《水电站水能计算》PPT课件.ppt

第5章 水电站水能计算,第一节 水能计算的目的和主要内容,一、水能计算的目的 河流中蕴藏着巨大的能量，水电站就是利用河流水能生产电能的动力生产企业，其产品为电能。水能计算的目的在于确定水电站的工作情况，比如出力和发电量。 水库兴利调节计算的实质是解决来水、用水、设计保证率和水库库容之间的关系，水能计算中将“库容”可以理解为水利工程的规模，“需水”变成了需电，和径流调节不同的是水能计算更复杂一点，因为其中有了水头因素。 工程规划阶段，一般是先要拟定几个正常蓄水位方案，针对每一个方案去求装机容量、保证出力、多年平均发电量和有利的死水位等指标，这也是水能计算的主要任务。 1.确定水电站的动能指标，主要是保证出力、多年平均发电量、装机容量； 2.确定水库的特征水位，正常蓄水位和死水位等； 3.选定机电设备，水轮机组等； 4.经济评价,水电站出力 水电站出力是指发电机组的出线端送出的功率。 N=KQH K为机组效率的一个综合效率系数，称为出力系数，由水轮机模型实验提供，也可以参考下表选用：,水电站发电量 水电站的发电量是水电站的出力和相应时间的乘积。 E= NT 计算时段的长短取决于水库的调节周期。,二、水能计算内容 在前面我们已经知道，径流调节计算的任务是解决来水、需水，设计保证率和库容四者之间的关系。水能计算的任务，广义的说，和径流调节一样，也是解决这四者之间的关系。经常遇到的水能计算任务是确定电站效益与工程规模之间的关系。由于用户需要的是电能，因此除供水量外尚需考虑水头因素，它比一般的径流调节计算要复杂一点。 电站效益通常用保证出力和多年平均电能两指标来衡量，而工程规模则以水库正常蓄水位和有效库容、引水渠道尺寸及电站装机容量为指标。它们之间的关系由于影响因素多比较复杂，通常难以用数学方程式来表达。所以在工程规划设计时，总是先拟订若干个不同正常蓄水位方案来分别计算。首先根据地形、地质、淹没条件，对可能考虑的水库正常蓄水位拟订几个方案，然后对每个方案分别进行水能计算，确定最有利的死水位，保证出力，装机容量，多年平均电能等。显然，正常蓄水位越高，调节库容越大，保证出力、 装机容量，多年平均电能也越大，起发电效益也越显著，然而水电站投资也越大。这样可以通过不同方案的综合经济比较来选定合理的正常蓄水位，保证出力，装机容量和多年平均电能，这些就是水能计算或水能设计的主要内容。,（1）数值计算法。这是解微分方程的一种近似解，有欧拉法、梯形法、龙格库塔法等（可以参看有关书籍）。此种方法要多次迭代，计算工作量颇大，随着电子计算机的广泛应用，它还是挺有前途的。 （2）列表试算法。 通过假定某个位置的q平均，逐步求解各个方程式。如果与假定值不符，再重新假定（如表）。 列表试算法（定出力） K=8.3,三、水能计算的基本方程和主要方法,算例,已知某年调节水电站水库的正常蓄水位为760米，死水位是720米，不计水量损失，求水库等流量调节运用，求在设计枯水年水电站的出力和发电量。 （请先考虑计算所需的基本资料主要有那些?),设计枯水年入库径流资料 水库水位与容积关系曲线 水电站下游水位和流量关系曲线 机组效率 水头损失,设计枯水年入库径流资料,（3）图解法 为减少工作量，避免试算，常用图解法。这类方法很多，有马丝砌司机等的图解法，半图解法和通用工作曲线图等等，各有特点。下面介绍一种比较简便的半图解法。 水能调节计算一般是在已给各时段出力下，连续的联解水量平衡方程和动力方程式（3-8）。 设以V1代表时段初水库蓄水量，V代表时段平均库蓄水量，则水量平衡方程可改写成下式： 将已知变量移向左端，未知变量移向右端，得： （3-16） 根据以给定的N值由动力方程式B=kqH，结合库容曲线V=f(h)和下游Zq关系线，先列表计算出各种N、q值下的（V/t+q/2）值并绘成（V/t+q/2） Nq关系曲线，以供查用。