水电站水能计算讲义

主要内容1水库及其特性2河流水能资源分析与估算3水能资源开发方式4河流水能资源的梯级开发5水电站生产过程及动能指标6水能计算的基本方法7各类水电站水能计算第一部分水库及其特特性一、水库及及其特性1、水库指在河道、、山谷等处处修建水坝坝等挡水建建筑物形成成蓄集水的的人工湖泊泊。作用：兴利利（发电、、供水、航航运、生态态）、除害害（防洪））按河谷形状状分：河道道型水库、、湖泊型水水库一、水库及及其特性2、水库特性性曲线面积曲线：水库库蓄水位与与相应水面面面积的关关系曲线库容曲线：库水位与累累积容积的的关系曲线尾水水位流量量关系曲线线泄流能力曲线线库水位Z12△V△V水库容积V(106m3)水库容积特性和和面积特性图1－水库面积积特性;2－水库容积积特性一、水库及及其特性3、水库的特征征水位及其其相应库容死水位汛限水位正常蓄水位防洪高水位设计洪水位校核洪水位楔形库容（动库容）水库在正常常运用情况况下，允许许消落到的的最低水位位。汛期兴利蓄蓄水允许达达到的最高高水位，设设计条件下下水库防洪洪的起调水水位。正常运用条条件下，兴兴利设计允允许能蓄到到的最高水水位。遭遇下游防防洪保护对对象设计标标准洪水时时，坝前临临时达到的的最高水位位。遭遇大坝设设计标准洪洪水时，水水库正常运运用坝前临临时达到的的最高水位位。遭遇大坝校校核标准洪洪水时，水水库非常运运用坝前临临时达到的的最高水位位。死库容兴利库容防洪库容调洪库容总库容一、水库及及其特性3、水库的特征征水位及其其相应库容水库规模最最主要指标——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＝＝校核洪水水位（或设设计洪水位位）＋浪高高+安全高一、水库及及其特性4、水库的水量损失失蒸发损失：：水面面积积扩大，水水面蒸发>陆面蒸发渗透损失：水库库蓄水，水水位抬高，，水压力的的增大，因因而产生了了水库的渗渗漏损失结冰损失（临时时损失）：：冰层滞留留在库岸周周边一、水库及及其特性5、库区淹没没、浸没和和水库淤积积淹没：经常常性淹没、、临时性淹淹没浸没：库水水位抬高后后引起库区区周围地区区地下水位位上升所带带来的危害害水库淤积：：降低水流流挟沙能力力，改变泥泥沙运动规规律，导致致泥沙在库库区逐渐沉沉淀淤积三门峡水库库：泥沙不不能承受之之重自1960.9蓄水以来，，由于泥沙沙淤积，潼潼关河床抬抬高4.5m(323.4～328.09m)，渭河洪水水；关中土土地盐碱化化；威胁西西安。65～68改建：左岸岸增建两条条泄洪排沙沙隧洞，改改建四根引引水发电钢钢管。对潼潼关作用不不大。69～73改建：打开开原1～8号施工导流流底孔，降降低发电引引水钢管进进口13m。73.11~：现在315m运行，装机机41万kW（90），年发电电量12亿kW·h（46）。潼关河河床抬高3m(328.09m-326.6m)1、蓄水位350m，总库容360亿m32、装机90万kW，年发电量量46亿kW·h。3、解除黄河河下游的洪洪水威胁4、黄河清5、初期灌溉溉2220万亩，远景景7500万亩一、水库及及其特性6、对生态环环境等方面面的影响对气候的影影响对降水、气气温、风、、雾等气气象因子的的影响对水文的影影响改变下游河河道的流量量过程：断断流、地下下水位下降降、自净能能力下降、、水位日变变幅大、水水质恶化等等。对水体的影影响航运过闸、、水温、水水质、水面面大、蒸发发量大、水水汽多、水水雾多对鱼类和生生物的影响响洄游鱼类（（鱼梯、鱼鱼道；人工工繁殖）、、生态系统统改变对人群健康康的影响疾病（疟疾疾、血吸虫虫病等）、、第二部分河流水能资资源分析与与估算二、河流水水能资源分分析与估算算1、水能计算算的基本公式水能：河流流中流动着着的水流蕴蕴藏着一定定的能量。。天然情况况下，水能能消耗于水水流的内部部摩擦，克克服沿程河河床阻力，，冲刷河床床和挟带泥泥沙运行等等方面。采采用一定的的工程技术术措施后，，可以将水水能变为电电能。N=9.81QH(kW)E=NT=9.81QHT(kW·h)(kg·m)E=NT=9.81QHT=9.81QHT/3600=0.0027WH(kW·h)二、河流水水能资源分分析与估算算2、河川水能资资源蕴藏量量构成水能资资源的基本本要素是流量和落差差。