水利水能规划第五章 水能计算

第五章水能计算及水电站在电力系统中的运行方式目录水能计算的目的与内容1水电站保证出力与多年平均发电量计算2电力系统负荷图33水电站在电力系统中的运行方式44本章思考题及课外延伸5水能计算目的主要在于确定水电站的工作情况（例如出力、发电量及其变化情况），是选择水电站的主要参数（例如水库的正常蓄水位、死水位和水电站的装机容量等）及其在电力系统中的运行方式等的重要手段。主要内容第一节水能计算的目的与内容计算水电站的出力与发电量一.水利发电的基本原理1.水流功率（出力）伯努利方程：水体重量：潜在水能：水流功率（出力）：水能资源蕴藏量：将河流分段，分段计算水流出力（Q0多年平均流量），累加得到全河总水流出力。HzzgvarpzgvarpzE21222222111112)2()2(单位重水体rQtrQtHE12QHN81.92.水电站出力（1）水电站：能量转换装置——水能机械能电能（2）水流出力水电站水电站出力（水电站出力水流出力）（3）水能资源开发方式：将分散的落差集中，形成水电站水头H用水库或调节池调节引用流量坝式水电站引水式水电站混合式水电站径流式水电站蓄水式水电站有区别（4）水电站出力：（5）水电站发电量QHQHN81.981.9净AQHN反映水电站效率发电机传水轮机5.8~0.681.9AA出力系数，tNENdtEniitt1121221或落差损失—下上hhzzH二.水能计算的基本方法水能计算：求水电站出力N和发电量E的计算方法：统计法和时历法（列表法——数值法：半图解法、图解法）与水电站调节类型有关1.径流式水电站——靠天然径流发电的水电站（1）无调节水电站（如葛洲坝水电站）（2）日调节水电站：将一日内日水量重新分配与无调节类似，不同在于采用日平均水位。即，由查z～V，求得。)(hzzAQAQHN下上)(hzzAQAQHN下上上z兴死VVV21)((QfzQQQQQQQQzzTTT下净净上引天蓄上时当水电站过水能力）时当（不变）2.蓄水式水电站指长期调节水电站（年或多年调节）。年调节水电站有较大的V兴——年内水量调节，调节周期T=1年列表法：t=月或旬tT特点：（1）Z上是变化的（2）Q=Q调应考虑水电站的调节方式等流量调节、定出力调节（1）等流量调节（列表法）利用V兴，使水电站引用流量均匀，等流量蓄水期供水期不蓄不供期发生）时，若，弃调蓄调蓄蓄兴蓄水期调蓄QQQQQQQTVWQTT(调供兴供水期调，QQTVWQ净QQ（2）定出力调节（半图解法）已知各时段所需负荷（出力）N，反求Q和H（即V2）半图解法——方法原理（与调洪计算半图解法相似）区别：将q～V换为Q～N(即出力公式）水量平衡式：出力方程式：)2...(..............................)1.......(..........)(12AHNQVVtQQ净112212)12)(21VVtQQVVVVVV净（）代入（)4...(....................)2,()3.........(..........221QtVNfQQtVQtV净1）绘工作曲线2）水能计算（顺时序计算）由（3）式，已知N,V1,Q净计算Q【例】某水电站的正常蓄水位高程为180m，某年各月平均的天然来水流量Q天、各种流量损失Q损、下游各部门用水流量Q用和发电需要流量Q电,分别见表5-3第（2)～(5）行。此外，水库水位与库容的关系，见表5-1；水库下游水位与流量的关系，见表5-2。试求水电站各月平均出力及发电量。N保、E年是水电站的动能指标一.保证出力计算N保——是水电站在长期工作中，相应于设计保证率的枯水期的平均出力。