华科大水电能源学课件第4章 水电站主要参数的选择

第四章水电站主要参数的选择水电能源学第四章

水电站主要参数的选择4.1引言

水电站的主要参数包括水电站的装机容量、正常蓄水位和死水位等。这些参数直接关系到资金的有效使用和水能资源的合理开发问题，也涉及到近期利益和长远利益结合问题。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

水电站的装机容量选择是水电站设计中的一个重要组成部分。从水电站的设计程序来讲，在首先选定正常蓄水位与死水位的情况下，再通过详细的装机容量经济论证。

影响装机容量的因素很多，它直接与河流的自然特性及电力系统的特性有关。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

例如，三峡工程的正常蓄水位175m；汛期防洪限制水位145m；枯水期消落最低水位155m；大坝顶高程185m；最大坝高181m；坝顶总长2309m。

三峡水电站有两座坝后式厂房和一个地下厂房：左岸厂房装机14台；右岸厂房装机12台；右岸地下厂房装机6台；共装机32台。每台机组容量70，总装机容量2240万千瓦。第四章水电站主要参数的选择水电能源学1993年国务院批准的三峡工程初步设计概算为：三峡枢纽工程投资500.9亿元，水库移民安置和淹没处理495亿元。这个数字是按当年5月末的价格水平计算出来的，称之为静态投资。

由于工程和移民是逐步进行的（1993〜2009年，共18年），投资也是分年投入。因此，工程的实际投资要考虑物价上涨因素和贷款利息。三峡工程的动态投资为2039亿元人民币。第四章水电站主要参数的选择水电能源学一、电力系统负荷图1、日负荷图

日负荷图表示电力系统负荷在一个昼夜的变化情况。日负荷图上的低谷和高峰及其变化幅度，视系统中用户的组成而异。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

反映日负荷图特性的三个特征值是：最大负荷、平均负荷和最小负荷。

根据这三个特征值，可以把日负荷图分为三个区域：基荷、峰荷和腰荷。负荷时间（h）峰荷腰荷基荷06122418最大负荷平均负荷最小负荷第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、电量累积曲线

在水能设计计算中，为了直接在日负荷图上确定出水电站的合理工作位置，经常采用电量累积曲线作为辅助曲线，它表示日负荷图上负荷与电量的关系。负荷时间（h）电量累计值61218第四章水电站主要参数的选择水电能源学3、年负荷图

年负荷图表示一年内电力系统负荷的变化过程。负荷变化的大小和所在地区的季节性用电等情况有关。

年负荷图一般采用日最大负荷年变化曲线和日平均负荷年变化曲线表示：第四章水电站主要参数的选择水电能源学（1）日最大负荷年变化曲线

将一年中各日最大负荷所连成的曲线为日最大负荷年变化曲线，如图所示。这种年负荷图表示电力系统一年内各日所需要的最大电力，即各电站所应发出的总出力。负荷时间（d）365180第四章水电站主要参数的选择水电能源学（2）日平均负荷年变化曲线

将一年中各日平均负荷所连成的曲线为日平均负荷年变化曲线，如图所示。该曲线下面所包围的面积就是电力系统各发电站全年内要生产的电量。负荷时间（d）365180第四章水电站主要参数的选择水电能源学二、各类电站的主要特性及其运行方式

电力系统中的电站类型主要有：火电站、水电站、核电站和抽水蓄能电站。

另外还有风电场、太阳能电站和潮汐电站等。

其中，火电站的装机容量占电力系统总装机容量的70%以上，水电站的装机容量占20%左右。

由于各类型电站的特性不同，因此根据电力系统的要求，其运行方式也就各异。第四章水电站主要参数的选择水电能源学1、火电站（1）主要特性

火电站的发电机组为汽轮机，所用燃料主要是煤、石油和天然气。从理论上讲，只要燃料能够保证供应，机组在正常情况下应能发出额定功率。但在实际运行中，火电机组存在出力限制与技术最小出力问题：第四章水电站主要参数的选择水电能源学

出力限制

技术最小出力（最小容许出力）

当火电机组受运行条件和结构限制时就不能按额定出力运行。例如，燃烧不充分，蒸汽量不足；汽轮机叶片结垢，通气量降低等。

是指在燃烧相当稳定的条件下，机组所能发出的最小出力，用额定容量的百分比表示。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

