6水资源规划及利用第六章(水能利用)

第六章水能利用§6.1 水能计算原理及水电站开发方式§6.2水电站水能计算§6.3电力系统负荷及装机容量§6.4 水电站在电力系统中的运行方式§6.5 水电站装机容量选择§6.6 水库特征水位选择本章思考题及课外延伸一、水能计算的基本原理如图，河段首尾断面分别为断面1-1和断面2-2，取水平面0-0为基准面。

设断面流量为Q（m3/s），T（s）时段内流经断面的水体为W=QT（m3）12v1v212Z1Z2H12Q河流水面河底河段水能计算示意图6.1水能计算原理及水电站开发方式根据水力学中的能量方程，水体在断面1-1和断面2-2处的能量分别为：式中，、为断面的水面高程；、为断面的大气压强；为水的容重；、为断面流速的不均匀系数；、为断面的平均流速。

2111112P v E Z Wr r g α⎛⎫ ⎪=++ ⎪⎝⎭2222222P v E Z Wr r g α⎛⎫ ⎪=++ ⎪⎝⎭1Z 2Z 2P 2v 2α1P 1v 1αr水体在河段两断面的能量差为：在不太长的河段中，大气压强和近似相等，流速水头和也相差不大，则两断面的水流能量差近似为：式中，为断面1-1和断面2-2之间的水头差（也称落差）；t 为时间，单位为秒。

()22121122121212[]2P P v v E E E Z Z Wrr gαα--=-=-++g v 2222α()12121212E E E r Z Z W rQtH =-=-=12H 1P 2P g v 2211α在电力系统中，能量单位习惯上采用kW·h ，取水的容重为9807 N/m 3，1 kW·h=3.6×106J ，则在T 小时内两断面的水流能量差为：此即为该河段所蕴藏的水能资源。

单位时间内的水能称为水流功率，在电力系统中，称为水流出力。

水流出力计算式为：此式常被用来计算河流的水能资源蕴藏量。

r 1212129.81E E E QTH =-≈1212129.81E N QH T==水电站在发电过程中，利用能量转换装置，将水能转化为机械能，再转化为电能。

在实现能量转化过程中，将有一部分能量损失，用表示水电站的总效率系数。

另外，水流在实际流动过程中，通过拦污栅、进水口、引水管道，并经尾水管排至下游河道，必定会产生一定的水头损失（设为），因此，实际发生作用的净水头差（）为-。

ηH ∆净H 12H H ∆水电站出力计算式为：式中，为落差损失；为水电站效率系数；为水电站出力系数，一般取6.5～8.5；为水电站引用流量；为水电站净水头差（或落差）。

水电站出力小于水流出力。

AQHH H Q QH N =∆-==）（净1281.981.9ηηH ∆ηη81.9=A Q H水电站在一段时间内生产的电能即为水电站发电量。

如果水电站在到时段内的出力已知，则该时段内的发电量为：如果已知不同时段内的平均出力，可以用下式计算发电量：式中，为水电站在到时段内所产生的电能(kW ·h ）为第时段内的平均出力（kW ）；为计算时段长；为时段数。

1t n t )(t N ⎰=n t t dtt N E 1)(i N tN E ni i ∆=∑=1E 1tn t i N i t ∆n简单总结：（1）水电站：能量转换装置——水能→机械能→电能（2）水流出力→水电站→水电站出力（水电站出力<水流出力）（4）水电站出力：（5）水电站发电量有区别QHQH N η81.981.9==净AQHN =反映水电站效率发电机传水轮机ηηηη⋅⋅=5.8~0.681.9==A A 出力系数，ηtN E NdtE ni i t t ∆==∑⎰=1121221或落差损失—下上h hz z H ∆∆--=二、河川水能资源蕴藏量估算由上可知，构成水能资源的基本要素是流量和水头落差。

由于单位长度河段的落差（即河流纵向比）和流量都是沿河流变化的，所以在实际估算河流水能资源蕴藏量时，常沿河长分段计算水流出力，然后再逐段累加以求得全河总水流出力。

AQHN式中，为河流分段数；为河段的落差；为河段首尾断面流量的平均值。

根据多年平均流量，可以计算得到的水流出力，称为水能资源蕴藏量。

当一条河流各河段的落差和多年平均流量均为已知时，就可以估算该河流的水能资源蕴藏量。

jmj j H Q N ∑==181.90Q 0N m j H jj Q j三、河川水能资源的基本开发方式(a)坝式(b)引水式(c) 混合式一、水能计算的基本方法水能计算：求水电站出力N 和发电量E 的计算方法：统计法和时历法（列表法——数值法：半图解法、图解法）与水电站调节类型有关1径流式水电站靠天然径流发电的水电站（1）无调节水电站（如葛洲坝水电站）)(h z z AQ AQH N ∆--==下上)((Q f z Q Q Q Q Q Q Q Q z z T T T =⎪⎩⎪⎨⎧≤-==下净净上引天蓄上时当水电站过水能力）时当（不变）ξ6.2 水电站水能计算（2）日调节水电站将一日内日水量重新分配与无调节类似，不同在于采用日平均水位。

