第五章水能計算及水電站在電力

系統中的運轉方式第一節水能計算的目的與內容第二節電力系統的負荷圖第三節電力系統的容量組成及各類電站的任務特性第四節水電站在電力系統中的運轉方式第一節水能計算的目的與內容水能計算的目的：確定水電站的出力和發電量及它們隨時間變化的規律。水電站的出力：指發電機組的出線端送出的功率。水電站的發電量：水電站出力與相應時間的乘積。水電站在t1至t2時段內的發電量為：實踐計算中常采用：水電站在某一時段t內的平均出力計算時段的長短主要根據水電站出力變化情況及計算精度要求確定。水能計算的方法：列表法：概念明晰，運用廣泛，尤其適宜于有復雜綜合利用義務的水庫的水能計算。當方案較多、時間序列較長時，不適用。圖解法：計算精度較差、任務量也不比列表法小；電算法：從開展方向看，適宜用電算法進展水能計算。即使方案很多，時間序列很長，也可迅速獲得準確的計算結果。【例5-1】某水電站正常蓄水位高程為180m。水庫水位與庫容關系見表5-1，水庫下游水位與流量關系，見表5-2。某年各月平均的天然來水量、各種流量損失、下游各部門用水流量和發電需求流量，分別見表5-3〔2〕～〔5〕欄。求水電站各月平均出力及發電量。表5-1水庫水位與容積關系表5-2水電站下游水位與流量關系水位Z(m)168170172174176178180庫容V(億m3)3.716.349.1412.215.8319.9225.2流量q(m3/s)130140150160170180下游水位(m)115.28116.22117.00117.55118.06118.5表5-3水電站出力及發電量計算〔枯水期〕時段t月(1)9101112天然來水流量

Q天(m3/s)

(2)115857062各損失流量及船閘用水等Q損+Q船(3)2012109下游綜合利用需要流量Q用(4)1009212560發電需要流量Q電(5)150150154159水庫供水流量

ΔQ(6)-55-77-94-106水庫供水量ΔW(億m3)

(8)-1.445-2.023-2.469-2.784時段初水庫存水量V初(11)25.223.75521.73219.263時段末水庫存水量V末(12)23.75521.73219.26318.479時段初上游水位Z初(m)

(13)180179.56178.78177.72時段末上游水位Z末(14)179.56178.78171.72176.32月平均上游水位Z上均(15)179.78179.17178.25177.02月平均下游水位Z下均(16)117117117.25117.5水電站平均水頭Z均(17)62.7862.176159.52水電站效率η

(18)0.850.850.850.85月平均出力N水均(萬kW)(19)7.857.787.837.89月發電量E水（萬kW·h)(20)5731567957165760例題求解一、水電站保證出力計算水電站的保證出力：指水電站在長期任務中，符合水電站設計保證率要求的枯水期〔供水期〕的平均出力。無調理水電站保證出力計算日調理水電站保證出力計算年調理水電站的保證出力計算多年調理水電站保證出力計算水電站的主要動能目的保證出力N保多年平均發電量E年，均無調理水電站的水能計算無調理水電站保證出力:符合設計保證率要求的日平均出力。根本步驟：1〕根據實測徑流資料的日平均流量變動范圍，將流量劃分為假設干個流量等級；2〕統計各級流量出現的次數；3〕計算各級流量的平均值，查水位流量關系曲線，求得相應的下游水位Z下；4〕計算各級流量相應的水電站凈水頭H=Z上-Z下-△H；5〕計算電站的出力N=KQH。