,此曲线组（如图）称水能计算工作曲线，也可称动力方程曲线。 利用式（16）和图就可以方便的进行水能调节计算。,水能计算工作曲线计算表,水电站保证出力计算 所谓保证出力是指水电站在长期工作中，所能发出的符合水电站设计保证率枯水期的平均出力。 1.年调节水电站保证出力计算 对于年调节水电站，在一个调节年度内，供水期调节流量最小，平均出力也最小，年调节水电站能否正常工作，取决于供水期的平均出力，所以年调节水电站保证出力是符合保证率要求的供水期的平均出力。 可用长系列或典型年方法计算。 2.对于无调节或日调节水电站保证出力计算 其出力数值随日流量变化而变化，属于径流式水电站，因此其保证出力应符合设计保证率要求的日平均出力。,四、保证出力和多年平均发电量,水电站多年平均发电量 是指多年工作期间水电站平均每年所生产的发电量，是水电站动能效益的指标。在正常蓄水位和死水位已知的情况下，可以用长系列或代表年法计算。 1.全部水文系列法 共有n年的水文资料，计算时段是t，可求n*t个时段的平均出力数值，按大小排列，绘制时段出力保证率曲线。将保证率曲线的坐标换算成一年的持续小时数，则任何保证率p相应的持续小时数为p*8760，根据拟定的装机容量得出多年平均发电量。 多年平均发电量也可以根据下算式计算： E均=(Ei)/n 2.代表年法 E均=(E丰+E平+E枯)/3,全部水文系列法,第2节 电力系统负荷图,一、电力系统及用电户 若干个电站及用户之间用输电线路联结成为一个共同的电力网，称为电网或叫电力系统。 网内个电站(尤其是水电站和其他动力资源的电站)进行联合供电，可以彼此取长补短，大大改善电网的工作条件，提高供点的可靠性和经济性。,用电户用电特点 1.工业用电 2.农业用电 3.市政用电 4.交通运输用电,二、电力负荷图,在电力系统中，系统负荷是其各用户用电要求的汇总，故负荷特性随用户组成而变，而且各用户一般都有明显的日变化和季变化。电力系统的负荷变化可以用负荷图表示。 负荷的日变化过程叫日负荷图。 负荷在一年内的变化过程线，称为年负荷图。,日负荷图 日负荷图反映的是一天之内电力负荷的变化过程线。日负荷图有三个特征数值：日最大负荷、日均负荷和日最小负荷。,为便于利用日负荷图进行动能计算，常需要事先绘制日电能累计曲线。,年负荷图 日最大负荷年变化曲线 日平均负荷年变化曲线,三、 设计水平年,目前一般采用第一台机组投入运行起510年后的电力负荷作为设计依据。设计水平年的负荷资料可以根据历史资料及借鉴于工业发达国家的用电资料来估计。其增长率推算公式如下： 为第n年到第（n+1） 年的增长率。其中E为发电量，有此式可以推出；,设计负荷水平年:电力负荷总是随着国民经济的发展而逐年增长的，在规划设计水电站时，考虑电力系统远景负荷的发展水平，与此负荷水平相适应的年份称为电力负荷水平年。,第3节 电力系统的容量组成及各类电站特性,一、系统容量的组成 以任一天为例，为了保证系统中各用户用电，必须同时满足两个条件：第一，电力系统中各电站当天能够随时投入运行的机电设备容量（电力系统各电站总的电机设备容量称电力系统的装机容量）不小于该天最大的日负荷；第二，电力系统中各电站每天储备的水量以及燃料所能发出的电能，必须不小于日负荷图所要求的电量。 同样，在一年内也要满足容量平衡和电量平衡。年负荷图是确定电力系统个电站装机容量的主要依据之一。根据机电设备容量的目的和作用，可将整个电力系统的装机容量划分如下几个部分： （1）最大工作容量。为了满足系统最大负荷要求而设置的容量为工作容量。 （2）负荷备用容量。除工作容量外，还要增设一定数量的容量，来应付突然的负荷跳动。此部分容量称为负荷备用容量。 （3）事故备用容量。