断面号i河长L(km)高程Z(m)流量Q(m3/s)断面间距l(km)落差H(m)平均流量Q(m3/s)出力N(kW)累加ΣN(kW)单位河长水流出力1026002562181256426247224724438820118321715250249747841101922322920.51810678482514617830361426.53640104321016188169364293329141333769二、河流水水能资源分分析与估算算2、河川水能资资源蕴藏量河流水能蕴蕴藏图又叫河流的的查藉曲线。它是我们们研究河流流开发的基基本资料，，对拟定河流梯级开发和选择择近期工程程有重要的的参考价值值。由于受受技术、经济济和环境等条件的限限制，有些些流量和落落差是不能能利用的，，所以还要要计算技术和和经济可开开发水能资资源。第三部分水能资源开开发方式三、水能资源源开发方式式开发利用水水能时要解解决的基本本问题是集中落差和调节流量。水能开发方方式或者叫叫水电站开开发方式，，就集中落落差的措施施而言，有有坝式、引引水道式式和混合合式三种基本本方式三、水能资资源开发发方式1、坝式（（蓄水式式）水电站坝式水电站按按其建筑筑物的布布置特点点，又可可分为河床式、、坝后式式、坝内内式等类型1.起重机2.主机室3.发电机4.水轮机5.蜗壳6.尾水管7.尾水平台台8.尾水导墙墙9.泄洪闸门门11.溢流坝12.主坝13、闸墩河床式水水电站示示意图三、水能资资源开发发方式坝后式水水电站示示意图三、水能资资源开发发方式2、引水式水水电站有压引水水式和无无压引水水式(a)有压引水水式水电电站(b)有压引水水式水电电站引水式水水电站示示意图三、水能资资源开发发方式3、混合式式水电站站混合式水水电站示示意图三、水能资资源开发发方式4、其他开开发方式式（一）潮潮汐发电电三、水能资资源开发发方式4、其他开开发方式式抽水蓄能能电站根根据利用用水量的的情况可可分为两两大类：：一类是是纯抽水水蓄能电电站；另另一类是是混合式式抽水蓄蓄能电站站。（二）抽抽水蓄能能发电第四部分分河流水能能资源的的梯级开开发四、河流流水能资资源的梯梯级开发发1、河流综综合利用用规划河流综合合利用规规划要综综合地解解决防洪洪、发电电、灌溉溉、航运运、给水水、养殖殖、生态态环境等等方面的的需水问问题。2、河段开开发方案案的比较较一个河段段究竟采采用何种种开发方方式，决决定于当当地地形形、地质质、水文文和技术术经济条条件，并并应通过过不同开开发方式式的多种种方案的的技术经经济比较较来选择择。四、河流流水能资资源的梯梯级开发发四、河流流水能资资源的梯梯级开发发3、河流梯级开发发方案和和近期工工程的选选择对全河流流由上而而下拟定定一个河河段接一一个河段段的水利利枢纽系系列，呈呈阶梯状状的分布布形式，，叫做河河流的梯梯级开发发。一条条河流上上一连串串的水电电站系列列称为梯梯级水电电站，并并由上而而下定出出级名。。各级水水电站集集中水头头的方式式可以是是坝式、、引水式式或混合合式，应应通过梯梯级开发发方案的的拟定和和比较来来选择。。分级的一一般原则则是：尽尽量减少少级数，，每级集集中尽可可能大的的水头；；拟定各各级水库库的正常常蓄水位位时，应应尽量使使上下梯梯级之间间相互衔衔接，以以充分利利用河流流的落差差；各级级水库位位置和库库容的安安排应与与它控制制的来水水有较好好的配合合；避免免过多的的水库淹淹没。四、河流流水能资资源的梯梯级开发发在拟定的的河流梯梯级开发发方案中中，有一一个先后后开发的的次序，，不可能能也不必必要同时时修建。。梯级开开发方案案中被选选中首先先开发的的一个或或一批水水利枢纽纽就叫近近期工程程。选择择的近期期工程应应能满足足当前迫迫切要解解决的综综合利用用要求，，且技术术经济指指标较优优越、具具备一定定的施工工条件等等。我国已先先后多次次对大江江大河进进行过梯梯级开发发方案的的规划，，例如黄黄河规划划了47个梯级电电站，中中游三门门峡水利利枢纽作作为第一一期工程程，上游游选择刘刘家峡水水利枢纽纽首先开开发，目目前已建建成的有有龙羊峡峡、李家家峡、公公伯峡、、苏只、、刘家峡峡、盐锅锅峡、八八盘峡、、小峡、、大峡、、青铜峡峡、三门门峡、小小浪底等等10几座大中中型水电电站，在在建的还还有拉西西瓦、康康扬、积积石峡、、炳灵峡峡等大型型工程。。第五部分分水电站生生产过程程及动能能指标五、水电电站生产产过程及及动能指指标1、水力发发电原理理五、水电电站生产产过程及及动能指指标1、水力发发电原理理由式N=9.81QH计算出的的水流出出力，只只表示天天然水流流所具有有的理论论出力。。