水电站水能计算.ppt

1、主要内容,第一部分,水库及其特性,一、水库及其特性,1、水库 指在河道、山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊。 作用：兴利（发电、供水、航运、生态）、除害（防洪） 按河谷形状分：河道型水库、湖泊型水库,一、水库及其特性,2、水库特性曲线 面积曲线：水库蓄水位与相应水面面积的关系曲线 库容曲线：库水位与累积容积的关系曲线 尾水水位流量关系曲线 泄流能力曲线,水库容积V (106 m3) 水库容积特性和面积特性图 1水库面积特性; 2水库容积特性,一、水库及其特性,3、水库的特征水位及其相应库容,水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位。,汛期兴利蓄水允许达到的最高水位，设计条件下水

2、库防洪的起调水位。,正常运用条件下，兴利设计允许能蓄到的最高水位。,遭遇下游防洪保护对象设计标准洪水时，坝前临时达到的最高水位。,遭遇大坝设计标准洪水时，水库正常运用坝前临时达到的最高水位。,遭遇大坝校核标准洪水时，水库非常运用坝前临时达到的最高水位。,一、水库及其特性,3、水库的特征水位及其相应库容,水库规模最主要指标总库容,总库容 0.01亿 m3 小II 型水库 0.1亿 m3 小I型水库 1亿 m3 中型水库 10亿 m3 大II型水库 大于10亿 m3 大I水库,大坝高程校核洪水位（或设计洪水位）浪高+安全高,一、水库及其特性,4、水库的水量损失,蒸发损失：水面面积扩大，水面蒸发陆面

3、蒸发 渗透损失：水库蓄水，水位抬高，水压力的增大，因而产生了水库的渗漏损失 结冰损失（临时损失）：冰层滞留在库岸周边,一、水库及其特性,5、库区淹没、浸没和水库淤积,淹没：经常性淹没、临时性淹没 浸没：库水位抬高后引起库区周围地区地下水位上升所带来的危害 水库淤积：降低水流挟沙能力，改变泥沙运动规律，导致泥沙在库区逐渐沉淀淤积,三门峡水库：泥沙不能承受之重,自1960.9蓄水以来，由于泥沙淤积，潼关河床抬高4.5m(323.4328.09m)，渭河洪水；关中土地盐碱化；威胁西安。 6568改建：左岸增建两条泄洪排沙隧洞，改建四根引水发电钢管。对潼关作用不大。 6973改建：打开原18号施工导流

4、底孔，降低发电引水钢管进口13m。 73.11：现在315m运行，装机41万kW（90），年发电量12亿kWh（46）。潼关河床抬高3m (328.09m-326.6m),1、蓄水位350m，总库容360亿m3 2、装机90万kW，年发电量46亿kWh。 3、解除黄河下游的洪水威胁 4、黄河清 5、初期灌溉2220万亩，远景7500万亩,一、水库及其特性,6、对生态环境等方面的影响,对气候的影响 对降水、气温、风、雾 等气象因子的影响 对水文的影响 改变下游河道的流量过程：断流、地下水位下降、自净能力下降、水位日变幅大、水质恶化等。 对水体的影响 航运过闸、水温、水质、水面大、蒸发量大、水汽多

5、、水雾多 对鱼类和生物的影响 洄游鱼类（鱼梯、鱼道；人工繁殖）、生态系统改变 对人群健康的影响 疾病（疟疾、血吸虫病等）、,第二部分,河流水能资源分析与估算,二、河流水能资源分析与估算,1、水能计算的基本公式水能：河流中流动着的水流蕴藏着一定的能量。天然情况下，水能消耗于水流的内部摩擦，克服沿程河床阻力，冲刷河床和挟带泥沙运行等方面。采用一定的工程技术措施后，可以将水能变为电能。,N=9.81QH (kW),E=NT=9.81QHT (kW h),(kg m),E=NT=9.81QHT=9.81QHT/3600 =0.0027WH (kW h),二、河流水能资源分析与估算,2、河川水能资源蕴藏

