第四章 水能计算及水电站在电力系统中的运行方式1

第四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方法第二节水电站保证出力和多年平均发电量的计算第三节电力系统的负荷图及容量组成第四节电力系统中各类电站的工作特性第五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方法一、水能计算的目的及任务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。981981N.QH.Q(ZZH)(kW)(4-1)上下η——效率系数；Q——通过水轮机的流量（m3/s）；H——水电站的净水头，为水电站上下游水位之差减去各种水头损失（m）。H一定时，η随N而变，其间有一个效率最高值。反之，出力不变时，η也随H而变，也有一个η最大值。图中H额为额定水头，表示在该水头以下，机组可以发出额定出力（也称为额定容量）。第一节水能计算的目的与方法图4-1水轮机运转综合特性曲线在额定水头以下，机组可发的最大出力随H减少而减小。原因：流速与H1/2成正比，当水头很小时，流速也很小，即使导叶全开，过水断面达最大，但因流速小，水电站发电流量的增加仍有限，加上效率减少，故水轮机可发的最大出力小于额定容量，这种现象称为水电站容量受阻。第一节水能计算的目的与方法图4-1水轮机运转综合特性曲线第一节水能计算的目的与方法水头越小，受阻容量越大，因此在运行时水头有一定范围，在此范围内水轮机效率较高，出力受阻较小。这个范围一般以最小水头不小于最大的60%～70%来控制。各种型号的水轮机都有不同的运转特性曲线图。图4-1水轮机运转综合特性曲线水电站在t1至t2时段内的发电量为：实际计算中常采用：)(21hkWNdtEtt)(1i1hkWtHQktNEniiiniii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。第一节水能计算的目的与方法所划分的时段数水能计算基本方程式：)(HZZKQkQHN下上水电站的主要动能指标：保证出力和多年平均年发电量。保证出力：指水电站在一定供水时段内所能发出的，相应于设计保证率的时段平均出力，它决定着水电站能够有保证地承担电力系统负荷的工作容量。第一节水能计算的目的与方法水能计算的目的：就是确定水电站的保证出力和多年平均年发电量指标以及水电站的工作情况。水能计算的目的水能计算在规划设计阶段的任务：先拟定若干个不同正常蓄水位方案，对每个方案分别进行水能计算，确定保证出力、装机容量、多年平均发电量等；最后通过不同方案的综合经济比较来选定合理的正常蓄水位。第一节水能计算的目的与方法水能计算的任务由于参数尚待选择，在计算时要作某些简化考虑，如机组效率取某一常数，对水电站的工作方式作些简化，如按等流量或等出力调节等；待这些参数选定后，再做进一步的修正计算，确定最终的动力指标。运行阶段水能计算的任务：综合考虑各个实际因素，如天然入库径流、国民经济各部门的用水要求以及电力系统负荷等情况，计算水电站各时段的出力和发电量，来拟定水电站的最优运行方式，以增加系统的经济效益。第一节水能计算的目的与方法水能计算的任务工程的经济效益：保证出力和多年平均发电量。工程的规模和造价：装机容量和正常蓄水位。动能经济计算：把水能与经济联系起来进行分析计算。【例题】某水电站正常蓄水位高程为180m。水库水位与库容关系见表4-1，水库下游水位与流量关系，见表4-2。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4-3（2）～（5）栏。求水电站各月平均出力及发电量。表4-1水库水位与容积关系表4-2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例题求解二、水能计算的方法确定水电站动能指标的计算，称为水能计算。水能计算的基本公式有水量平衡和出力公式，计算方法同径流调节计算方法类似，有时历法和数理统计法两大类。时历法又分为列表法、图解法和半图解法。在水能计算中，当方案较多、时间序列较长时，工作量巨大，一般应用计算机进行水能计算。第一节水能计算的目的与方法1.等流量调节的水能计算列表法已知水电站水库的正常蓄水位和死水位(即已知调节库容)，按等流量调节，计算水电站的出力和发电量。2.等出力调节的列表试算法根据规定的水电站出力，计算所需的调节库容及水库的运用过程。该课题分三种情况：已知Z正和N；已知Z死和N；已知Z正和Z死，N待求。二、水能计算的方法第一节水能计算的目的与方法【例4-1】二、水能计算的方法第一节水能计算的目的与方法已知Z正和N二、水能计算的方法第一节水能计算的目的与方法图4-2已知出力调节的水库运用图把顺时序和逆时序进行的水能计算也叫做水能正算和水能反算。已知Z死和N【例4-2】已知Z死和N正，求N二、水能计算的方法第一节水能计算的目的与方法首先假定一个等出力值，从已知的Z正开始，进行已知出力的水能正算，求得相应的供水期末水库的消落水位。若此消落水位高于(或低于)已知的Z死值，则表示库容中的蓄水没有用完(或不足)，即假定的等出力值小(或大)了，要重新假定即加大(或减小)等出力值再算，直到供水期末水库消落水位符合已知的Z死时为止，此时的等出力即为所求。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。保证电能：在供水时段内，按保证出力连续发电所生产的电能。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，均第二节水电站保证出力和多年平均年发电量的计算第二节水电站保证出力和多年平均年发电量的计算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。计算方法：长系列法，设计枯水年法。年调节水电站的水能计算设计枯水年法（规划设计阶段）：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。1）简化等流量法2）逐时段等流量法（考虑了不同时段的水头差别）3）等出力法HkQNpfm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和设计枯水年法都可采用简化等流量法、逐时段等流量法和等出力法计算供水期平均出力，下面以设计枯水年法为例，介绍这三种方法。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无调节水电站的水能计算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：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。多年调节水电站的水能计算二、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：hW