留意：上游水位普通維持在正常蓄水位。圖1日平均出力保證率曲線N～P圖2日平均出力繼續曲線N～T由于普通無調理水電站的水頭變化不大，也可根據選定的設計保證率在日平均流量頻率曲線上查得日平均保證流量Qp后，用Np=AQpHp計算日平均保證出力。無調理水電站的水能計算流量分組（m3/s）分組平均流量（m3/s）出現次數累積出現次數頻率（%）（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日調理水電站的水能計算日調理水電站庫水位在日內是變化的，一日內庫水位至少在死水位和正常蓄水位之間動搖一次，故上游水位近似取其平均值，即Z上=〔Z蓄+Z死〕/2。在豐水期日平均入庫流量能夠會超越水電站的最大過流才干，這時上游水位為Z蓄。下游水位用日平均流量從水電站下游水位流量關系曲線中查得。日調理水電站的保證出力計算方法與無調理水電站根本一樣。區別僅在于無調理水電站的上游水位固定不變，而日調理水電站的上游水位那么在正常蓄水位和最低水位之間有小幅度變化，計算時采用其平均水位。異同：年調理水電站的水能計算年調理水電站保證出力：符合設計保證率要求的供水期平均出力。計算方法：設計枯水年法，長系列法。設計枯水年法：①根據實測年徑流系列統計計算成果與年徑流頻率曲線，按知的設計保證率求得年徑流量；②選年徑流與設計年徑流相近，年內分配不利的年份作為典型年；③用設計年徑流量與典型年徑流量之比表示的年內分配系數推求設計枯水年的徑流年內分配；④最后根據給定的Z蓄、Z死及相應的興利庫容求出供水期的調理流量，進而求出供水期的平均出力。年調理水電站的水能計算長系列法：①對實測徑流資料逐年進展供水期的水能計算，求出各年供水期的平均出力；②將供水期的平均出力從大到小陳列，計算其閱歷頻率，并繪制供水期平均出力保證率曲線；③根據知的設計保證率在曲線上查處相應的供水期平均出力即為年調理水電站的保證出力。多年調理水電站的保證出力：符合設計保證率要求的延續枯水年組的平均出力。二、水電站多年平均發電量的估算多年平均年發電量：指水電站在多年任務時期內，平均每年所能消費的電能量。它反映水電站多年平均動能效益，是決議電站效益的重要目的。設計中水年法三個代表年法設計平水系列法全部水文系列法計工算作越量來逐越漸精加確大設計中水年法根本步驟：1〕選擇設計中水年，要求該年的年徑流量及其年內分配均接近于多年平均情況；2〕列出所選設計中水年各月〔或旬、日〕的凈來水流量；3〕根據國民經濟各部門的用水要求，列出各月〔或旬、日〕的用水流量；4〕對于年調理水電站，可按月進展徑流調理計算，對于季調理或日調理、無調理水電站，可按旬進展徑流調理計算，求出相應各時段的平均水頭H均及其平均出力N均；5)將各時段的平均出力乘以時段的小時數，即得各時段的發電量，設n為平均出力低于裝機容量的時段數，m為平均出力等于或高于裝機容量的時段數，那么水電站的多年平均年發電量為：設計中水年法上式中(m+n)為全年時段數，以日為時段，(m+n)＝365(日)，t=24小時；以月為時段(m+n)=12(月)，t=730小時。三個代表年法設計平水系列：指某一水文年段(普通由十幾年的水文系列組成)，該系列平均徑流量約等于全部水文系列的多年平均值，其徑流分布符合普通水文規律。對該系列進展徑流調理，求出各年的發電量，其平均值即為多年平均年發電量。