6、量 构成水能资源的基本要素是流量和落差。,二、河流水能资源分析与估算,2、河川水能资源蕴藏量 河流水能蕴藏图又叫河流的查藉曲线。它是我们研究河流开发的基本资料，对拟定河流梯级开发和选择近期工程有重要的参考价值。由于受技术、经济和环境等条件的限制，有些流量和落差是不能利用的，所以还要计算技术和经济可开发水能资源。,第三部分,水能资源开发方式,三、水能资源开发方式,开发利用水能时要解决的基本问题是集中落差和调节流量。 水能开发方式或者叫水电站开发方式，就集中落差的措施而言，有坝式、引水道式和混合式三种基本方式,三、水能资源开发方式,1、坝式（蓄水式）水电站 坝式水电站按其建筑物的布置特点，又可分为

7、河床式、坝后式、坝内式等类型,1.起重机 2.主机室 3.发电机 4.水轮机 5.蜗壳 6.尾水管 7.尾水平台 8.尾水导墙 9.泄洪闸门 11.溢流坝 12.主坝 13、闸墩,河床式水电站示意图,三、水能资源开发方式,坝后式水电站示意图,三、水能资源开发方式,2、引水式水电站 有压引水式和无压引水式,(a)有压引水式水电站,(b)有压引水式水电站,引水式水电站示意图,三、水能资源开发方式,3、混合式水电站,混合式水电站示意图,三、水能资源开发方式,4、其他开发方式,（一）潮汐发电,三、水能资源开发方式,4、其他开发方式,抽水蓄能电站根据利用水量的情况可分为两大类：一类是纯抽水蓄能电站；另一

8、类是混合式抽水蓄能电站。,（二）抽水蓄能发电,第四部分,河流水能资源的梯级开发,四、河流水能资源的梯级开发,1、河流综合利用规划,河流综合利用规划要综合地解决防洪、发电、灌溉、航运、给水、养殖、生态环境等方面的需水问题。,2、河段开发方案的比较,一个河段究竟采用何种开发方式，决定于当地地形、地质、水文和技术经济条件，并应通过不同开发方式的多种方案的技术经济比较来选择。,四、河流水能资源的梯级开发,四、河流水能资源的梯级开发,3、河流梯级开发方案和近期工程的选择,对全河流由上而下拟定一个河段接一个河段的水利枢纽系列，呈阶梯状的分布形式，叫做河流的梯级开发。一条河流上一连串的水电站系列称为梯级水电

9、站，并由上而下定出级名。各级水电站集中水头的方式可以是坝式、引水式或混合式，应通过梯级开发方案的拟定和比较来选择。,分级的一般原则是：尽量减少级数，每级集中尽可能大的水头；拟定各级水库的正常蓄水位时，应尽量使上下梯级之间相互衔接，以充分利用河流的落差；各级水库位置和库容的安排应与它控制的来水有较好的配合；避免过多的水库淹没。,四、河流水能资源的梯级开发,在拟定的河流梯级开发方案中，有一个先后开发的次序，不可能也不必要同时修建。梯级开发方案中被选中首先开发的一个或一批水利枢纽就叫近期工程。选择的近期工程应能满足当前迫切要解决的综合利用要求，且技术经济指标较优越、具备一定的施工条件等。,我国已先后

10、多次对大江大河进行过梯级开发方案的规划，例如黄河规划了47个梯级电站，中游三门峡水利枢纽作为第一期工程，上游选择刘家峡水利枢纽首先开发，目前已建成的有龙羊峡、李家峡、公伯峡、苏只、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、小峡、大峡、青铜峡、三门峡、小浪底等10几座大中型水电站，在建的还有拉西瓦、康扬、积石峡、炳灵峡等大型工程。,第五部分,水电站生产过程及动能指标,五、水电站生产过程及动能指标,1、水力发电原理,五、水电站生产过程及动能指标,1、水力发电原理,由式N=9.81QH计算出的水流出力，只表示天然水流所具有的理论出力。水电站在实际运行时，这个出力要大打折扣。,首先，水量损失 ，有弃水 其次，水头损失

11、H ，H净= H毛 H 再者，能量损失 ，=水机传动电机 N=9.81QH净 N=K QH净,根据水电站规模的大小，一般对大型水电站取K=8.5；中型水电站K=8.0 8.5；小型水电站K=6.0 7.5。,五、水电站生产过程及动能指标,2、主要动能指标及其含义,水电站主要动能指标是指符合设计保证率的保证出力、多年平均发电量、装机容量及年利用小时数。,符合水电站设计保证率要求的一定临界期的平均出力称为保证出力，由它决定水电站承担电力系统基荷的工作容量，为可靠性指标或容量效益指标。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，为经济性指标，或电量效益指标。这两项指标都是水电