为了避免因机组发生故障而影响系统正常供电，笔削在电力系统中设置一定数量的事故备用容量。 （4）检修备用容量。如果系统容量中没有足够的空闲容量，难以安排机组检修，就要设置一定的检修备用容量，但石板情况下，力求不设或者少设置此部分备用。 （5）重复容量。在寻常年份，都会有水量富余，若仅以必须容量工作会产生大量弃水。为了利用次部分水量来发电，只需要增加一部分电机容量，而不增大坝等水工建筑物的投资，这部分容量并非保证电力系统政策供电所必需的，故称为重复容量。在设置有重复容量的电力系统中，系统的总装机容量就是必需容量与重复容量之和。,二、各类电站的工作特性 目前我国各地区的电力系统，大多是以水、火电站为主要电源所构成的。此外尚有少量的地热电站、蓄能电站、潮汐电站等，核电站的筹建也在积极进行。 （一）火电站的工作特性 （1）火电站只要燃料充分全部装机都可以利用，不受天然来水条件的限制。 （2）火电站也不怎样受地理地形条件的限制。但是污染大，燃料消耗快。 （3）火电站启动费时，加荷缓慢，适宜承担基荷。 （二）水电站的工作特性 （1）水电站的重要特性之一，是其出力和发电量岁天然径流量情况而变化，水电站的出力和发电量的变化势必引起电力系统其他电站出力、电站的变化。 （2）水电是清洁的可再生能源，发电成本较低，只有水电的10%-20%。 （3）水电站建设费用高。 （4）水电站主要设备水轮机具有启动快、增减负荷灵活、自动化程度高的特性。 （5）水电站在调度上的复杂性。主要由来水的不稳定性引起。 （6）水电站的建设地点受到水能资源、地形、地质等条件的限制。,（三）其他电站的简介,核电站 利用核反应产生的热能，使水变成高温高压水蒸气，推动汽轮机发电机组生产电能。设备复杂、安全要求高，单位装机造价比火电站昂贵50%左右，但是1千克铀235相当于2460吨煤炭，其运行费用便宜。 世界上第一座核电站产生于1956年，至今又有了450座左右。 核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足的发展。到1999年中期，世界上共有436座发电用核反应堆在运行，总装机容量为350676兆瓦。正在建造的发电反应堆有30座，总装机容量为21642兆瓦。 目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电，核发电量占世界总发电量的17，其中有十几个国国家和地区核电发电量超过各种的总发电量的四分之一，有的国家超过70。据资料估计，到2005年核电厂装机容量将达到388567兆瓦 抽水蓄能电站 (1882年诞生于欧洲) 风力发电站,秦山核电站,切尔诺贝利,抽水蓄能电站简述,概念：指利用单向或可逆式水泵在系统负荷低落把大量的水抽到高处储蓄起来，供以后电力系统负荷高峰时补充用电之需，这种装置称抽水蓄能电站，也叫水力蓄能电站。 分类：季节性蓄能和昼夜间蓄能。 在许多电网中因峰谷差扩大和多种经济原因，迫切要求调峰电源。抽水蓄能电站既是良好的调峰电源又具有电网调度上的高度灵活性。它与常规水电站相比，除了具有相同的调峰、调相和备用的功能外，还能利用电网低谷时的电力（称填谷），把电网内成本低的电能，转换为成本高，售价也高的峰荷电能，故可为整个电网带来经济效益。,分析：从能量的角度来说，这种形式的电站显然是亏损的（蓄放之间的能量损耗）；但从经济的角度来说，它却是可以盈利的。（低进高出）,为何采用抽水蓄能电站？ 抽水蓄能电站和其他类型水电站的比较： 通过对其原理的分析，我们知道其他类型的水电站比抽水蓄能电站要经济的多。但电力系统中若水电站的比重较小而不足以担任全部的峰，腰荷或有调节水电站距负荷中心过远，不便运输时，抽水蓄能电站还是又必要的。,抽水蓄能电站发展状况,1882年世界上第一个抽水蓄能电站建立于欧洲。 