任腰荷和部分基荷。56二、日调节水电站的运行方式57二、日调节水电站的运行方式丰水年运行方式：

丰水年来临时，河流来水量较多，即使在枯水期，日调节水电站也要担任负荷图中的峰荷与部分腰荷。在初汛后期，可能已有弃水，日调节水电站就应以全部装机容量担任基荷。在汛后初期，可能来水仍较多，如继续有弃水，此时水电站仍应担任基荷，直至进入枯水期后，水电站位置恢复到腰荷，并逐渐上升至峰荷。58三、年调节水电站的运行方式不完全年调节水电站的情况：在一年内按来水情况一般可划分为供水期、不蓄期、蓄水期、弃水期和不供期五个阶段。设计枯水年的运行方式:

供水期：水电站按保证出力在峰荷工作；

不蓄期：以天然水流能量在腰荷工作。

蓄水期：从腰荷转到基荷位置工作。

弃水期：按全部装机容量在基荷工作。

不供期：转向腰荷。59设计丰水年的运行方式:60在供水期水电站的引用流量可能仍大于发保证出力的调节流量，可担任峰荷和部分基荷；丰水期开始后，水库进入蓄水期，水电站可尽早将其位置转到基荷；在弃水期，水电站则应以全部装机容量在基荷位置工作。61四、多年调节水电站的运行方式第七节水电站装机容量的选择影响装机容量选择的主要因素：电力系统的负荷；水电站在日负荷图上的工作位置；设计水电站能量变化的特性；补充容量投资的影响。装机容量选择的基本依据：供电范围；设计负荷水平年；水电站的径流特性。根据水电站的水文条件、水库的调节性能、电力系统的规模和特点及水电站在电力系统中的作用综合研究确定。N装=N必+N重=N工〞+N备+N重一、水电站最大工作容量的确定

水电站最大工作容量：指设计水平年电力系统负荷最高时水电站能担负的最大发电容量。从可靠性方面，必须满足电力系统的电力、电量平衡要求，即：P〞=N〞水工+N〞火工ES=E水保+E火保从经济性方面，应使系统的计算支出最小。原则：尽可能满足综合利用条件下，以水电站提供的保证电量为前提，使水电站的工作容量尽可能大。无调节水电站的最大工作容量的确定

无调节水电站的最大工作容量等于按设计保证率所求出的保证出力。若设计枯水日的平均流量为Q设，相应的日平均净水头为H设，则无调节水电站的保证出力为：日调节水电站的最大工作容量的确定：

日调节水电站可以利用其调节日内径流的能力，使水电站的出力适应日内负荷变化的要求，考虑可靠性和经济性原则，以保证电能为控制条件，让水电站承担系统峰荷，使水电站最大工作容量尽可能大。日调节水电站N//工的确定日调节水电站的最大工作容量的确定：

如果水电站下游河道有航运要求或有供水任务，则水电站必须有一部分工作容量担任系统的基荷，保证在一昼夜内下游河道具有一定的航运水深或供水流量。设下游航运或供水要求水电站在一昼夜内泄出均匀流量Q基，则水电站必须担任的基荷工作容量为：具有综合利用要求时，最大工作容量的确定年调节水电站的最大工作容量的确定

主要取决于设计供水期内的保证电能，为了满足可靠性要求，水电站在供水期承担的电能应等于保证电能；为了满足经济性要求，应使水电站最大工作容量尽可能大，供水期水电站应尽可能在峰荷工作，所确定的水火电站工作容量之和应等于系统的最大负荷，避免出现不必要的重复工作容量。（1）在水库供水期，应尽量使拟建水电站担任系统的峰荷或腰荷。水电站最大工作容量↑，则火电站的就↓，从而节省系统对电站的总投资。假设至少三个最大工作容量方案，定出各方案相应的日电能量。（2）对每个方案供水期各个月份水电站的日电能量除以24小时，即得各个月份水电站的日平均出力。每月的平均小时数第1方案供水期第i月份的月平均出力（3）作出水电站各个最大工作容量方案与其相应的供水期保证电能的关系曲线。然后根据所定出的水电站设计枯水年供水期的保证电能，即可从图下图中求出年调节水电站的最大工作容量。（4）在电力系统日最大负荷年变化图上定出水、火电站的工作位置。两者的交线为水平线，并由此作出系统出力平衡图。电力系统出力平衡图电力系统电力平衡图二、电力系统备用容量的确定负荷备用容量（水）：根据《水利水电工程水利动能设计规范(SDJ11-77)》,一般采用系统最大负荷的2%-5%左右，大型电力系统可采用较小值；事故备用容量（水、火）：一般采用系统最大负荷的10%左右，但不得小于系统中最大一台机组的容量；检修备用容量（火）：水电站每台机组平均年计划检修时间为10~30天，火电站15~45天。三、水电站重复容量（季节容量