由于火电机组从锅炉点火、升温到汽轮机转动、增速需要有一个过程，所以火电机组启动比较费时，一般开机过程需要2-3小时。另外，火电机组的经济运行区约为85-95%额定容量。因此，火电机组应尽量减少开停机次数，并处于经济运行区稳定工作。

火电机组的运行费用要高于水电机组。第四章水电站主要参数的选择水电能源学（2）运行方式

根据火电机组的运行特性，火电站在电力系统中的工作方式可归纳为：

尽可能担任稳定负荷，而避免担负尖峰负荷运转；

尽可能在汽轮机的经济运行区运转，降低煤耗率；

担负的负荷应大于机组的技术最小出力；

在洪水期的水电站全部机组都发电时，或水电站负荷备用容量不能满足电力系统的调频要求时，火电站必须担负调峰、调频任务。第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、水电站（1）主要特性

水电站是利用天然水能发电。天然径流在年内及年际间有很大变化。因此，水电站的出力和发电量视水文条件和水库的调节能力而异。

水电站的主要设备相对于火电站来讲，数量少、结构简单、易于管理。机组机组开停灵活迅速。所以水电站适宜担任调峰、调频、调相及作事故备用任务。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

另外，水电站运行的高效区宽阔，且运行费用相对较低。

水电站的出力受运行时的流量和水头的制约，最小技术出力受水轮机发电机组的振动、气蚀条件的制约。第四章水电站主要参数的选择水电能源学（2）运行方式

水电站的运行方式受水库的调节性能和天然来水流量的影响，在年内不同时期运行方式应该不同，使水资源能够充分利用，电力系统能够经济运行。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

以下按水库的调节性能不同，分别讨论水电站的运行方式：

无调节水电站的运行方式

无调节水电站的出力取决于天然流量的大小，因此它不宜担负变动负荷，而应担任系统的基荷。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

日调节水电站的运行方式

由于日调节水电站可以使一天内均匀的天然来水经过水库的调节后，适应日负荷的变化，因此，它可以在电力系统中担任调峰任务。水电站担任调峰任务后，可以让火电站在基荷均匀的工作，提高汽轮机组的效率，降低电力系统的运行费用。

在汛期，为了减少弃水，日调节水电站必需以全部装机容量担任基荷。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

年调节水电站的运行方式

年调节水电站按照年负荷的要求将年内的天然径流用水库调蓄来重新分配，按来水情况，一年内水库的运行一般可划分为供水期、蓄水期、弃水期和天然流量工作期四个阶段：第四章水电站主要参数的选择水电能源学

年调节水电站在供水期宜担任峰荷和部分腰荷；

蓄水期的流量增大，在保证水库蓄满的前提下充分利用洪水期水量发电，因此水电站在负荷图上的工作位置逐渐下移；

弃水期水库已蓄满，水电站应以全部装机容量在基荷运行。第四章水电站主要参数的选择水电能源学3、抽水蓄能电站（1）主要特性

为了提高调节电力系统的峰、谷能力，可以设置由发电—电动机和水泵—水轮机组成的可逆式机组在高峰负荷时发电，以补充系统的电能；在低谷时，利用系统多余的电能抽水，将电能转换成为水能储存起来，供高峰时发电。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

有可逆式机组的水电站称为抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站在电网中发挥着削峰填谷、调频调相、事故备用等重要作用，使之成为确保电网安全、经济、稳定运行的不可缺少的重要组成部分。上水库下水库厂房压力钢管第四章水电站主要参数的选择水电能源学（2）运行方式

当电力系统的日负荷变化很大时，为了维持负荷低谷处火电站或其它电站的出力稳定，并让机组在最高效率区运行，使电力系统的燃料消耗最省。

抽水蓄能电站可利用夜间负荷低谷时的多余发电量作为动力把抽水蓄能电站下水库的水抽到上水库中，即将多余的电能转换为水能储存起来。当白天电力系统出现高峰负荷时，再将上库的水用于发电，担任调峰任务。第四章水电站主要参数的选择水电能源学4、核电站

核电站由反应堆、蒸汽发生器、汽轮机及发电机四部分组成。反应堆的核心称为堆芯，它是中子轰击原子核发生裂变而发出热能的中枢。然后通过各种设备，把这种热能传递给管道中的水流，使其产生高压和蒸汽，蒸汽流进汽轮机的高、低压汽缸内膨胀作功，驱动发电机发电。