12、站的重要动能指标。,第六部分,水能计算的基本方法,六、水能计算的基本方法,确定水电站动能指标的计算，称为水能计算。水能计算的目的，在规划设计阶段，为了选择水电站及水库的主要参数，需假定若干个水库正常蓄水位方案，计算各方案的水电站动能指标，为最终确定电站规模提供依据；在运行阶段，由于水电站及水库的主要参数（正常蓄水位、死水位和装机容量）已定，则需根据水电站及水库的实际运行情况，计算水电站在各时段的出力和发电量，以便确定电力系统中各电站的合理的运行方式。,按等流量调节方式 按规定出力调节方式,六、水能计算的基本方法,径流调节的基本原理是水库的水量平衡。,1、径流调节的基本原理,六、水能计算的基本方

13、法,2、按等流量调节方式的水能计算方法,例1设某年调节水电站的正常蓄水位Z蓄=760m，死水位Z死=720m，计算所依据的资料有：水库水位容积曲线（见表1）；水电站下游水位流量关系曲线（见表2）；设计枯水年入库径流资料见表3中第（2）栏；出力系数K取8.2；假设水头损失为定值，取H=1.0m；无其他用水要求。本例不计水量损失，故表1未列出水库面积曲线；现按等流量调节方式，计算设计枯水年水电站的出力和发电量，以及供水期平均出力。,六、水能计算的基本方法,2、按等流量调节方式的水能计算方法,表2 下游水位流量关系曲线,表1 水位容积曲线,六、水能计算的基本方法,2、按等流量调节方式的水能计算方法,

14、解： （1）计算兴利库容由已知 Z蓄=760m，死水位Z死=720m，查库容曲线表5-2 得出V蓄=21.4亿m3与V死=7.9亿m3 ，则兴利库容V兴=21.4-7.9=13.5亿m3 。 （2）确定供水期及其引用流量先假定供水期12月至4月共五个月，即，则12月至4月的天然来水量W供=457（m3/s月）。水电站引用流量为 Q引 =(W供+ V兴)/T供=(457+513)/5=194(m3/s），与计算表中第（2）栏的天然流量对照，因为Q Q引，因此12月至4月为供水期。将194 m3/s列入表中第（3）栏（12月至4月）。（3）确定蓄水期及其引用流量类似地用蓄水期公式试算，得蓄水期为6

15、月至8月，其引用流量为Q引=( W蓄- V兴)/T蓄= (2264513)/3=584(m3/s)，将584 m3/s列入计算表第（3）栏（6月至8月）。其余月份为不蓄不供期，水电站按天然流量发电，即水电站引用流量等于入库流量 。,六、水能计算的基本方法,2、按等流量调节方式的水能计算方法,（4）已知时段初蓄水量,利用水量平衡方程计算时段末蓄水量V（t+1），见表第（7）栏。 （5）由表第（8）栏时段平均蓄水量查库容曲线，求上游平均水位Z上，见（9）栏。 （6）由表第（3）栏时段引用流量，查水位流量关系曲线，求下游水位Z下，见（10）栏。 （7）计算平均净水头H净= Z上- Z下-H：，见（1

16、1）栏。 （8）计算时段出力Ni=8.2QH净，见（12）栏。 （9）计算设计枯水年发电量和水电站保证出力。,六、水能计算的基本方法,六、水能计算的基本方法,2、按等流量调节方式的水能计算方法,年发电量：计算时段t为一个月，按30.4天计，由（12）栏月平均出力Ni，得到年发电量E=30.424393.2=28.7亿kWh。 保证出力：供水期平均出力为93.7/5=18.74万kW 保证电量：供水期的发电量为93.730.424=6.84亿kWh,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,按等出力调节方式水能计算的另一命题是在满足规定出力条件下，推求水电站引用流量与库水位的变化