設計平水系列法全部水文系列法在完全缺乏資料的情況下，可粗估多年平均發電量：徑流利用系數，表示發電用水量與天然來水量的比值【例題】某無調理水電站的正常蓄水位為469m。知該水電站水庫庫容曲線，下游水位流量關系線，以及多年日平均徑流系列資料。〔1〕試經過水能計算求出該水電站的設計保證率取85％時的保證出力。〔2〕如該水電站的裝機容量定為80kW，計算出該水電站的多年平均年發電量。闡明：(1)上游水位取正常蓄水位；(2)水頭損失為0.5m(3)出力系數K＝8.3。

無調理水電站保證出力計算水能計算過程與成果如表所示。根據表中第(5)欄和(8)欄的計算數據，可點繪出該水電站的水流出力保證率曲線和水流出力繼續曲線。假設該水電站的設計保證率取85％，那么從圖中可查出該水電站的保證出力為53kw。如該水電站的裝機容量定為80kW，從圖中可計算出該水電站的多年平均年發電量為44.05億kW．h。某無調理水電站日平均出力保證率曲線P=85%NP=53某水電站水能計算結果表示圖P=85%QP=2021某無調理水電站日平均流量保證率曲線【例3】某水電站為壩式年調理水電站，設計保證率為80%。水庫以發電為主，興利庫容V興＝3152萬m3，死庫容V死＝1050萬m3。，庫區無其它部門引水。設計枯水代表年月平均流量資料如下表第(1)、(2)欄所示。試求該水電站的保證出力(其中出力系數A＝7)。年調理水電站保證出力計算采用代表年法計算保證出力，即對設計枯水年進展水能計算，詳細步驟如下：水庫按等流量調理，先假定供水期為10～2月，供水期5個月的天然來水量為：W供＝(2.00＋2.05＋0.85＋1.50＋2.8)×30.4×24×3600＝24l6×104m3那么此流量與天然來水比較，發現9月份流量小于，應重新計算供水期為9～2月共6個月的天然來水量，W供＝3309×104m3，那么調理流量QP＝4.1m3/s。將QP＝4.1m3/s與天然來水比較可知，供水期定為9～2月是合理的。將QP＝4.1m3/s填入表中第(3)欄供水月份內。此值與天然來水流量相比較，可知蓄水期定得合理。然后逐月進展水量平衡計算，求出各月平均蓄水量，查庫容曲線得各月的平均庫水位，再由各月調理流量查得下游水位，算出每月平均水頭和平均出力。供水期的平均出力即為水電站保證出力。以上計算末思索水量損失及水頭損失，故結果稍偏大。現設3～8月為蓄水期，蓄水期亦按等流量調理，其調理流量為：當求出供水期調理流量QP＝4.1m3/s以后，也可直接計算NP。此時應先求供水期的平均庫容V＝〔V死＋V興/2〕＝1050×104＋1/2×3152×104＝2626×104m3。查庫容曲線得供水期平均庫水位Z上＝30.90m，Z下＝1.40m，忽略水頭損失，那么得HP＝30.9－1.4=29.5m，由此可算出NP1.灌溉和發電用水不結合灌溉和發電用水不結合的水庫，灌溉引水口的位置多在大壩上游，電站建成河床式或壩后式。Z死決議于灌溉引水高程，Z蓄決議與灌溉用水量。灌溉引水后剩余的水量依然很多，可結合發電的最低要求添加部分庫容滿足發電最低要求。此時結合發電要求確定Z蓄和Z死。灌溉水庫水電站的水能計算2.灌溉和發電用水結合灌溉和發電用水結合的水庫，灌溉取水口的位置在水電站尾水下游。來水先發電再灌溉。灌溉期的Q調至少等于灌溉流量。3.灌溉和發電用水部分結合灌溉和發電用水部分結合的水庫，一方面上游取走部分水量供灌溉，一方面利用水電站尾水灌溉。水能調理計算時，先從天然來水量中扣除上游取水，然后按照灌溉和發電用水相結合進展調理計算。