由于核电站的设备极为复杂，要求在非常稳定的情况下运行，即持续不断地以额定出力工作，所以核电站在电力系统中只适宜担任基荷。第四章水电站主要参数的选择水电能源学4.2单个水电站装机容量选择的基本方法

水电站装机容量的组成为装机容量N装机必须容量重复容量最大工作容量备用容量事故备用负荷备用检修备用第四章水电站主要参数的选择水电能源学

其中：

最大工作容量

重复容量

水电站在电力系统负荷紧张的月份（负荷大而来水少）所承担的工作容量；

当水电站因水库调节能力较差，使汛期产生较多弃水时，在必须容量外加装额外容量，以便利用部分弃水增发季节性电能。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

以下分别讨论最大工作容量、备用容量和重复容量的选择原则和方法：一、水电站最大工作容量N水工的确定原则

目前我国电力系统的负荷主要由火电站和水电站共同承担，若水电站多装机，则火电站就可少装机，所以水电站应装多少工作容量必须和火电站进行动能经济比较。第四章水电站主要参数的选择水电能源学N水工的确定应遵循如下原则：1、满足电力系统负荷与电能平衡要求上式即为电力电量平衡方程。其中N系工为电力系统的最大工作容量（最大负荷）。第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、尽量增加N水工

一般情况下，水电站补充千瓦投资小于火电站装机千瓦投资，故要使N水工尽量大，N火工尽可能小。为此，要让水电站尽可能承担系统的峰荷。这样，一则可节省系统总投资，二则可提高汛期弃水的利用率。3、尽可能满足综合利用要求第四章水电站主要参数的选择水电能源学二、不同调节性能水电站N水工的确定方法1、无调节水电站的N水工

无调节水电站任何时刻的出力取决于河流中天然流量的大小。因此，它只能担负电力系统的基荷，其最大工作容量N水工只能等于保证出力，即式中：Q设为设计枯水日的平均流量；H设为相当于Q设的平均水头。

当流量大于设计枯水日的平均流量时，由水电站的重复容量发电，或者弃水。第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、日调节水电站的N水工

日调节水电站每天的发电取决于昼夜河流中天然流量。因此，它的保证流量为符合设计保证率的枯水日平均流量Q设，保证出力N保和日保证电量E保分别为式中：H设为电站上游日平均水位与相应保证流量Q设的下游水位之差。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

当确定日调节水电站最大工作容量N水工时，可根据枯水季节的系统最大典型日负荷图及其电量累积曲线（如图），用图解法求出N水工。第四章水电站主要参数的选择水电能源学3、年调节水电站的N水工。

年调节水电站由于库容较大，水库蓄水量可以按发电的需要在年内作合理的分配。因此，水电站在供水期若无特殊限制，都应尽量担任峰荷，以充分发挥水电站的优势。

年调节水电站的N水工取决于供水期能获得的保证电量E保，当水库正常蓄水位和死水位已定时，E保也是一定值，可根据保证出力N保求得。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

确定年调节水电站的N水工一般采用电力电量平衡法：

根据年调节水电站的保证出力N保计算设计枯水年供水期T供的保证电量E供保，即式中：Q和H设分别为供水期的发电流量和平均水头。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

其次，进行电力电量平衡计算，依据E供保恰当地确定N水工。电力平衡在设计水平年的日最大负荷年变化图上进行。因为在最大负荷下能满足对电力的要求，那么在其它情况下就自然满足了。所以最大工作容量N水工也称为保证工作容量。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

在电力系统中除水电站外，还有火电站等其它电站，在一年中水电站和其它电站间划分负荷通常采用日最大负荷年变化图上的水平线划分法，其水平线的位置应使供水期水电站担任峰、腰荷时所需的电量恰好等于供水期水电站能获得的保证电量。第四章水电站主要参数的选择水电能源学三、电力系统各种备用容量的确定

电力系统的总装机容量必须大于系统的最大负荷。其备用容量由负荷备用、事故备用和检修备用组成。各种备用容量的确定方法如下：第四章水电站主要参数的选择水电能源学1、负荷备用容量N负备

电力系统中总有一部分用户的负荷变化是十分剧烈的，这种负荷称为冲击负荷，它可能出现在一天内的任何时刻，甚至出现在负荷的高峰时刻。因此，系统中必须有一部分备用容量N负备，保证系统的功率平衡。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

