水利水能规划__第五章_水能计算及水电站在电力系统中的运行方式
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水电站在t1至t2时段内的发电量为：
E Ndt
t1
t2
(kW h)
实际计算中常采用：
E Nt
t1
t2
(kW h)
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
水电站在某 一时段t内 的平均出力
水能计算的方法 ：
列表法：概念清晰，应用广泛，尤其适合于
有复杂综合利用任务的水库的水能计算。当 方案较多、时间序列较长时，不适用。 图解法：计算精度较差、工作量也不比列表 法小； 电算法：从发展方向看，适宜用电算法进行 水能计算。即使方案很多，时间序列很长， 也可迅速获得精确的计算结果。
库容V(亿m3) 3.71
表5-2
流量q(m3/s) 130
水电站下游水位与流量关系
140 150 160 170 180
下游水位(m)
115.28 116.22
117.00
117.55 118.06 118.5
例题求解
时段 t 天然来水流量 Q天
表5-3
水电站出力及发电量计算（枯水期）
月 (1) (2) 9 115 20 100 150 -55 -1.445 25.2 23.755 180 179.56 10 85 12 92 150 -77 -2.023 23.755 21.732 179.56 178.78 11 70 10 125 154 -94 -2.469 21.732 19.263 178.78 171.72 12 62 9 60 159 -106 -2.784 19.263 18.479 177.72 176.32
则此流量与天然来水比较，发现9月份流量小于，应 重新计算供水期为9～2月共6个月的天然来水量，W供＝ 3309×104m3，则调节流量QP＝4.1m3/s。将QP＝4.1m3/s 与 天然来水比较可知，供水期定为9～2月是合理的。将QP＝ 4.1m3/s填入表中第(3)栏供水月份内。
现设3～8月为蓄水期，蓄水期亦按等流量调节，其调节流量为：
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。
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
(19) (20)
0.85
7.85 5731
0.85
7.78 5679
0.85
7.83 5716
0.85
7.89 5760
E水
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
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。 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
说明：(1)上游水位取正常蓄水位； (2)水头损失为0.5m (3)出力系数K＝8.3。
水能计算过程与成果如表所示。
• 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和水流出力持续曲线。若该水 电站的设计保证率取85％，则从图中可查出该水电站的保 证出力为53kw。如该水电站的装机容量定为80kW，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。
第五章 水能计算及水电站在电力 系统中的运行方式
第一节 水能计算的目的与内容 第二节 电力系统的负荷图
第三节 电力系统的容量组成及各类电站的
工作特性 第四节 水电站在电力系统中的运行方式
第一节 水能计算的目的与内容
水能计算的目的：确定水电站的出力和发电量及 它们随时间变化的规律。 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。
以上计算末考虑水量损失及水头损失，故结果稍偏大。
当求出供水期调节流量QP＝4.1m3/s以后，也可直接 计算NP。此时应先求供水期的平均库容 V＝（V死＋V兴/2）＝1050×104＋1/2×3152×104＝ 2626×104m3。查库容曲线得供水期平均库水位Z上＝
各损失流量及船闸用水等 Q损+Q船 下游综合利用需要流量Q用 发电需要流量 Q电 水库供水流量 ΔQ 水库供水量 ΔW 时段初水库存水量 V初 时段末水库存水量V末 时段初上游水位 Z初 时段末上游水位 Z末
(m3/s)
(3) (4) (5) (6) (8)
(亿m )
3
(11) (12) (13)
(m)
(14)
月平均上游水位Z上均 月平均下游水位Z下均
水电站平均水头Z均 水电站效率 η 月平均出力 月发电量 N水均 (万kW) （万kW· h)
(15)
(16) (17)
179.78
117 62.78
179.17
117 62.17
178.25
117.25 61
177.02
117.5 59.52
(18)
注意：上游水位一般维持在正常蓄水位。
无调节水电站的水能计算
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。
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（%）
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
出力（万kw）
NP=53 P=85%
10
20
30
40
50
60
70
80 90 P（％）
100
某无调节水电站日平均出力保证率曲线
某水电站水能计算结果示意图
8000
Q（m 3/s）
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P（％）
n
1 n
表示发电用水 量与天然来水 量的比值
在完全缺乏资料的情况下，可粗估多年平均发电量：
E年 A QH净 8760 kW h
无调节水电站保证出力计算 【例题】某无调节水电站的正常蓄水位为469m。 已知该水电站水库库容曲线，下游水位流量关系 线，以及多年日平均径流系列资料。 （1）试通过水能计算求出该水电站的设计保证 率取85％时的保证出力。 （2）如该水电站的装机容量定为80kW，计算出 该水电站的多年平均年发电量。
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。
三个代Fra Baidu bibliotek年法
1 E E枯 E中 E丰 3
设计平水系列法 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。 径流利用系数， 全部水文系列法 E 年 1 E年