第二节水电站保证出力与多年平均发电量计算AQHN5.8~0.681.9AA出力系数，落差损失—下上hhzzH1.径流式水电站（日或无调节）（1）长系列法由n年径流资料进行n年水能计算，得n365个，按递减排列由计算p，绘由p设′（历时设计保证率）查曲线得N保，日N%100nmppN~日日N保N设p(%)pAQHN5.8~0.681.9AA出力系数，落差损失—下上hhzzH（2）典型年法：改由3365，绘制曲线（选择丰、平、枯三个典型年）（3）简化法：绘制代替由p设′查曲线得Q保，则：N保=AQ保H日NpN~日pN~日pQ~日2.蓄水式水电站年调节水电站：p设——年保证率N保——水电站在多年工作期间，与设计保证率（p设）相应的供水期的平均出力。（因供水期用水用电均紧张）（1）长系列法：对n年资料进行逐年逐时段（月或旬）水能计算，可求出n年（个）供水期的平均出力，绘制由p设′查曲线得N保。pN~供pN~供供N（2）典型年法：由p设选设计枯水年，对此年供水期进行水能计算，得设计枯水年的平均出力，则：N保=AQ调H供（3）简化法：QzQzVVVzhzzHTVWQ~21下调下兴死上供下上供供供兴供调，供查：：由）（供N三峡电站初期的规划是26台70万千瓦的机组，也就是装机容量为1820万千瓦，年发电量847亿度。后又在右岸大坝“白石尖”山体内建设地下电站，建6台70万千瓦的水轮发电机。在加上三峡电站自身的两台5万千瓦的电源电站。总装机容量达到了2250万千瓦，年发电量1000亿度。直接把装机容量乘以一年的时间来计算年发电量的方法是错误的。你能保证一年里所以的机组满负荷运转吗？肯定不行。首先是水不够，其次是机组也要检修。所以不可能在一年内所有的机组都时时刻刻运转。目前三峡电站的上网电价是0.25元，按照这样计算1000×0.25=250亿三峡工程的总投资是1800亿，1800÷250=7.2年。考虑到三峡电站每年的电价收益要扣除成本因素，大概15年能回收成本二.多年平均发电量计算E年——是反映水电站发电效益的稳定指标。（中水平年法）（三典型年法））（或长系列法）平年枯年丰年平年年年年EEEEEnEEni31(1n为NN装的月数，m为NN装月数。)][1kwhmNNtEnii（装年一.电力系统电力系统由若干发电厂、变电站、输电线路及电力用户等部分组成。工业用电（均匀）农业用电（季节变化）市政用电（日内变化）电站变电站线路交通运输等第三节电力系统负荷图电力系统中电力电量平衡二.电力负荷图电力负荷：任何时间内，电力系统中各电站的处理过程和发电量必须与用户对出力的要求和用电量相适应，这种对电力系统提出的出力要求，常被称为电力负荷。电力负荷图：电力系统中所有用户所需出力N（负荷）随时间t的变化曲线。（1）日负荷图电力系统的负荷N，在一昼夜24小时内的变化过程。如图，N〞——最大负荷N——平均负荷N′——最小负荷基荷腰荷峰荷腰荷基荷荷峰日电能累积曲线是日负荷图的出力值（kw）与其相应的电量（kw·h）之间的关系曲线。绘制过程将日负荷曲线以下的面积（表示电量）自下而上加以分段，便得△E1、△E2、△E3等分段电能量，令图横坐标代表分段电能量△E的累积值，由此定出相应的a点、b点。按此向上逐渐累积到负荷的最高点，各交点的连线gabcd便是日电能累积曲线。特性：（1）在最小负荷N′以下，负荷无变化，故是直线；（2）在N′以上，负荷有变化，故cd为向上凹曲线段。d点横坐标为一昼夜的电量；（3）延长直线段gc，与d点的垂线df相交于e点，则e点的纵坐标就表示平均负荷N。（2）年负荷图:负荷N在年内的变化过程。一年内各日的最大负荷值所连成的曲线一年内各日的平均负荷值所连成的曲线三.设计负荷水平年——规划时，以某一远景年份上的负荷水平作为设计依据。