第三章-水电站水能计算

第三章水电站水能计算第一节水能计算的基本方程和主要方法第二节电力系统及其容量组成第三节水电站水库消落深度、保证出力和多年平均发电量第四节水电站装机容量选择第五节水电站水库调度图第六节无调节水电站水能计算第七节抽水蓄能电站简述势能(potentialenergy)动能(kineticenergy)水能设T秒时段内流过两段面的水量为Wm3)2(2222112121211gVVPPZZWEEE2aaγ-+-+-=-=γ—断面2-2处水流的总能量为:E2=)2(22222gVPZWaγγ++断面1-1处水流的总能量为:)2(21111gVPZWaγγ++E1=1、水能计算的基本概念

第一节水能计算的基本方程和主要方法

V1V21122ΔZ1ΔZ2P1P2河段的潜在水能Z1-Z2

=H1-2-γ21PP»0»0功率出力(output)NTEN2121--=TWH21-=g=γQH1-2(牛顿·米/秒)1千瓦=1000牛顿·米/秒，γ=1000×9.81N/m3N1-2=9.81QH1-2（千瓦）——水流出力计算公式2222211gVVaa-E1-2=γ·W·H1-2（牛顿·米）＝γ·Q·t·H1-2=9807Q·t·H1-2V1V21122ΔZ1ΔZ2P1P2河段的潜在水能

1.水量损失2.水头损失H净=Z上－Z下－ΔH引3.功率损失水电站效率η=η水×η传×η电水电站的出力公式为：N=9.81ηQ电

H净（kw）ΔHAAQΔH引ΔZ下H净ΔZ上Bη水——水轮机的效率η传——传动设备的效率η电——发电机的效率令A=9.81η水电站出力计算公式可表示为：

8.5，

大型水电站（装机N＞25万千瓦）

8.0~8.5，中型水电站（N=2.5~25万千瓦）

6.0~8.0，小型水电站（N＜2.5万千瓦）AA——出力系数N=AQ电

H净（千瓦）水电站的出力公式为：N=9.81ηQ电

H净（kw）2、水力发电的方式（一）坝式蓄水式

径流式——形成水库来集中水能，水电站能进行径流调节。

——不形成水库供径流调节，水电站只能引取天然流量发电。2.坝式水电站的分类：1.概念：在天然河道中拦河筑坝，形成水库，以抬高上游水位，集中河段落差，这种开发方式称为坝式开发。坝后式河床式——厂房布置在坝的后面

——厂房成为挡水建筑物一部分3.坝式开发的特点：①水头相对较小；②一般能形成蓄水库，电站引用流量大，综合利用效益高；③投资大，工期长，通常单位造价高，且上游形成淹没区。4.坝式开发的适用条件：适于流量大，坡降缓，且有筑坝建库条件的河段。有回水湖北丹江口、浙江新安江水电站属于坝后式湖北葛洲坝、浙江富春江水电站属于河床式河床式电站

万家寨坝后式水电站坝后厂房（二）引水式无压引水式水电站:沿岸修建坡度平缓的明渠来集中落差。有压引水式水电站:有压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厂房处，从而获得水电站的水头，所引取的平均流量为河段首处的平均流量。2.分类：云南以礼河、金沙江梯级电站属于该类型。3.引水式开发的特点：①水头较高；②电站引用流量小，水量利用率差，综合利用效益低；③无水库淹没损失，工程量小，单价一般较低。4.引水式开发的适用条件：河道坡降陡，流量较小或地形、地质条件不允许筑坝的河段。1—原河道；水头HΔZ上ΔZ下2—明渠；3—取水坝；4—进水口；5—前池；6—压力水管；7—水电站厂房。1234567无压引水式水电站及其主要建筑物有压引水式水电站引水建筑物是有压的：压力隧洞主要建筑物：低坝，有压隧洞，调压室，压力水管，厂房，尾水渠。（三）混合式水电站2.开发条件：当河段上游坡降较缓且有筑坝建库条件，下游坡降陡且有条件集中较大落差时，采用混合式开发较经济。1.概念：在一个河段上，用坝集中一部分落差，再通过有压引水道集中坝后河段的另一部分落差。我国四川狮子滩、福建古田溪、东北镜泊湖等属于混合式开发方式。

3、水能计算内容

水能计算或水能设计的主要内容是通过不同方案的综合经济比较来选定合理的正常蓄水位，保证出力，装机容量和多年平均电能。水能计算任务是确定电站效益与工程规模之间的关系。电站效益通常用保证出力和多年平均电能两指标来衡量，而工程规模则以水库正常蓄水位和有效库容、引水渠道尺寸及电站装机容量为指标。本章介绍正常蓄水位已定条件下的水能计算方法。4、水能计算的基本方程和主要方法