17、。该课题类似于已知用水求库容的径流调节计算。,根据公式N=KQH，当出力N已知时，水电站引用流量Q取决于水头H的大小，即Q=N/KH，而水头H又取决于上下游水位，上下游水位又与引用流量Q有关。因此，Q与H之间存在相互影响、相互制约的关系，需要通过试算才能求解。试算工作一般从假定水电站引用流量Q入手。,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,计算步骤 （1）先假设t时段出力为N0，计算精度为，从供水期初库水位为正常蓄水位开始，顺时序计算。 （2）假设t时段水电站引用流量为Q引（也可以先假定水头H）。 （3）由水量平衡方程

18、，计算时段末库容Vt+1。 （4）计算t时段平均库容 ，查库容曲线得出水电站上游平均水位Z上。 （5）由Q引（若有弃水Q弃时，应为Q引与Q弃之和）查下游水位流量关系曲线得到水电站下游水位Z下。 （6）计算t时段平均净水头，即H= Z上- Z下- H 。,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,（7）计算实际引用流量Q = N0/KH, 误差为B=Q-Q引。若B ，则令Q弃=(Q弃+Q)/2，替代上一次的引用流量Q引，返回步骤（3）（称小循环计算）；若B，该时段计算结束，继续下一时段已知出力的计算。 （8）经过以上逐时段演算至供水期末时，若供水期末水位降至死水位（在计算误差范围

19、内），则计算结束；否则， 若期末水位高于死水位，说明假定出力太小，应加大出力，若期末水位低于死水位，说明假定出力太大，应减小出力，返回步骤（1）进行下一轮迭代计算（称大循环计算）。,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,例2现以例1的基本资料，说明按等出力调节方式计算的具体步骤。计算从假定供水期的平均出力开始。为使假定出力有所依据，可采用简化法估算供水期平均出力。 解：供水期平均蓄水量为(V兴+V死) +V死/2=21.4+7.9/2=14.65亿m3 ，由此查水库水位容积曲线得供水期上游平均水位为743.5 m；供水期平均流量194m3/s即为水电站引用流量，据之查下游水

20、位关系曲线得下游平均水位为625.8m，则供水期平均水头为H=743.5-625.8-1.0=116.7m，于是估算得供水期平均出力为N=KQH=8.219411.67=18.6 万kW。,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,六、水能计算的基本方法,3、按规定出力方式的水能计算方法,最后，比较一下按不同的方法计算的供水期平均出力：按等流量调节方式时为18.74万kW ，按等出力调节方式时为18.4万kW，简化计算时为18.6万kW。三种不同方法所得结果存在差别，主要是由于调节方式不同，影响到平均水头的大小。但是，该例结果差别不大，所以，在初步水能计算中，常用等流量调节方式

21、，甚至于用简化法计算供水期平均出力。这样可以减少计算工作量，而且计算成果也具有一定的精度。,第七部分,各类水电站水能计算,七、各类水电站水能计算,1、无调节水电站水能计算方法,无调节水电站，由于无法对天然径流进行重新分配，任何时刻的出力取决于河道中当时的天然流量，故无调节水电站又称为径流式水电站。,计算步骤如下： （1）由于几十年的日径流资料很长，计算量大，为简化计算一般采用丰、平、枯三个代表年的日径流资料。 （2）计算各级流量的平均值Q，查水位流量关系曲线，求得相应的下游水位Z下。 （3）计算各级流量相应的水电站净水头H=Z上-Z下-H。 （4）计算电站出力N=KQH。,七、各类水电站水能计

22、算,1、无调节水电站水能计算方法,无调节水电站保证出力是指符合设计保证率(按历时保证率计) 要求的日平均出力 。,七、各类水电站水能计算,1、无调节水电站水能计算方法,例3某无调节水电站，其正常蓄水位为469 m。已知该水电站水库库容曲线，下游水位流量关系曲线，多年日平均径流系列资料，则其水能计算过程与成果如表所示。上游水位取正常蓄水位469m，水头损失为0.5m，水电站出力系数为8.3。,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NP和水流出力持续曲线NT（如图所示）。若该水电站的设计保证率取85%，则从图中用可查出该水电站的保证出力为51.5 kW。,七、