水电站站在实际际运行时时，这个个出力要要大打折折扣。首先，水水量损失失，有有弃水其次，水水头损失失△H，H净=H毛－△H再者，能能量损失失，η=η水机η传动η电机N=9.81ηηQH净N=KQH净根据水电电站规模模的大小小，一般般对大型型水电站站取K=8.5；中型水电电站K=8.08.5；小型水水电站K=6.07.5。五、水电电站生产产过程及及动能指指标2、主要动动能指标标及其含含义水电站主主要动能能指标是是指符合合设计保保证率的的保证出力、多多年平均发电量、、装机容容量及年年利用小小时数。ΔtEt1titi-1tnt（h）N符合水电电站设计计保证率率要求的的一定临临界期的的平均出出力称为为保证出出力，由由它决定定水电站站承担电电力系统基荷荷的工作容量量，为可可靠性指指标或容容量效益益指标。。多年平平均年发发电量指指水电站站在多年年工作时时期内，，平均每每年所能能生产的的电能量量，为经经济性指指标，或或电量效效益指标标。这两两项指标标都是水水电站的的重要动动能指标标。第六部分分水能计算算的基本本方法六、水能能计算的的基本方方法确定水电电站动能能指标的的计算，，称为水水能计算算。水能能计算的的目的，，在规划划设计阶阶段，为为了选择择水电站站及水库库的主要要参数，，需假定定若干个个水库正正常蓄水水位方案案，计算算各方案案的水电电站动能能指标，，为最终终确定电电站规模模提供依依据；在在运行阶阶段，由由于水电电站及水水库的主主要参数数（正常常蓄水位位、死水水位和装装机容量量）已定定，则需需根据水水电站及及水库的的实际运运行情况况，计算算水电站站在各时时段的出出力和发发电量，，以便确确定电力力系统中中各电站站的合理理的运行行方式。。按等流量量调节方方式按规定出出力调节节方式六、水能能计算的的基本方方法径流调节节的基本本原理是是水库的的水量平衡衡。1、径流调调节的基基本原理理六、水能能计算的的基本方方法2、按等流量量调节方方式的水水能计算算方法[例1]设某年调调节水电电站的正正常蓄水水位Z蓄=760m，死水位位Z死=720m，计算所依依据的资资料有：：水库水水位容积积曲线（（见表1）；水电站站下游水水位流量量关系曲曲线（见见表2）；设计枯枯水年入入库径流流资料[见表3中第（2）栏]；出力系系数K取8.2；假设水水头损失失为定值值，取ΔH=1.0m；无其他他用水要要求。本本例不计计水量损损失，故故表1未列出水库库面积曲曲线；现现按等流流量调节节方式，，计算设设计枯水水年水电电站的出出力和发发电量，，以及供供水期平平均出力力。六、水能能计算的的基本方方法2、按等流量量调节方方式的水水能计算算方法表2下游水位位流量关关系曲线线表1水位容积积曲线六、水能能计算的的基本方方法2、按等流量量调节方方式的水水能计算算方法解：（1）计算兴兴利库容容由已知Z蓄=760m，死水位位Z死=720m，查库容容曲线表表5-2得出V蓄=21.4亿m3与V死=7.9亿m3，则兴利利库容V兴=21.4-7.9=13.5亿m3。（2）确定供供水期及及其引用用流量先假定供供水期12月至4月共五个个月，即即，则12月至4月的天然然来水量量W供=457（m3/s·月）。水电站站引用流量量为Q引′=(W供+V兴)/T供=(457+513)/5=194(m3/s），与计算表表中第（2）栏的天天然流量量对照，，因为Q<Q引′，因此12月至4月为供水水期。将将194m3/s列入表中中第（3）栏（12月至4月）。（3）确定蓄蓄水期及及其引用用流量类似地用用蓄水期期公式试算，得蓄蓄水期为为6月至8月，其引引用流量量为Q引″=(W蓄-V兴)/T蓄=(2264－513)/3=584(m3/s)，将584m3/s列入计算算表第（3）栏（6月至8月）。其余月份份为不蓄蓄不供期期，水电电站按天天然流量量发电，，即水电电站引用用流量等等于入库库流量。。六、水能能计算的的基本方方法2、按等流量量调节方方式的水水能计算算方法（4）已知时段初初蓄水量,利用水量平衡衡方程计算时时段末蓄水量量V（t+1），见表第（（7）栏。（5）由表第（8）栏时段平均均蓄水量查库库容曲线，求求上游平均水水位Z上，见（9）栏。（6）由表第（3）栏时段引用用流量，查水水位流量关系系曲线，求下下游水位Z下，见（10）栏。（7）计算平均净净水头H净=Z上-Z下-ΔH：，见（11）栏。