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。
QP
W供 V兴 W损 W引 T供
QP
W供 V兴 T供
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。
计 算 越 来 越 精 确 工 作 量 逐 渐 加 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；
（1） 5.2～5.49 4.9～5.19 4.6～4.89 4.3～4.59 4.0～4.29 3.7～3.99 3.4～3.69 3.1～3.39
（2） 5.35 5.05 4.75 4.45 4.15 3.85 3.55 3.25
（3） 1 1 0 1 1 0 1 1
（4） 1 2 2 3 4 4 5 6
Q调
W蓄 V兴 T蓄
6.38m3 / s
此值与天然来水流量相比较，可知蓄水期定得合理。 然后逐月进行水量平衡计算，求出各月平均蓄水量，查 库容曲线得各月的平均库水位，再由各月调节流量查得下游 水位，算出每月平均水头和平均出力。供水期的平均出力即 为水电站保证出力。
956 936 895 821 746 677 NP 838.5kW 6
P=85% QP=2010
某无调节水电站日平均流量保证率曲线
年调节水电站保证出力计算
【例3】某水电站为坝式年调节水电站，设计保 证率为80%。水库以发电为主，兴利库容V兴＝ 3152万m3，死库容V死＝1050万m3。，库区无其 它部门引水。设计枯水代表年月平均流量资料 如下表第(1)、(2)栏所示。试求该水电站的保 证出力 (其中出力系数A＝7)。
设计中水年法
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：
E 年 E 中 t ( N i mN 装 ) (k Wh)
i 1 n
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。
年调节水电站的水能计算
计算方法：设计枯水年法，长系列法。 设计枯水年法： 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。
【例5-1】某水电站正常蓄水位高程为180m。水库水 位与库容关系见表5-1，水库下游水位与流量关系， 见表5-2。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5-3（2）～（5）栏。求水电站各月平均出力及发 电量。
表5-1 水库水位与容积关系
170 6.34 172 9.14 174 12.2 176 15.83 水位Z(m) 168 178 19.92 180 25.2
（5） 2.7 5.4 5.4 8.1 10.8 10.8 13.5 16.2
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。 异同： 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。
采用代表年法计算保证出力，即对设计枯水年进行水能 计算，具体步骤如下： 水库按等流量调节，先假定供水期为10～2月，供水期5 个月的天然来水量为： W供＝(2.00＋2.05＋0.85＋1.50＋2.8)×30.4×24×3600 ＝24l6×104m3
QP
W供 V兴 T供
2416 10 4 3152 10 4 4.24 m 3 / s 5 30.4 24 3600
E Ndt
t1
t2
(kW h)
实际计算中常采用：
E Nt
t1
t2
(kW h)
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
水电站在某 一时段t内 的平均出力
水能计算的方法 ：
列表法：概念清晰，应用广泛，尤其适合于
有复杂综合利用任务的水库的水能计算。当 方案较多、时间序列较长时，不适用。 图解法：计算精度较差、工作量也不比列表 法小； 电算法：从发展方向看，适宜用电算法进行 水能计算。即使方案很多，时间序列很长， 也可迅速获得精确的计算结果。
库容V(亿m3) 3.71
表5-2
流量q(m3/s) 130
水电站下游水位与流量关系
140 150 160 170 180
下游水位(m)
115.28 116.22
117.00
117.55 118.06 118.5
例题求解
时段 t 天然来水流量 Q天
表5-3
水电站出力及发电量计算（枯水期）
月 (1) (2) 9 115 20 100 150 -55 -1.445 25.2 23.755 180 179.56 10 85 12 92 150 -77 -2.023 23.755 21.732 179.56 178.78 11 70 10 125 154 -94 -2.469 21.732 19.263 178.78 171.72 12 62 9 60 159 -106 -2.784 19.263 18.479 177.72 176.32
则此流量与天然来水比较，发现9月份流量小于，应 重新计算供水期为9～2月共6个月的天然来水量，W供＝ 3309×104m3，则调节流量QP＝4.1m3/s。将QP＝4.1m3/s 与 天然来水比较可知，供水期定为9～2月是合理的。将QP＝ 4.1m3/s填入表中第(3)栏供水月份内。
现设3～8月为蓄水期，蓄水期亦按等流量调节，其调节流量为：
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。
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
(19) (20)
0.85
7.85 5731
0.85
7.78 5679
0.85
7.83 5716
0.85
7.89 5760
E水
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
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。 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
说明：(1)上游水位取正常蓄水位； (2)水头损失为0.5m (3)出力系数K＝8.3。
水能计算过程与成果如表所示。
• 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和水流出力持续曲线。若该水 电站的设计保证率取85％，则从图中可查出该水电站的保 证出力为53kw。如该水电站的装机容量定为80kW，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。
第五章 水能计算及水电站在电力 系统中的运行方式