美国已建4000万千瓦，约占水电站容量的50% 日本已建1420万千瓦，约占水电站容量的47% 我国规模还很小。,抽水蓄能电站的作用：平缓负荷变化，提高系统运行的可靠性，承担系统负荷备用和瞬时事故备用，改善电力系统调频调压条件。,第四节 水电站在电力系统中的运行方式,根据水火电站特点，进一步研究它们在电力系统负荷图的工作位置，其目的是使水利资源和其他动力资源得到合理的配合，使电力系统尽量达到成本低、运行灵活、供电可靠。所谓工作方式主要是指各电站在电力系统日、年负荷图上的位置，如峰荷、腰荷、基荷。 对无调节水电站，为了充分利用天然径流多发电能，它应在基荷工作。至于有调节的蓄水式水电站，它在电力系统中的工作位置是经常改变的。枯水季节水量不多，又可用水库调蓄以适应负荷聚变，所以任峰荷为宜。,判断来水情况,无调节水电站的运行方式,无调节水电站一般工作特征 任何时刻的出力主要决定于河流中天然流量的大小，在枯水期一般担任基荷；在丰水期，只有当天然河流产生的出力大于系统最小负荷要求时候，担任基荷和一部分腰荷，有时会发生弃水。 无调节水电站不同水文年的运行方式 为了充分利用水能，全年承担系统基荷工作，遇丰水年份，即使以整个装机容量来发电，也难免产生弃水。,无调节水电站在丰水期在日负荷图上的工作位置,无调节水电站设计枯水年在系统中的工作位置,无调节水电站丰水年在电力系统中的工作位置,日调节水电站的运行方式,日调节水电站一般工作特点 不发生弃水和无其他限制条件下，日调节水电站尽量担任系统的峰荷，使火电站承担基荷，降低单位煤耗。在有弃水的情况下，其工作位置应该随着来水增多从峰荷逐渐下移到基荷，以减少弃水，充分利用水能，节省煤炭。 日调节水电站不同季节的运行方式 1.设计枯水年，水电站在枯水期位置是以最大工作容量来承担系统峰荷，随着来水量的增加，水电站工作位置会下移，以全部装机容量在腰荷和基荷工作，直至可能以整个装机容量在基荷工作，汛期过后，位置又开始上移。,2.在丰水年份来水较多，即使在枯水期水电站就承担峰荷和部分腰荷，而在汛期以全部装机容量承担基荷 日调节水电站相比无调节水电站的优点 可以适应负荷变化的要求，承担调峰调频的任务，提高供电的质量；改善火电站的工作条件，使其出力均匀，减少煤耗；可以增发季节性电能，利用水能充分。,日调节水电站在设计枯水年的运行方式,日调节水电站工作位置确定,年调节水电站的运行方式,年调节水电站的一般工作特性 不完全年调节水电站是实际中经常遇到的，在一年内水库的调节过程为：供水期、蓄水期、弃水期和不供不弃等几个时期。 设计枯水年运行方式 供水期：天然来水流量多小于水电站为发出保证出力而需要的调节流量，如不考虑其他兴利部门影响，水电站按保证出力在峰荷位置工作，担任尽可能大的工作容量，以减小火电站装机，并使火电站承担尽可能均匀的负荷。 不蓄期：来水流量逐渐增加，为避免水库过早蓄水使以后产生较多弃水，在保证水库蓄满的前提下尽量利用天然来水发电，水电站以天然流量为发电引流量在腰荷工作。 蓄水期：来水继续增大，水库开始蓄水，当水库蓄水到相当程度，则水电站的出力可以增大，工作位置下移，到后期以全部装机在基荷工作； 弃水期:水库已蓄满，水电站以全部装机在基荷工作，若天然来水超过了水电站最大过水能力，则产生弃水； 不供期：保持水库库满，来水小于最大过流能力，但仍大于保证出力所要求的调节流量，水电站以天然流量发电，承担腰荷。,年调节水电站设计枯水年在年负荷图上的工作位置,年调节水电站在丰水年在负荷图上的工作位置,第5节 无调节和日调节水电站水能计算,若水电站属于没有日调节池的引水式水电站、无调节库容的河川径流式水电站或者是水库被淤积不能再进行调节的水电站，这些类型的水电站不能对天然来水进行调节，称为无调节水电站。