负荷备用容量N负备的大小与电力系统负荷的组成及其特性有关，通常为系统最大负荷的5-10%。担任系统负荷备用任务的电站称为调峰电站，对其要求是:(2)能迅速改变出力，并具有较宽阔的高效运行区。(1)装机容量占系统总容量的一定比重；第四章水电站主要参数的选择水电能源学

由于水电站具有运行灵活、开/停机时间短，以及经济性等优点，故具有调节能力的水电站适宜担任系统的负荷备用任务，特别是要选靠近负荷中心、具有大水库、大机组的坝后式水电站作为调频电站。

在蓄水期承担调频任务的蓄水式电站为了减少弃水，以全部容量担任基荷，则应以其它电站担任调频电站。第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、事故备用容量N事备

电力系统中的发电机组难免要发生某些故障而被迫停机。电力系统中常设置一定数量的备用容量，以顶替事故停机的机组发电，这部分容量称为事故备用容量N事备。第四章水电站主要参数的选择水电能源学N事备的大小与电力系统中各种设备发生事故的可能性以及各机组的容量有关。从理论上讲，应分析系统中各机组发生事故的概率，用严格计算来确定其大小。但在实践中，由于资料不齐全而难以计算，故只能根据运行经验确定。

我国有关规范规定：电力系统的事故备用容量N事备按系统最大负荷的10%左右采用，并不得小于系统中最大一台机组的容量。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

担任事故备用容量的水电站，在其水库中应有事故备用容积来保证。决定容积大小时，应以备用容量在基荷连续工作10-15天为依据。

一般认为事故备用容量的大部分应采用热备方式，而且分布在系统内的主要电站。第四章水电站主要参数的选择水电能源学3、检修备用容量N修备

为了提高设备使用寿命，减少机组的事故率，电力系统中的机组需要进行定期检修，即计划检修。有计划的检修和事故检修不同，后者停机后系统的可用容量可能不足，需由事故备用容量来补充。而计划检修则完全可以利用系统中的空闲容量来进行。第四章水电站主要参数的选择水电能源学N系的最大负荷水平线与年负荷曲线间的面积表示在不同时间内未被使用的容量，该面积称为检修面积F检，水（火）电站机组可利用F检来进行计划检修。系统最大负荷时间（M）126第四章水电站主要参数的选择水电能源学四、水电站重复容量的选定

由于河流水文情况的多变性，调节性能较差的水电站每年供水期都有不同程度的弃水，为了充分利用水能，可在水电站必须容量之外设置一定数量的附加容量。因而对系统而言为重复容量，它的作用主要是发出季节性电能，以节省火电站的煤耗。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

重复容量的选择要进行经济比较，在水电站设置重复容量必然会增加水电站的投资，同时也带来发电效益的增加。

但是，两者的增加并不成正比。随着重复容量逐渐增大，季节性电能的增加却愈来愈小。重复容量增加到一定程度后，就不经济了。因此，必须进行投资和经济效益分析。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

以下对日调节水电站重复容量的选择进行说明：

日调节水电站在枯水期内总是担任系统负荷的峰荷。在汛期，当必须容量（即N水工+N备用）担任基荷满载发电后还有弃水时，才考虑设置重复容量N重复。

将水电站的日平均流量持续曲线（即多年日平均流量历时曲线）按换算为日平均出力持续曲线，如图。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

日调节水电站选择N重复的方法为：N水工N备用平均出力N重复年持续时间（h）8760h必须h经济第四章水电站主要参数的选择水电能源学4.3水电站正常蓄水位及死水位选择一、水电站正常蓄水位选择

正常蓄水位是指水库最高兴利水位，即在水库正常运用情况下，为满足兴利设计要求，在开始供水时，水库应蓄到的最高水位。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

正常蓄水位是水电站主要特征值中影响最大的一个，它不但直接影响到能量指标、枢纽建筑物尺寸和投资，而且直接关系到水资源的合理利用及综合部门需求满足程度和相应的效益指标等。

以发电为主的水库选择正常蓄水位时，应着重从发电的投资和效益方面进行经济计算分析，并结合考虑防洪、灌溉、航运、供水等效益。第四章水电站主要参数的选择水电能源学二、水电站正常蓄水位Z正蓄与动能指标的关系分析1、Z正蓄与动能指标的关系Z正蓄过低，不能充分发挥电站的效益。随着正常蓄水位的提高，水电站的水头和调节流量的增加，从而水电站的出力、装机容量和多年平均发电量等指标也随着增加。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