4.1列表试算法

4.2半图解法

出力落差发电流量下游水位上游水位水库蓄水量（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半图解法

时段天然流量Q水库蓄水量V出力N发电流量q水库蓄放流量Q-q库水位Z上弃水（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、电力系统和负荷图若干个电站及用户之间用输电线联结为一个共同的电力网，称为电网或电力系统。

第二节电力系统及其容量组成系统负荷是其用户用电要求的汇总。基荷指数：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。日平均负荷率该指数越大，表示日负荷变化越小。日负荷图（一）日负荷图（二）年负荷图

日最大负荷年变化曲线（年最大负荷图）日平均负荷年变化曲线（年平均负荷图）

年负荷图常用特性指数反映负荷在月内、季内及年内变化特性。（1）月负荷率σ：表示在一个月内负荷变化的不均衡性。用该月平均负荷与最大负荷日的平均负荷之比表示。（2）季负荷率ζ：表示在一年内月最大负荷变化的不均衡性，用全年各月最大负荷的平均值与年最大负荷之比表示。

（3）年负荷率δ：表示一年的发电量E年与最大负荷Nmax相应的年发电量的比值：2、系统的容量组成系统总装机容量水电站装机容量火电站装机容量水电站必需容量水电站重复容量系统重复容量系统必需容量系统备用容量系统最大负荷系统最大负荷电力系统容量组成示意图负荷备用容量为最大负荷的2％～5％。系统事故备用容量一般可取系统最大负荷的8％～10％，但不应小于系统中最大单机容量。N系装=N必+N重=N系工〞+N系备+N系重＝N工〞+N负备+N事备+N检备+N重3、水、火电站的工作特性

水电站的技术特性：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；2）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；3）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无关，因此在丰水期内应尽可能多发水电，少发火电，以节省系统的燃料消耗，降低电量成本；4）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；5）水电站的建设地点要受水能资源、地形、地质等条件的限制。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

1/3～1/7，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，不能很快处理事故水电站与火电站特点的对比归纳4、水、火电站的工作方式4、水、火电站的工作方式图3-9水电站工作位置的确定第三节水电站水库消落深度、保证出力和多年平均电能计算1、保证出力与消落深度的关系在水库正常工作中，水库水位随来水和用水的变化而升降。水库水位在设计枯水段内升降的最大幅度称消落深度。在正常蓄水位和死水位已定的情形下，它们的高差即是消落深度。

保证出力是指水电站在多年运行期间为电力系统提供具有一定保证率的电能，是电站在设计枯水段内的平均出力，用Np表示，该设计枯水段内的电能叫保证电能，Ep。

①线:河流的中下游，库容小、流量大的低水头水电站中。②线:河流的中上游，流量小、库容大、水头也大的混合式水电站中。③线:河流中下游蓄水式水电站中。取极值点的消落深度为最优，(浙江新安江水电站)。水电站消落深度不应超过最大水头的30％～40％

1、保证出力与消落深度的关系2、保证出力计算（长系列法）

先拟定若干个死水位，对每一个死水位方案，求出水库各年中供水期的平均出力N，如有n年资料，就可点绘N～P关系曲线。由已定的电站保证率P可查得相应的保证出力Np。当水电站受最大消落深度限制和其他用水部门要求所允许的死水位在极点下面时，则EP和死水位选在极点处，可提供的Ep为最大。当所允许死水位在极点之上时，就选定该死水位和其相应的保证电能。对于每一个死水位方案，都可通过长系列操作，求出相应的保证出力值(或保证电能值)，并点绘出死水位与保证电能关系曲线。2、保证出力计算（长系列法）

3、保证出力计算（典型年法）

选用设计枯水年的供水期进行水能计算，推求保证出力(对于多年调节用设计枯水年组)。常用方法有等出力法和等流量法两种。等出力法是指设计时期内出力均相等，而等流量法是指设计时期内用相同流量发电求出各时段出力，取其平均作为电站的保证出力。等出力法:先假定几个保证出力NP，对每个NP在设计时期内由正常蓄水位开始逐时段进行水能计算，直到供水期末，求出水库的最低水位。

3、保证出力计算（典型年法）

3、保证出力计算（典型年法）

逐时段等流量法：先假定几个死水位，对各死水位方案求出兴利库容(正常蓄水位已定)。设计枯水段内的平均流量=（W供+V兴)/T供，然后，通过逐时段水量平衡，求出各时段出力，取其平均值。3、保证出力计算（典型年法）

简化等流量法:假定一个死水位，求出平均库容，查出相应平均库水位，再由调节流量q查下游水位流量关系曲线得下游，计算设计时期平均出力。4、多年平均电能计算（简化计算方法）