23、各类水电站水能计算,1、无调节水电站水能计算方法,若根据电力电量平衡计算若该水电站的装机容量定为 80 kW，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。,七、各类水电站水能计算,1、无调节水电站水能计算方法,七、各类水电站水能计算,2、日调节水电站水能计算方法,日调节水电站水能计算方法与无调节水电站相同 ，唯一的区别是：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与正常蓄水位之间波动一次，故以日为计算时段上游水位应取平均值，一般可将正常蓄水位 Z蓄与死水位Z的平均值近似作为日平均上游水位，即 Z上=（Z蓄+Z死）/2或Z上=（Z蓄+Z死）3/4 。,七、

24、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,年调节水电站保证出力是指符合设计保证率要求的供水期平均出力。,（一）保证出力计算,年调节水电站保证出力计算一般可按设计枯水年法和长系列法两种方法。方案比较阶段一般采用设计枯水年法；对选定方案要求较详细的水能计算可采用长系列法。,（二）多年平均年发电量的计算,1.中水年法 2.丰、中、枯代表年法 3.长系列法,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,例4某水电站为某河流梯级开发的第一期工程，是以发电为主，兼顾防洪、航运、灌溉的年调节综合利用水利水电枢纽。初步拟定正常蓄水位为205 m，死水位为170 m；坝址处有1970年2000年共30年

25、水文资料，多年平均径流量为153 m3；设计保证率（年保证率）P设=90%；库容曲线ZV见表1；下游水位流量关系曲线ZQ见表2；水头损失取1m，出力系数取8.2。试计算该方案的保证出力和多年平均年发电量。,水位容积曲线,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,解：（1）设计代表年的选择 将30年水文资料转换为水利年系列。由于该水库兴利库容为10.63亿m3，库容系数约为7，为不完全年调节，因此，本例题按供水期的流量排频，选择代表年。供水期为113月。,水位容积曲线,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,首先统计30年水利年系列资料供水期的径流量，然后依递减顺序排列，再按经

26、验频率公式计算其经验频率，绘制其经验频率曲线。选择与保证率P设=90很接近几个年份，比较分析年内分配，最终选择其中具有较好的代表性的年份作为设计枯水年。同理，可选择50的年份为中水年，10的年份为丰水年。其代表年径流资料如表所示。,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,（2）设计代表年的水能计算 以设计枯水年为例，按等流量调节方式的计算说明如下：,（a）将兴利库容为10.63亿m3转化为以(m3/s) 月为单位的形式,（b）从计算表的第(2)栏可见，设计枯水年11月至3月共5个月天然流量较枯，假定为供水期，即T蓄=5, W蓄=395(m3/s)月。则由供水期公式得：,类似地根据蓄水

27、期公式蓄水期为7月至8月,水电站引用流量为,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,七、各类水电站水能计算,3、年调节水电站水能计算,（3）保证出力的计算,根据计算表，水电站在设计枯水年供水期11月至3月共5个月的总出力为50.6万kW，则水电站保证出力为50.6 / 5 = 10.13万kW。,（4）多年平均年发电量的计算,同理按等流量调节方式，可分别进行丰、中二个代表年水能计算，得到二个代表年各时段的水流出力。,E=(251.51 +383.78+ 401.34)/3 *30.4*24/10000=25.2(亿kW.h),七、各类水电站水能计算,4、多年调节水电站的水能计算,多年

28、调节水电站的特点是其水库能进行年际间的水量调配，调节周期可长达若干年，使水电站在连续枯水年组内得到相同的平均出力和年发电量。,符合设计保证率要求的连续枯水年组的平均出力即为多年调节水电站的保证出力。,用时历法进行多年调节水电站出力计算时,需选择设计枯水年组，由于受水文资料的限制，通常采用从最严重的枯水年组中扣除正常工作允许破坏的年数，余下的年组即为所选的设计枯水年组。,七、各类水电站水能计算,4、多年调节水电站的水能计算,按等流量调节的水能计算方法是首先推求设计枯水年组（即多年调节供水段）的调节流量和水库蓄水变化过程，然后按N=KQH公式计算多年调节水电站的保证出力。,按等出力调节方式进行计算，要求设计枯水年组（即多年调节供水段）从连续供水年组第一年供水期初水库处于正常蓄水位起按某一假定的等出力发电直至枯水年组末水库水位消落到死水位。,鉴于多年调节水电站水库调节周期长达若干年，因此，应选用长系列法或中水年组法计算多年平均年发电量 ，起算水位死水位（正常水位死水位）2/3,谢 谢 大 家 QQ:282821598 Email：,