无调节水电站的工作方式比较简单，任何时刻的出力大小取决于河道中当时的来水流量和水头。 若是水电站能够利用水库或者是调节池使天然来水在一昼夜内重新分配，在低谷负荷时候储蓄水量，供高峰时候发电，则为日调节水电站。日调节水电站能充分的利用一天的来水量，适应负荷变化的需要，但所需的调节库容不大。,无调节水电站保证出力的计算,发电流量的确定： 无调节水电站主要依靠天然来水流量来发电，若水电站上游有需水部门取水，则应将这部分流量从天然流量中扣除；当天然流量大于水电站机组最大过流能力时，按最大工作能力工作并有弃水产生；有可能出现出力暂时超过系统负荷要求而被迫弃水情况。 发电水头的确定： 对于无调节水电站上游水位是正常蓄水位，基本保持不变，故一般采用水库或压力前池的正常蓄水位作为上游水位；下游水位取决与下泄流量有关，可从下泄流量和水位关系曲线查得；而水头损失可以根据水力学知识估算。 计算时段的确定： 无调节水电站的计算时段一般取“日”。 设计保证率： 取用历时保证率,日调节水电站保证出力确定的方法,长系列法 若是水电站取水断面处的径流系列较长，具有较好的代表性，可采用长系列法。 该法首先根据已有的水文系列，选择计算时段（日），逐时段计算水电站的平均出力，然后按照日平均出力的大小排列，绘制日均出力频率曲线，并根据设计保证率在曲线上查得保证出力。 以上步骤工作繁琐，为了简化计算，可由大到小将日平均流量分组，并统计其出现日数和累计出现次数，再按照分组流量的均值来计算出力和推求保证出力。N=AQH 如下表所示：,无调节水电站出力计算表,根据上表可以得到水电站日均发电流量频率曲线和日均出力频率曲线，根据选定的设计保证率，在日均出力频率曲线上，可查得水电站保证出力；由于无调节水电站水头变化不大，也可以通过日均流量频率曲线查得日均保证流量，再计算保证出力。,代表年法,为了简化计算可以按年水量或枯水期水量来选择代表年来进行计算，选择设计代表年的方法主要有：年水量法、枯水期水量法和枯水期调节流量法。通常选择三个代表年，将设计代表年的日实测流量统一进行分组，并统计其出现的日数和累积出现日数，其后的步骤和长系列法一致。,无调节水电站多年平均发电量,水电站年发电量的平均值称为多年平均发电量。无调节水电站可以利用日平均出力历时曲线来求得。曲线以下和纵横坐标轴围成的面积，即为多年平均发电量。 多年平均发电量随着装机容量的不同而变化，可以假定若干装机容量，绘制装机容量和多年平均发电量的关系曲线。,日调节水电站水能计算,日调节水电站保证出力的计算 计算时段多取“日”，计算过程和无调节类似，差别在于上游水位的确定，日调节水电站上游水位在进行调解时在正常蓄水位和死水位之间变化。计算时，可以用死库容加上日调节库容一半作为日均蓄水量，查水库特性曲线得上游平均水位；下游水位可由下泄流量水位关系曲线求得。 日调节水电站多年平均发电量计算 多年平均发电量的计算和无调节水电站相同，不再详述。,算例,某地区拟建一无调节水电站，确定上游水位是66米，下游水位（变化很小，视为常数）45米。已知水电站处设计代表年的流量过程线。已知设计保证率是65%，试求该水电站的保证出力和多年平均发电量。,第6节 年调节水电站水能计算（1）,正常蓄水位和死水位已定,年调节水电站保证出力的计算,年调节水库在一个水文年度内，供水期的调节流量最小，水电站出力也最少，年调节水电站能否保证正常工作，关键取决于供水期，只要供水期电站的出力和发电量能满足系统要求，则水电站全年工作就有保证。反之，则遭到破坏。 因此，年调节水电站的保证出力取决于供水期，是指相应于设计保证率的那一个供水期的平均出力。 年调节水电站保证出力计算有两类方法：长系列法和代表年法。