多年平均电能是指电站多年工作期间，平均每年能生产的电量。其大小一般取决于水电站装机容量和平均水头两因素。平水年法：取P一50％的平水典型年，用早蓄或晚蓄或中间方案或用调度图进行水能计算，以该年发电量作为多年平均电能。丰、平、枯三年法：(1一P)

、50％、P，进行水能计算，以三年电能的平均值作为多年平均电能。代表年期(年组)法：选一段连续水文年组为代表，计算多年平均电能。（代表年组内应包括丰、平、枯三种水量的年份，代表期的年径流均值、Cv和多年系列的均值、Cv要大致相近，在代表年期内，水库至少要蓄满一次和放空一次。）第四节水电站装机容量选择1、工作容量的N工的确定（无调节水电站基荷）首先要知道该电站的保证出力，其次要知道该电站在电力系统中的工作位置，最后取负荷变化的最大值作为设计值。通过电力系统的电力电量平衡计算而定。无调节水电站，因没有调节库容，如果天然径流不利用来发电就会弃水，故它只能任基荷，尽量发电此时水电站工作容量N工=Np。2、工作容量的N工的确定（日调节水电站担任基荷或峰荷）已知水电站的日电量E水日（E‘水日），让水电站担任峰荷（基荷），求水电站的工作容量及其相应的工作位置。水电站在日负荷图上的位置3、工作容量的N工的确定（日调节下游有综合利用要求）4、工作容量的N工的确定（日调节水电站）已知水电站的工作容量N水及日电量E水日，求水电站其在日负荷图上的工作位置。5、工作容量的N工的确定（年、多年调节水电站）假设几个水电站工作容量方案；对每个假定的工作容量，在图中查得相应不同月份水电站最大工作容量；分别在供水期各月典型日负荷分析曲线上，用各月最大工作容量查出担任峰荷时日电能E日。供水期所需总电能为E=30.4∑(σE日)5、工作容量的N工的确定（年、多年调节水电站）每个假定的工作容量方案，都可用上面方法求出供水期电能。从而绘制出不同工作容量与供水期电能E供的关系曲线)。由水电站保证电能E，查得相应水电站工作容量。多年调节水电站计算方法和年调节一样，先绘制工作量与相应全年电能关系曲线，再由水电站保证电能值查得相应的工作容量。6、重复容量选择6、重复容量选择重复容量年补充利用小时数也可根据经验定出，如蓄水式水电站可取2000～3000h，引水式水电站取3000～4000h，并考虑下列诸因素：在水力资源较丰富地区，可取上限，反之用下限；农业排灌负荷大的电力系统取较小值，反之取大值。7、装机容量装机容量=工作容量+备用容量+重复容量第六节无调节水电站水能计算无调节水电站保证出力:符合设计保证率要求的日平均出力。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；

3）计算各级流量的平均值，查水位流量关系曲线，求得相应的下游水位Z下；

4）计算各级流量相应的水电站净水头H=Z上-Z下-△H；

5）计算电站的出力N=KQH。注意：上游水位一般维持在正常蓄水位。第六节无调节水电站水能计算流量分组（m3/s）分组平均流量（m3/s）出现次数累积出现次数频率（%）（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第六节无调节水电站水能计算图1日平均出力保证率曲线N～P图2日平均出力持续曲线N～T分组平均流量水头H出力N=7QH出力差ΔN频率P保证历时t=8760P电量差ΔE=ΔN.t

累积电量E装机年利用小时数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。年调节水电站保证出力：符合设计保证率要求的供水期平均出力。【例题】某无调节水电站的正常蓄水位为469m。已知该水电站水库库容曲线，下游水位流量关系线，以及多年日平均径流系列资料。（1）试通过水能计算求出该水电站的设计保证率取85％时的保证出力。（2）如该水电站的装机容量定为80kW，计算出该水电站的多年平均年发电量。

说明：(1)上游水位取正常蓄水位；

(2)水头损失为0.5m(3)出力系数K＝8.3。

无调节水电站保证出力计算

根据表中第(5)栏和(8)栏的计算数据，可点绘出该水电站的水流出力保证率曲线和水流出力持续曲线。若该水电站的设计保证率取85％，则从图中可查出该水电站的保证出力为53kw。如该水电站的装机容量定为80kW，从图中可计算出该水电站的多年平均年发电量为44.05亿kW．h。

某无调节水电站日平均出力保证率曲线P=85%NP=53P=85%QP=2010某无调节水电站日平均流量保证率曲线【例3】某水电站为坝式年调节水电站，设计保证率为80%。水库以发电为主，兴利库容V兴＝3152万m3，死库容V死＝1