（8）计算时段出出力Ni=8.2QH净，见（12）栏。（9）计算设计枯枯水年发电量量和水电站保保证出力。六、水能计算算的基本方法法六、水能计算算的基本方法法2、按等流量调节节方式的水能能计算方法年发电量：计算时段Δt为一个月，按按30.4天计，由（12）栏月平均出出力Ni，得到年发电电量E=30.424393.2=28.7亿kW·h。保证出力：供供水期平均出出力为93.7/5=18.74万kW保证电量：供供水期的发电电量为93.730.424=6.84亿kW·h六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法按等出力调节节方式水能计计算的另一命命题是在满足足规定出力条条件下，推求求水电站引用用流量与库水水位的变化。。该课题类似似于已知用水水求库容的径径流调节计算算。根据公式N=KQH，当出力N已知时，水电电站引用流量量Q取决于水头H的大小，即Q=N/KH，而水头H又取决于上下下游水位，上上下游水位又又与引用流量量Q有关。因此，，Q与H之间存在相互互影响、相互互制约的关系系，需要通过过试算才能求求解。试算工工作一般从假假定水电站引引用流量Q入手。六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法计算步骤（1）先假设t时段出力为N0，计算精度为为，从供水期初初库水位为正正常蓄水位开开始，顺时序序计算。（2）假设t时段水电站引引用流量为Q引（也可以先假假定水头H）。（3）由水量平衡衡方程，计算算时段末库容容Vt+1。（4）计算t时段平均库容容，查库容曲线线得出水电站站上游平均水水位Z上。（5）由Q引（若有弃水Q弃时，应为Q引与Q弃之和）查下游游水位流量关关系曲线得到到水电站下游游水位Z下。（6）计算t时段平均净水水头，即H=Z上-Z下-ΔH。六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法（7）计算实际引引用流量Q=N0/KH,误差为B=︱Q-Q引︱。若B>，则令Q′弃=(Q弃+Q)/2，替代上一次次的引用流量量Q引，返回步骤（（3）（称小循环环计算）；若若B<，该时段计算算结束，继续续下一时段已已知出力的计计算。（8）经过以上逐逐时段演算至至供水期末时时，若供水期期末水位降至至死水位（在在计算误差范范围内），则则计算结束；；否则，若若期末水位高高于死水位，，说明假定出出力太小，应应加大出力，，若期末水位位低于死水位位，说明假定定出力太大，，应减小出力力，返回步骤骤（1）进行下一轮轮迭代计算（（称大循环计计算）。六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法[例2]现以〔例1〕的基本资料，，说明按等出出力调节方式式计算的具体体步骤。计算算从假定供水水期的平均出出力开始。为为使假定出力力有所依据，，可采用简化化法估算供水水期平均出力力。解：供水期平平均蓄水量为为[(V兴+V死)+V死]/2=[21.4+7.9]/2=14.65亿m3，由此查水库库水位容积曲曲线得供水期期上游平均水水位为743.5m；供水期平均均流量194m3/s即为水电站引引用流量，据据之查下游水水位关系曲线线得下游平均均水位为625.8m，则供水期平平均水头为H=743.5-625.8-1.0=116.7m，于是估算得得供水期平均均出力为N=KQH=8.219411.67=18.6万kW。六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法六、水能计算算的基本方法法3、按规定出力力方式的水能能计算方法最后，比较一一下按不同的的方法计算的的供水期平均均出力：按等等流量调节方方式时为18.74万kW，按等出力调调节方式时为为18.4万kW，简化计算时时为18.6万kW。三种不同方方法所得结果果存在差别，，主要是由于于调节方式不不同，影响到到平均水头的的大小。但是是，该例结果果差别不大，，所以，在初初步水能计算算中，常用等等流量调节方方式，甚至于于用简化法计计算供水期平平均出力。这这样可以减少少计算工作量量，而且计算算成果也具有有一定的精度度。