灌溉結合發電水庫水電站的多年平均發電量，普通采用豐、平、枯3個設計代表年法。留意：凡是月平均出力大于裝機容量的應取裝機容量。【例題】第二節電力系統的負荷圖一、電力系統及其用戶特性電力系統：由假設干發電廠、變電站、輸電線路及電力用戶等部分組成。1.按消費特點和用電要求分為工業用電、農業用電、市政用電及交通運輸用電等四大類。工業用電：用電量大，年內用電過程比較均勻，但在一晝夜內那么隨著消費班制和產品種類的不同而有較大的變化。農業用電：在用電時期內負荷相對穩定，而在一年不同時期內那么很不均勻。用戶類型：市政用電：一年內及一晝夜內變化都比較大。交通運輸用電：一年內與一晝夜間用電都是比較均勻的，只是在電氣列車啟動時會產生負荷忽然跳動的景象。2.電力用戶按其重要性可分為一級、二級和三級。二、電力負荷圖日負荷圖：負荷在一晝夜內的變化過程線。年負荷圖：負荷在一年內的變化過程線。〔一〕日負荷圖〔圖5-2〕特征值：最大負荷N〃、平均負荷N、最小負荷N′。基荷指數：該指數越大，基荷占負荷圖的比重越大，表示用戶的用電情況比較穩定。日最小負荷率該指數越小，表示負荷圖中頂峰與低谷負荷的差別越大，日負荷越不均勻。日平均負荷率該指數越大，表示日負荷變化越小。特點：①在最小負荷以下，負荷無變化，故gc為不斷線段；②在最小負荷以上，負荷有變化，故cd為上凹曲線段，d點的橫坐標為一晝夜的電量E全日；③延伸直線段gc，與d點的垂線df相交于e點，那么e點的縱坐標就表示平均負荷。日電能累積曲線可處理三種問題：(1)知水電站日電量E水日，讓水電站擔任峰荷，求水電站的任務容量N水及其在日負荷圖上的任務位置。〔2〕知水電站的日電量E‘水日，讓水電站擔任基荷，求水電站的任務容量及其相應的任務位置。(3)知水電站的任務容量N水及日電量E水日，求水電站其在日負荷圖上的任務位置。〔二〕年負荷圖日最大負荷年變化曲線〔年最大負荷圖〕日平均負荷年變化曲線〔年平均負荷圖〕年負荷圖常用特性指數反映負荷在月內、季內及年內變化特性。〔1〕月負荷率σ：表示在一個月內負荷變化的不平衡性。用該月平均負荷與最大負荷日的平均負荷之比表示。〔2〕季負荷率ζ：表示在一年內月最大負荷變化的不平衡性，用全年各月最大負荷的平均值與年最大負荷之比表示。〔3〕年負荷率δ：表示一年的發電量E年與最大負荷Nmax相應的年發電量的比值：年最大負荷與年平均負荷可以經過日負荷分析曲線進展轉換。由年最大負荷轉換到年平均負荷的詳細做法：先選取年最大負荷圖中某一月的負荷值，該值為該月最大負荷日的日最大負荷，在該越典型日負荷圖及其分析曲線上可以得到該負荷所對應的日電能，除以24小時后即得該日的日平均負荷，乘以該月的月負荷率得該月的月平均負荷，將所得的月平均負荷繪到年平均負荷圖相應的月份處。對每一月進展這樣的轉換，即得年平均負荷圖。三、設計程度年第三節電力系統的容量組成及各類電站的任務特性一、電力系統的容量組成最大任務容量N工〞備用容量N備從設計的角度看，系統的裝機容量N裝必需容量N必反復容量N重負荷備用N負備事故備用N事備檢修備用N檢備N系裝=N必+N重=N系工〞+N系備+N系重＝N工〞+N負備+N事備+N檢備+N重從某一時辰的運轉形狀看：N裝=N可+N阻=N工+N備+N空+N阻各種容量值的大小是隨時間和條件而不斷發生變化的，而且有能夠在不同的電站、不同的機組上相互轉換，但其組成是不變的。