如何做？“以第一台机组投入运行后的5～10年，并以国民经济五年计划相一致”，作为设计水平年。【例】葛洲坝第一台机组，1979+10=1989，取1990年作为设计水平年（即，以此年的供电范围、用电水平编制设计水平年的及典型日负荷图。)tNtN~,~''四.电力系统的容量组成已知：设计水平年的用电水平：求：系统总装机容量N系装=？tNtN~,~''二、电力负荷容量组成正常用电，必须满足两个条件：电力(容量)平衡：机电设备容量(出力)不小于最大负荷电量平衡：所发出的电能不小于用户需求电量这里关心电力平衡。容量又称装机容量。由以下几方面组成：最大工作容量(N工):备用容量（N备）:负荷备用、检修备用、事故备用重复容量(N重):为充分利用弃水发电而设置的容量即：N装=N工+N备+N重电力系统中所有电站的装机容量的总和——N装，是影响工程投资和效益的重要指标。电站装机容量：N系,装=N〞系,工+N系,备+N重N〞系工——系统最大工作容量。指设计水平年电力系统负荷最高（一般在冬季枯水季节）时，所有电站能担负的最大发电容量。N系,备——系统备用容量。为了确保系统供电的可靠性和供电质量，当系统在最大负荷时发生负荷跳动，因而短时间超过了设计最大负荷时，或者机组发生偶然停机事故时，或者进行停机检修等情况，都需要准备额外的容量，称系统备用容量。N重——重复容量。利用部分弃水额外增发季节性电能，只增加额外容量，不增加投资。由于这部分容量并非保证电力系统正常工作所必需，故称重复容量。N〞系,工N系,备N重N系,装第四节水电站在电力系统中的运行方式运行方式水电站在电力系统负荷图上的工作位置（不同时期）或系统负荷在各电站间的最优分配问题。目的使各电站扬长避短，供电可靠、经济、资源充分利用（原因——负荷不均匀、电站特性不同）一、水电站的工作特点1出力和发电量取决于天然径量；2适应负荷的剧烈变化（启动快、增减负荷灵活）；3工程投资比较大，工期较长；4运行费用较低；5调度复杂。水电站一.水、火电站的工作特性电力系统中所有用户所需出力N（负荷）随时间t的变化曲线。负荷N：用户所需出力+厂用电+输电损失启动灵活，宜任峰荷工作可靠性差（径流随机）运行费用低，电能成本低u水=（1/2～1/7）u火无原料费（用水），厂用电少运行费与发电量无关启动缓慢，宜任基荷工作可靠性高运行费用高，运行费u火与E成正比燃料费用所占比重大，且污染火电站二.水电站在系统中的工作位置（运行方式）（1）无调节水电站——只宜任基荷，运行条件较差。在丰水期可部分做腰荷，但仍有弃水。弃水所损失的能量丰水期设计枯水年丰水年（2）日调节水电站——在枯水期，担任峰荷；在丰水期，可以担任腰荷或基荷设计枯水年峰荷基荷腰荷日调节水电站工作位置的确定E辅助曲线：该线距日电能累计曲线的水平距离均等于日电能量E水日N辅助曲线：该线距日电能累计曲线的垂直距离均等于装机容量N水装（3）年调节水电站——既可作基荷，也可作峰荷设计枯水年丰水年（4）多年调节水电站多年调节水库一般总是同时进行年调节和日调节。因此，其径流调节程度和水量利用率都比年调节水库的大。多年调节水库的相对库容较大，水电站的运行方式受一年内来水变化的影响较小。所以在一般来水年份，多年调节税电站在电力系统负荷图上将全年担任峰荷（或峰、腰负荷），而让火电站经常担任腰荷、基荷。第五节本章思考题及课外延伸思考题：1.某水电站的正常蓄水位、某年各月平均的天然来水量、各种流量损失、下游各部门用水量和发电需要流量、以及水库水位与库容的关系、水电站下游水位与流量的关系均为已知，简述水电站出力及发电量的计算步骤。2.简述电力系统日负荷图的绘制过程。3.简述日调节水电站在年内不同时期的运行方式。