第七部分各类水电站水水能计算七、各类水电电站水能计算算1、无调节水电电站水能计算算方法无调节水电站站，由于无法法对天然径流流进行重新分分配，任何时时刻的出力取取决于河道中中当时的天然然流量，故无无调节水电站站又称为径流流式水电站。。计算步骤如下下：（1）由于几十年年的日径流资资料很长，计计算量大，为为简化计算一一般采用丰、、平、枯三个个代表年的日日径流资料。。（2）计算各级流流量的平均值值Q，查水位流量量关系曲线，，求得相应的的下游水位Z下。（3）计算各级流流量相应的水水电站净水头头H=Z上-Z下-ΔH。（4）计算电站出出力N=KQH。七、各类水电电站水能计算算1、无调节水电电站水能计算算方法无调节水电站站保证出力是是指符合设计计保证率(按历时保证率率计)要求的日平均均出力。七、各类水电电站水能计算算1、无调节水电电站水能计算算方法〔例3〕某无调节水电电站，其正常常蓄水位为469m。已知该水电电站水库库容容曲线，下游游水位流量关关系曲线，多多年日平均径径流系列资料料，则其水能能计算过程与与成果如表所示。上游水位取取正常蓄水位位469m，水头损失为为0.5m，水电站出力力系数为8.3。根据表中第（（5）栏和（8）栏的计算数数据，可点绘绘出该水电站站的水流出力力保证率曲线线NP和水流出力持持续曲线NT（如图所示）。若该水水电站的设计计保证率取85%，则从图中用用可查出该水水电站的保证证出力为51.5kW。七、各类水电电站水能计算算1、无调节水电电站水能计算算方法若根据电力电电量平衡计算若该水电站的装机机容量定为80kW，从图中可计计算出该水电电站的多年平平均年发电量量为44.05亿kW·h。七、各类水电电站水能计算算1、无调节水电电站水能计算算方法七、各类水电电站水能计算算2、日调节水电电站水能计算算方法日调节水电站站水能计算方方法与无调节节水电站相同同，唯一的的区别是：日日调节水电站站库水位在日日内是变化的的，一日内库库水位至少在在死水位与正正常蓄水位之之间波动一次次，故以日为为计算时段上上游水位应取取平均值，一一般可将正常常蓄水位Z蓄与死水位Z的平均值近似似作为日平均均上游水位，，即Z上=（Z蓄+Z死）/2或Z上=（Z蓄+Z死）3/4。七、各类水电电站水能计算算3、年调节水电站站水能计算年调节水电站站保证出力是是指符合设计计保证率要求求的供水期平平均出力。（一）保证出出力计算年调节水电站站保证出力计计算一般可按按设计枯水年年法和长系列列法两种方法法。方案比较较阶段一般采采用设计枯水水年法；对选选定方案要求求较详细的水水能计算可采采用长系列法法。（二）多年平平均年发电量量的计算1.中水年法2.丰、中、枯代代表年法3.长系列法七、各类水电电站水能计算算3、年调节水电站站水能计算〔例4〕某水电站为某某河流梯级开开发的第一期期工程，是以以发电为主，，兼顾防洪、、航运、灌溉溉的年调节综综合利用水利利水电枢纽。。初步拟定正正常蓄水位为为205m，死水位为170m；坝址处有1970年～2000年共30年水文资料，，多年平均径径流量为153m3；设计保证率率（年保证率率）P设=90%；库容曲线Z~V见表1；下游水位流量量关系曲线Z～Q见表2；水头损失取1m，出力系数取取8.2。试计算该方方案的保证出出力和多年平平均年发电量量。Z170172175177180182185187190192195197200202205V3.33.654.224.655.355.866.77.298.228.869.861111.712.5213.93水位容积曲线线七、各类水电电站水能计算算3、年调节水电站站水能计算解：（1）设计代表年年的选择将30年水文资料转转换为水利年年系列。由于于该水库兴利利库容为10.63亿m3，库容系数约约为7％，为不完全全年调节，因因此，本例题题按供水期的的流量排频，，选择代表年年。供水期为为11～3月。水位容积曲线线Z115.2115.8116.4116.9117.4117.8118.1118.5118.7119.1119.3Q100200300400500600700900100012001500七、各类水电电站水能计算算3、年调节水电站站水能计算首先统计30年水利年系列列资料供水期期的径流量，，然后依递减减顺序排列，，再按经验频频率公式计算算其经验频率率，绘制其经经验频率曲线线。选择与保保证率P设=90％很接近几个个年份，比较较分析年内分分配，最终选选择其中具有有较好的代表表性的年份作作为设计枯水水年。同理，，可选择50％的年份为中中水年