系統總裝機容量水電站裝機容量火電站裝機容量水電站必需容量水電站反復容量系統重復容量系統必需容量系統備用容量系統最大負荷系統最大任務容量電力系統容量組成表示圖二、各類電站的技術特性水電站的技術特性：1〕水電站的電力消費情況受河川徑流隨機性的影響和制約；2〕具有綜合利用義務的水電站，其任務方式受其它部門用水的影響；3〕水能是再生性能源，水電站的年運轉費用與所消費的電能量無關，因此在豐水期內應盡能夠多發水電，少發火電，以節省系統的燃料耗費，降低電量本錢；4〕水電站機組開停靈活、迅速，適宜擔任系統的調峰、調頻和事故備用等義務；5〕水電站的建立地點要受水能資源、地形、地質等條件的限制。火電站的技術特性：1〕只需保證燃料供應，火電站就可以全年按額定出力任務，不像水電站那樣受天然來水的制約；2〕普通說來，火電站適宜擔任電力系統的基荷，這樣單位煤耗較小；3〕火電站高溫高壓機組的技術最小出力約為額定出力的75％，假設延續不斷地在接近滿負荷的情況下運轉，那么可以獲得最高的熱效率和最小的煤耗。中溫中壓機組可以擔任變動負荷，即可以在系統負荷圖上的腰荷和峰荷部分任務，但單位電能的煤耗要添加較多；4〕普通地說，火電站本身單位千瓦的投資比水電站的低；5〕火力發電必需耗費大量燃料且廠用電及管理人員較多，故火電單位發電本錢比水電站的高。水電火電運行靈活，開機到發電1-2分鐘，可調峰、調頻運行遲鈍，點火到發電2-3小時，不宜調峰、調頻能源為水能，成本是火電的1/3～1/7，但可靠性差能源為煤、油、天然氣，成本高，但可靠性好改善環境，污染少，但要防止淹沒、浸沒，注意綜合利用灰塵、廢氣污染環境機組可逆，既可抽水，又可發電機組不可逆廠用電為年發電量的1.0%廠用電為年發電量的2.5%可以儲存水能，立即用來處理事故可以儲存煤能，不能很快處理事故水電站與火電站特點的對比歸納第四節水電站在電力系統中的運轉方式確定電站運轉的普通原那么：要充分利用各種能源：盡量使水電站少棄水，徑流式電站在豐水期宜擔任系統基荷，火電的技術最小出力不宜小于名牌出力的80%，以提高燃料的運用效率。要使整個電力系統運轉經濟。盡量使各電站機組在高效率區運轉：在保證供電可靠的前提下，使系統的總能量損失最小，火電站的總燃料耗費量最小。無調理水電站的運轉方式無調理水電站的最大任務容量N水工〞，普通是按設計保證率的日平均流量定出的。在設計枯水年的枯水期，水電站以最大任務容量或大于最大任務容量的某個出力運轉，但在豐水期即使以全部裝機容量運轉，仍難免有棄水。在豐水期，河道流量急增，為減少棄水，無調理水電站適宜擔任系統的基荷。只需當天然流量所產生的出力大于系統的最小負荷時，水電站才擔任系統的基荷和一部分腰荷，但仍會有部分棄水。在豐水年，能夠全年的天然水流出力均大于無調理水電站的裝機容量，因此水電站能夠全年均需求用全部裝機容量在負荷圖的基荷部分運轉。無調理水電站的運轉方式日調理水電站的運轉方式〔1〕日調理水電站在枯水期普通總是擔任峰荷，讓火電站擔任基荷。〔2〕在一定的保證出力情況下，日調理水電站比無調理水電站的任務容量可更大一些，能更多地取代火電站的容量。由于水力發電機組比同容量的火力發電機組投資小，因此系統總投資可減少。〔3〕在每年豐水期，為充分發揚日調理水電站裝機容量的作用，就不再使其擔任系統的峰荷，而是隨著流量的添加，全部裝機容量逐漸由峰荷轉到基荷運轉。這樣，可添加水電站發電量，相應減少火電站的發電量與總煤耗，從而降低系統的運轉費用。對電力系統效益日調理水電站的運轉方式圖5-11日調理水電站在設計枯水年的運轉方式圖5-12日調理水電站任務位置確實定豐水年降暫時，河流