但当正常蓄水位继续提高时，其增量就逐渐减小。原因是：随着正常蓄水位的逐步提高，水库调节越来越好，弃水量越来越少，水量利用程度越来越高，直到水库能够进行多年调节。如再增加正常蓄水位，往往只增加水头，而调节流量增加很少，因此，增加的能量效益有限，指标的增量逐渐减少。

另外，Z正蓄过高，因蒸发和渗漏损失过大，反而使发电量减少。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

装机容量N水装及其增量∆N水装和多年平均发电量E水装及其增量∆E水装与Z正蓄的关系如图所示：第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、水电站正常蓄水位Z正蓄与综合效益指标的关系

当水电站兼有防洪、灌溉、航运等综合利用任务时，各用水部门的效益指标随着Z正蓄的增加而增加：

提高Z正蓄可增加库容，有利于水库削减洪峰，减小泄量；提高Z正蓄可增加调节水量，扩大下游灌溉面积，而且有利于从水库引水自流灌溉；提高Z正蓄可改善上游的航运条件。同时有利于加大航运的下泄流量，改善下游的航运条件。第四章水电站主要参数的选择水电能源学3、水电站正常蓄水位Z正蓄与经济指标的关系

在水电站的建设投资中，大坝的建筑投资K坝占有很大的比例，由于K坝及N水装皆随Z正蓄的增加而有所增加，当Z正蓄增加到某高度后，大坝的体积增加很快，其投资和年运行费都是猛增的。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

在同一电力系统中，N火装及E火都随Z正蓄的增加而减少。因此，火电站的投资和年运行费都随Z正蓄的增加而减少。

随着的Z正蓄增加，同时增加了土地淹没面积和移民。水库的淹没损失费用一般占水电站总投资的30-50%，而且有些损失是无法用货币计算的。第四章水电站主要参数的选择水电能源学

综上所述，在选择正常蓄水位Z正蓄时，既要看到增加效益指标有利的一面，也要看到对经济指标不利的影响。

一般情况下，当Z正蓄达到某一高程后，随着Z正蓄增加，效益指标的增值是递减的，但是水工建筑物的工程量和投资的增量却是递增的。

因此，必须在比较方案中选择一个经济合理的Z正蓄。第四章水电站主要参数的选择水电能源学三、水电站正常蓄水位Z正蓄比较方案的拟定

针对水电站工程的具体情况，首先对有关因素进行分析，确定Z正蓄的上、下限，然后在此基础范围内拟定若干中间方案（4〜8个）进行比较。Z正蓄的下限主要根据电力及水利系统各部门提出的最低要求来确定。第四章水电站主要参数的选择水电能源学Z正蓄的上限涉及的因素较多，主要有：1、坝址及库区的地形、地质条件(1)河谷过宽、坝身太长，使工程量太大；(2)地质条件不良，增加两岸基础处理的困难；(3)缺乏足够数量合适的建筑材料；(4)库区有多断层，造成严重的渗漏损失；(5)库周出现垭口及单薄分水岭等。第四章水电站主要参数的选择水电能源学2、库区淹没损失

如果库区的大片良田、重要城镇、工矿企业、重要交通线路、甚至名胜古迹的淹没，使淹没损失过大或者安置移民确有困难时，将限制的Z正蓄提高。3、水量损失

当水库面积突然扩大而导致过大的蒸发、渗漏损失时，就要限制Z正蓄的提高。第四章水电站主要参数的选择水电能源学4、上游梯级水电站的尾水位

为了合理利用水能，充分利用水头，往往使梯级水电站的水位相衔接。因此，上游水电站的尾水位就成为下游水电站Z正蓄提高的限制因素。Z正蓄1Z正蓄2H第四章水电站主要参数的选择水电能源学四、水电站死水位Z死的选择

死水位Z死是水电站在正常情况下，水库允许消落的最低水位。水库水位在Z正蓄与Z死之间变动，其变幅为水库的消落深度:h消落死水位正常蓄水位Z正蓄Z死第四章水电站主要参数的选择水电能源学

在Z正蓄一定的情况下，水库的消落深度不同，所提供的水利动能效益也不同；随着Z死的降低，调节库容加大，相应的枯水期调节流量必然增加，水库的弃水随之减少，但水电站的平均水头也随之降低。h消落2正常蓄水位Z正蓄h消落1平均水头2平均水头1第四章水电站主要参数的选择水电能源学Z死对调节库容V调、调节流量Q调、平均水头H和弃水Q弃的影