第一节 水能计算的目的与内容 第二节 电力系统的负荷图
第三节 电力系统的容量组成及各类电站的
工作特性 第四节 水电站在电力系统中的运行方式
第一节 水能计算的目的与内容
水能计算的目的：确定水电站的出力和发电量及 它们随时间变化的规律。 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。
以上计算末考虑水量损失及水头损失，故结果稍偏大。
当求出供水期调节流量QP＝4.1m3/s以后，也可直接 计算NP。此时应先求供水期的平均库容 V＝（V死＋V兴/2）＝1050×104＋1/2×3152×104＝ 2626×104m3。查库容曲线得供水期平均库水位Z上＝
各损失流量及船闸用水等 Q损+Q船 下游综合利用需要流量Q用 发电需要流量 Q电 水库供水流量 ΔQ 水库供水量 ΔW 时段初水库存水量 V初 时段末水库存水量V末 时段初上游水位 Z初 时段末上游水位 Z末
(m3/s)
(3) (4) (5) (6) (8)
(亿m )
3
(11) (12) (13)
(m)
(14)
月平均上游水位Z上均 月平均下游水位Z下均
水电站平均水头Z均 水电站效率 η 月平均出力 月发电量 N水均 (万kW) （万kW· h)
(15)
(16) (17)
179.78
117 62.78
179.17
117 62.17
178.25
117.25 61
177.02
117.5 59.52
(18)
注意：上游水位一般维持在正常蓄水位。
无调节水电站的水能计算
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。
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（%）
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
出力（万kw）
NP=53 P=85%
10
20
30
40
50
60
70
80 90 P（％）
100
某无调节水电站日平均出力保证率曲线
某水电站水能计算结果示意图
8000
Q（m 3/s）
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P（％）
n
1 n
表示发电用水 量与天然来水 量的比值
在完全缺乏资料的情况下，可粗估多年平均发电量：
E年 A QH净 8760 kW h
无调节水电站保证出力计算 【例题】某无调节水电站的正常蓄水位为469m。 已知该水电站水库库容曲线，下游水位流量关系 线，以及多年日平均径流系列资料。 （1）试通过水能计算求出该水电站的设计保证 率取85％时的保证出力。 （2）如该水电站的装机容量定为80kW，计算出 该水电站的多年平均年发电量。
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。
三个代Fra Baidu bibliotek年法
1 E E枯 E中 E丰 3
设计平水系列法 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。 径流利用系数， 全部水文系列法 E 年 1 E年
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。
QP
W供 V兴 W损 W引 T供
QP
W供 V兴 T供
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。
计 算 越 来 越 精 确 工 作 量 逐 渐 加 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；
（1） 5.2～5.49 4.9～5.19 4.6～4.89 4.3～4.59 4.0～4.29 3.7～3.99 3.4～3.69 3.1～3.39
（2） 5.35 5.05 4.75 4.45 4.15 3.85 3.55 3.25
（3） 1 1 0 1 1 0 1 1
（4） 1 2 2 3 4 4 5 6
Q调
W蓄 V兴 T蓄
6.38m3 / s
此值与天然来水流量相比较，可知蓄水期定得合理。 然后逐月进行水量平衡计算，求出各月平均蓄水量，查 库容曲线得各月的平均库水位，再由各月调节流量查得下游 水位，算出每月平均水头和平均出力。供水期的平均出力即 为水电站保证出力。
956 936 895 821 746 677 NP 838.5kW 6
P=85% QP=2010
某无调节水电站日平均流量保证率曲线
年调节水电站保证出力计算
【例3】某水电站为坝式年调节水电站，设计保 证率为80%。水库以发电为主，兴利库容V兴＝ 3152万m3，死库容V死＝1050万m3。，库区无其 它部门引水。设计枯水代表年月平均流量资料 如下表第(1)、(2)栏所示。试求该水电站的保 证出力 (其中出力系数A＝7)。
设计中水年法
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：
E 年 E 中 t ( N i mN 装 ) (k Wh)
i 1 n
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。
年调节水电站的水能计算
计算方法：设计枯水年法，长系列法。 设计枯水年法： 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。
【例5-1】某水电站正常蓄水位高程为180m。水库水 位与库容关系见表5-1，水库下游水位与流量关系， 见表5-2。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5-3（2）～（5）栏。求水电站各月平均出力及发 电量。
表5-1 水库水位与容积关系
170 6.34 172 9.14 174 12.2 176 15.83 水位Z(m) 168 178 19.92 180 25.2
（5） 2.7 5.4 5.4 8.1 10.8 10.8 13.5 16.2
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。 异同： 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。
采用代表年法计算保证出力，即对设计枯水年进行水能 计算，具体步骤如下： 水库按等流量调节，先假定供水期为10～2月，供水期5 个月的天然来水量为： W供＝(2.00＋2.05＋0.85＋1.50＋2.8)×30.4×24×3600 ＝24l6×104m3
QP
W供 V兴 T供
2416 10 4 3152 10 4 4.24 m 3 / s 5 30.4 24 3600