第三章 水电站水能计算

Δ
Δ
Δ H引
H净
Z下
水电站的出力公式为：N=9.81ηQ电 H净（kw）
令A=9.81η A——出力系数 水电站出力计算公式可表示为：
N= A Q电 H净（千瓦）
8.5 ， A 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）
河道坡降陡，流量较小或地形、地质条件不允许筑坝 的河段。
3
2013年7月20日1时19分
Δ
1—原河道； 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。
1
7
水头H
Z下
2
Δ
4
Z上
5 6
无压引水式水电站及其主要建筑物
2013年7月20日1时19分
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。
2 河段的潜在水能
E1—2 = E1 - E 2 = γ W ( Z 1 - Z 2 +
2013年7月20日1时19分
P1 - P2 γ
+
a 1V12 - a 2V22
2g
)
a 1V 2 - a 2V 2 1 2
2g
0
1
V1 V2
E1-2=γ·W·H1-2（牛顿· 米）
＝γ·Q·t·H1-2=9807Q·H1-2 t·
功率 出力(output) N
2 河段的潜在水能
E1 2 g WH 1- 2 N1 2= - = =γQH1-2 (牛顿· 米/秒) T T
1千瓦=1000牛顿· 米/秒， γ=1000×9.81N/m3 N1-2=9.81QH1-2（千瓦）——水流出力计算公式
2013年7月20日1时19分
Δ
Δ
Z1-Z2=H1-2
2013年7月20日1时19分
4、水能计算的基本方程和主要方法 4.1 列表试算法
N = kq(Z上 - Z下 )
(Q - q)t = v = V2 - V1
2013年7月20日1时19分
4.2 半图解法
(Q - q)t = V2 - V1
(Q - q ) t = V - V1 2
V1 Q V q + = + t 2 t 2 q N V q + t 2
湖北丹江口、浙江新安江水电站属于坝后式
2013年7月20日1时19分
河床式电站
湖北葛洲坝、浙江富春江水电站属于河床式
2013年7月20日1时19分
万家寨坝后式水电站
坝后厂房
2013年7月20日1时19分
（二）引水式
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。
= N'源自文库/ N''
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
g = N / N''
日负荷图
该指数越大，表示日负荷变化越小。
2013年7月20日1时19分
（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）
2013年7月20日1时19分
3、水能计算内容
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。
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。 本章介绍正常蓄水位已定条件下的水能计算方法。
系统总装机容量
水电站装机容量
水电站 重复容量
火电站装机容量
水电站必需容量
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
2013年7月20日1时19分
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。
84.0
257.3
265
8
9 10
107.3
40 91
2013年7月20日1时19分
第二节
电力系统及其容量组成
1、 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。 （一）日负荷图 系统负荷是其用户用电要求的汇总 。
基荷指数： a = N ' / N 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
2013年7月20日1时19分
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 N 荷之比表示。 =
月
N日
（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 12 最大负荷之比表示。 = Ni '' ''
Δ V1 V2
1、水能计算的基本概念
势能(potential energy) 动能(kinetic energy) 设T 秒时段内流过两段 面的水量为W m3 断面1-1处水流的总能量为: 水能
1 P1
2
Z1
Δ P2 Z2
1
P1 a 1 V1 2 ) E1= γ W ( Z 1 + γ + P2 a 2 V2 2 2g 断面2-2处水流的总能量为:E2 = γ W ( Z 2 + γ + 2 g )
2、保证出力计算（长系列法） 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。 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。
2013年7月20日1时19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。
2013年7月20日1时19分
有回水
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。
出力
落差 发电流量
（104Kw) （m） 6.4 49 52 55 58 61 6.6
2013年7月20日1时19分
下游 水位 （m3/s) （m） 157.4 191.86 148.3 191.80 140.2 191.75 132.9 191.70 126.4
上游 水位 （m） 240.86 243.80 246.75 249.70
水电站消落深度不应超过最大水头的30％～40％
2013年7月20日1时19分
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。
2013年7月20日1时19分
2013年7月20日1时19分
水电站与火电站特点的对比归纳 水 电 火 电
运行灵活，开机到发电1-2分钟， 可调峰、调频 能源为水能，成本是火电的 1/3～1/7，但可靠性差 运行迟钝，点火到发电2-3小 时，不宜调峰、调频 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、 灰尘、废气污染环境 浸没，注意综合利用
水库 V q + 蓄水量 t 2 （m3/s)月 （m3/s) 64.0 142.7 75.0 149.1 89.5 159.6 105.5 172.0 125.0 188.2
4.2 半图解法
天然 时段 流量 Q
（m /s)
（1） （2）
3
水库 蓄水量 V
（m /s)月
（3）
3
V1 Q + t 2
i =1
12N
年
（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：
=
2013年7月20日1时19分
E年
8760 N max
=h
8760
2、 系统的容量组成 电 力 系 统 容 量 组 成 示 意 图
系统最大负荷
系统备 用容量
系统重 复容量
系统最大负荷 系统必需容量
3
出力 N
4
水库蓄 发电 库水位 放流量 弃水 流量q Z上 Q-q
3 3
（m /s) （10 Kw) （m /s) （m /s)
（4） （5） （6） （7）
（m)
（8）
（m3/s) 月
（9）
94
247.6
5
6 7
254
248 145.3
160.5
221
284.5
9.5
188
187.5
164.0
66.5
2013年7月20日1时19分
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。
机组可逆，既可抽水，又可发电 厂用电为年发电量的1.0% 可以储存水能，立即用来处理事故
2013年7月20日1时19分
机组不可逆 厂用电为年发电量的2.5% 可以储存煤能，不能很快处 理事故
4、 水、火电站的工作方式
2013年7月20日1时19分
4、 水、火电站的工作方式
图3-9 水电站工作位置的确定
2. 分类： 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。
云南以礼河、金沙江梯级电站属于该类型。
2013年7月20日1时19分
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：
2013年7月20日1时19分
2、水力发电的方式 （一）坝式 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。 2. 坝式水电站的分类： 坝后式 ——厂房布置在坝的后面 河床式 ——厂房成为挡水建筑物一部分 蓄水式 ——形成水库来集中水能，水电 站能进行径流调节。 径流式 ——不形成水库供径流调节，水电 站只能引取天然流量发电。
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
2013年7月20日1时19分
第一节 水能计算的基本方程和主要方法
P1 - P2 0 γ
1 P1
2
Z1
P2 Z2
A
Z上
Δ HA
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 η水——水轮机的效率 η传——传动设备的效率 η电——发电机的效率
Q
B
水电站的出力公式为：N=9.81ηQ电 H净（kw）
2013年7月20日1时19分
2013年7月20日1时19分
（三）混合式水电站
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。
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。 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。
2013年7月20日1时19分
1、保证出力与消落深度的关系
E p = E 供 = E 库 +E 不
E 库 = 0.00272V兴 H 供 (Kw) E不 = 0.00272W供 H 供 ( Kw)
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)。