水利水能规划 第五章 水能计算及水电站在电力系统中的运行方式

第五章水能计算及水电站在电力系统中的运行方式第一节水能计算的目的与内容第二节电力系统的负荷图第三节电力系统的容量组成及各类电站的工作特性第四节水电站在电力系统中的运行方式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：实际计算中常采用：)(21hkWNdtEtt)(21hkWtNEtt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。水能计算的方法：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。【例5-1】某水电站正常蓄水位高程为180m。水库水位与库容关系见表5-1，水库下游水位与流量关系，见表5-2。某年各月平均的天然来水量、各种流量损失、下游各部门用水流量和发电需要流量，分别见表5-3（2）～（5）栏。求水电站各月平均出力及发电量。表5-1水库水位与容积关系表5-2水电站下游水位与流量关系水位Z(m)168170172174176178180库容V(亿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水电站出力及发电量计算（枯水期）时段t月(1)9101112天然来水流量Q天(m3/s)(2)115857062各损失流量及船闸用水等Q损+Q船(3)2012109下游综合利用需要流量Q用(4)1009212560发电需要流量Q电(5)150150154159水库供水流量ΔQ(6)-55-77-94-106水库供水量ΔW(亿m3)(8)-1.445-2.023-2.469-2.784时段初水库存水量V初(11)25.223.75521.73219.263时段末水库存水量V末(12)23.75521.73219.26318.479时段初上游水位Z初(m)(13)180179.56178.78177.72时段末上游水位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水电站平均水头Z均(17)62.7862.176159.52水电站效率η(18)0.850.850.850.85月平均出力N水均(万kW)(19)7.857.787.837.89月发电量E水（万kW·h)(20)5731567957165760例题求解一、水电站保证出力计算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枯水期（供水期）的平均出力。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，均无调节水电站的水能计算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。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由于一般无调节水电站的水头变化不大，也可根据选定的设计保证率在日平均流量频率曲线上查得日平均保证流量Qp后，用Np=AQpHp计算日平均保证出力。无调节水电站的水能计算流量分组（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日调节水电站的水能计算日调节水电站库水位在日内是变化的，一日内库水位至少在死水位和正常蓄水位之间波动一次，故上游水位近似取其平均值，即Z上=（Z蓄+Z死）/2。在丰水期日平均入库流量可能会超过水电站的最大过流能力，这时上游水位为Z蓄。下游水位用日平均流量从水电站下游水位流量关系曲线中查得。日调节水电站的保证出力计算方法与无调节水电站基本相同。区别仅在于无调节水电站的上游水位固定不变，而日调节水电站的上游水位则在正常蓄水位和最低水位之间有小幅度变化，计算时采用其平均水位。异同：年调节水电站的水能计算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。计算方法：设计枯水年法，长系列法。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。供引损兴供TWWVWQP供兴供TVWQP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。多年调节水电站的保证出力：符合设计保证率要求的连续枯水年组的平均出力。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。设计中水年法三个代表年法设计平水系列法全部水文系列法计工算作越量来逐越渐精加确大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；5)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1()(kWh)niiEEtNmN年中装上式中(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。三个代表年法丰中枯EEEE31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。设计平水系列法全部水文系列法在完全缺乏资料的情况下，可粗估多年平均发电量：hWHQAEk8760净年径流利用系数，表示发电用水量与天然来水量的比值nEnE11年年【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水能计算过程与成果如表所示。•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0204060801001201401601800102030405060708090100P（％）出力（万kw）P=85%NP=53某水电站水能计算结果示意图0100020003000400050006000700080000102030405060708090100P（％）Q（m3/s）P=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＝1050万m3。，库区无其它部门引水。设计枯水代表年月平均流量资料如下表第(1)、(2)栏所示。试求该水电站的保证出力(其中出力系数A＝7)。年调节水电站保证出力计算采用代表年法计算保证出力，即对设计枯水年进行水能计算，具体步骤如下：水库按等流量调节，先假定供水期为10～2月，供水期5个月的天然来水量为：W供＝(2.00＋2.05＋0.85＋1.50＋2.8)×30.4×24×3600＝24l6×104m3smTVWQP/24.43600244.305103152102416344供兴供则此流量与天然来水比较，发现9月份流量小于，应重新计算供水期为9～2月共6个月的天然来水量，W供＝3309×104m3，则调节流量QP＝4.1m3/s。将QP＝4.1m3/s与天然来水比较可知，供水期定为9～2月是合理的。将QP＝4.1m3/s填入表中第(3)栏供水月份内。smTVWQ/38.63蓄兴蓄调此值与天然来水流量相比较，可知蓄水期定得合理。然后逐月进行水量平衡计算，求出各月平均蓄水量，查库容曲线得各月的平均库水位，再由各月调节流量查得下游水位，算出每月平均水头和平均出力。供水期的平均出力即为水电站保证出力。kWNP5.8386677746821895936956以上计算末考虑水量损失及水头损失，故结果稍偏大。现设3～8月为蓄水期，蓄水期亦按等流量调节，其调节流量为：当求出供水期调节流量QP＝4.1m3/s以后，也可直接计算NP。此时应先求供水期的平均库容V＝（V死＋V兴/2）＝1050×104＋1/2×3152×104＝2626×104m3。查库容曲线得供水期平均库水位Z上＝30.90m，Z下＝1.40m，忽略水头损失，则得HP＝30.9－1.4=29.5m，由此可算出NPkWHAQNPPP7.8465.2910.471.灌溉和发电用水不结合灌溉和发电用水不结合的水库，灌溉引水口的位置多在大坝上游，电站建成河床式或坝后式。Z死决定于灌溉引水高程，Z蓄决定与灌溉用水量。灌溉引水后剩余的水量仍然很多，可结合发电的最低要求增加部分库容满足发电最低要求。此时结合发电要求确定Z蓄和Z死。灌溉水库水电站的水能计算供兴灌供调＋－＝TVWWQ2.灌溉和发电用水结合灌溉和发电用水结合的水库，灌溉取水口的位置在水电站尾水下游。来水先发电再灌溉。灌溉期的Q调至少等于灌溉流量。3.灌溉和发电用水部分结合灌溉和发电用水部分结合的水库，一方面上游取走部分水量供灌溉，一方面利用水电站尾水灌溉。水能调节计算时，先从天然来水量中扣除上游取水，然后按照灌溉和发电用水相结合进行调节计算。灌溉结合发电水库水电站的多年平均发电量，一般采用丰、平、枯3个设计代表年法。注意：凡是月平均出力大于装机容量