,长系列法,利用水电站断面处已有的全部径流资料，通过径流调节计算每年供水期的平均出力，然后将这些出力按大小排列，进行频率计算，绘制年供水期平均出力的频率曲线，该曲线上相对于设计保证率的年供水期平均出力，就是年调节水电站的保证出力。 或者在求得各年供水期调节流量后，绘制调节流量的频率曲线，选定设计保证率下的调节流量；根据年调节水库平均库容查水库特征曲线，得到水库供水期的上游水位，减去相应流量下的下游水位和水头损失，得到供水期的平均水头，计算出力即为保证出力。,代表年法,选择相应设计保证率下的设计枯水年供水期进行水能计算，确定其平均出力，作为年调节水库的保证出力。,年调节水电站水能计算（2）,正常蓄水位确定，死水位未定情况下,水库水位在设计枯水阶段内升降的最大幅度称消落深度。在正 常蓄水位和死水位已定的情况下，它们的高差既是消落深度，是水 电站设计中的重要参数。 保证出力是指水电站在多年运行期间为电力系统提供具有一 点保证率的电能，是电站在设计枯水段内的平均出力，用 表示。 即水电站在多年运行期间提供的出力 的概率恰好等于设计保证率P，若以设计枯水段计算出力，则应取其中最小的出力为保证出力。由于水库有调节作用，电站在供水期内的出力可以调整，所以电站在设计枯水段内的平均出力作为保证出力，该设计枯水段内的电能叫保证电能，以 表示。 在已知正常蓄水位情况下，保证出力和消落深度关系如何？在径流调节一章中讲过，死水位越低，调节库容越大，其调节库容越大，起提流量也越大，效益就越显著，所以死水位（除非其他条件限制）低一些为好。这种情形对水电站并不适用。因为消落深度增加时，调节流量虽也增加，但平均水头却随之减小，其发电量未必是增加。下面以年调节水电站为例，来说明水库消落深度与电能的关系。 水电站在设计枯水年供水期所发电能即保证电能 ，可以看作由两部分组成：一部分是水库蓄水所发电能；另一部分是供水期天然来水所发的电能，（称不蓄电能） 即 （5-17）,保证出力与消落深度的关系,对库蓄电能而言，在正常蓄水位已定的情况下，消落深度越大，兴利库容越大，虽然供水期平均水头响应会小些，但其乘积还是增大的，只是所增加的速度随着消落深度的加大而逐渐减少，水库消落深度与蓄水电能的关系如图,对于天然来水产生的不蓄电能，则随消落深度的加大而减少。,供水期总电能随消落深度加大而变化的曲线形式有以下三种看左图。,（1）保证电能随消落深度的加大而减少。 （2）保证电能随消落深度的加大而增加。 （3）保证电能随消落深度的加大，开始递增，尔后递减，其间存在 一个极值点。 要确定消落深度和响应保证出力还有其他很多因素因素。 考虑大电站工作时，不致使效率太低，或受阻容量过大。根据最小水头限制规定，水电站消落深度不应超过最大水头的30%40%。,保证出力计算 现在我们来解决以下保证出力计算和消落深度的计算问题。保证出力和保证流量一样，是具有保证率概念的，所以计算保证出力要根据水文资料进行水能计算，一般由下面几种方法来计算（注意：如果是保证电能变化示意图中的1，2线的情况，消落深度往往就可以定出，只需计算其相应的保证出力） 1、长系列操作法 拟定若干个死水位-求出水库各年中供水期的平均出力N-得出保证出力 -点绘死水位与保证电能关系曲线。如下图情况下，保证电能和死水位的确定可分为两种情况：,（1）当水电站受最大消落深度限制和其他用水部门要求所允许的死水位在极点下面时，则保证电能和死水位选在极点处，可提供的保证电能最大。 （2）当所允许死水位在极点之上时，就选定该死水位和其相应的保证电能。 这种长系列错做比较精确，合理，但是工作量大。,2、典型年法 用了典型年法工作量就少了，它的两种常用的方法等出力法和等流量法。 （1）等出力法是指设计时期内出力平均相等 先假定几个保证出力，对每个保证出力在设计时期内由正常蓄水位开始逐时段进行水能计算，直到供水期末，求出水库的最低水位,（2）等流量法是指设计时期