即，由查z~V ，求得。

)(h z z AQ AQH N ∆--==下上上z 兴死V V V 21+=2蓄水式水电站指长期调节水电站（年或多年调节）年调节水电站——年内水量调节，调节周期T=1年有较大的V兴列表法：∆t=月或旬∴∆t<T特点（1）Z是变化的上（2）Q=Q调应考虑水电站的调节方式等流量调节、定出力调节（1）等流量调节（列表法）利用V兴，使水电站引用流量均匀，等流量蓄水期供水期不蓄不供期发生）时，若，弃调蓄调蓄蓄兴蓄水期调蓄QQQQQQQTVWQTT(=>=-=∑调供兴供水期调，QQTVWQ=+=∑净QQ=（2）定出力调节（半图解法）已知各时段所需负荷（出力）N ，反求Q 和H （即V 2）半图解法——方法原理（与调洪计算半图解法相似）区别：——将q~V 换为Q~N (即出力公式）水量平衡式：出力方程式：)2...(..............................)1.......(..........)(12AHN Q V V t Q Q =-=∆-净112212)12)(21V V tQ Q V V V V V V -=∆-∴-=∴+=净（）代入（ ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+∆=+∆=+∆)4...(....................)2,()3.........(..........221Q t V N f Q Qt V Q t V 净1）绘工作曲线2）水能计算（顺时序计算）由（3）式，已知N,V 1,Q 净计算Q)2,(Qt V N f Q +∆=应用举例：【例】某水电站的正常蓄水位高程为180m，某年各月平均的天然来水流量Q天、各种流量损失Q损、下游各部门用水流量Q用和发电需要流量Q电,分别见表5-3第〈2)~(5〉行。

此外，水库水位与库容的关系，见表5-1；水库下游水位与流量的关系，见表5-2。

试求水电站各月平均出力及发电量。

N 保、E 年是水电站的动能指标二、保证出力计算N 保——是水电站在长期工作中，相应于设计保证率的枯水期的平均出力。

1径流式水电站（日或无调节）（1）长系列法由n 年径流资料进行n 年水能计算，得n ⨯365个，按递减排列由计算p ，绘曲线。

日N %100⨯=nmp p N ~日日N保N设p (%)p由p设‘（历时设计保证率）查曲线得N保，日N保N设p(%)p（2）典型年法：改由3 365个，绘制曲线（选择丰、平、枯三个典型年）（3）简化法：绘制代替由p设‘查曲线得Q保，则N保=AQ保H日N pN~日pN~日pQ~日2蓄水式水电站年调节水电站p 设——年保证率N 保：水电站在多年工作期间，与设计保证率（p 设）相应的供水期的平均出力。

（因供水期用水用电均紧张）（1）长系列法：对n 年资料进行逐年逐时段（月或旬）水能计算，可求出n 年（个）供水期的平均出力绘制由p 设‘查曲线得N 保，（2）典型年法：由p 设选设计枯水年，对此年供水期进行水能计算，得（设枯）则N 保=AQ 调H 供供N pN ~供p N ~供供N（3）简化法：⎪⎩⎪⎨⎧+=∑--=+∑=QzQzVVVzhzzHTVWQ~21下调下兴死上供下上供供供兴供调，供查：：由）（三、多年平均发电量计算E 年——是反映水电站发电效益的稳定指标。

——是指水电站在多年工作时期内，平均每年所能生产的电能量。

⎪⎩⎪⎨⎧++=∑=（中水平年法）（三典型年法））（或长系列法）平年枯年丰年平年年年年E E E E E n E E ni31(11。

E年的大小与N装及水电站运行方式有关（1）在未选定N装前，暂不考虑N<N装，Q<Q T限制，按N=AQH，计算水流出力（无限装机法）（2）选定N装后，按N<N装计算2。

径流式水电站改绘N~p曲线为N~T曲线（持续时间T）T=8760p(小时）由N装“切平头”，得E年N装8760 T (h) N装3。

蓄水式水电站n ——N<N 装的月数，m 为N ≥N 装月数。

)][1kwh mN N t E ni i （装年+∑==6.3 电力系统负荷及装机容量一.电力系统是由若干发电厂、变电站、输电线路及电力用户等组成。

工业用电（均匀）农业用电（季节变化）市政用电（日内变化）电站变电站线路交通运输等往往由各种不同类型的电站（包括水电站、火电站、核电站及抽水蓄能电站等）协同联合供电，使各类电站相互取长补短，改善各电站的工作条件，提高供电可靠性。

二.电力负荷图电力负荷——在任何时间内，电力系统中各电站的出力过程和发电量必须与用电户对出力的要求和用电量相适应，这种对电力提出的出力要求，就是电力负荷。

负荷N：用户所需出力+厂用电+输电损失电力负荷图——电力系统中所有用户所需出力N（负荷）随时间t的变化曲线。

1日负荷图电力系统的负荷N，在一昼夜24小时内的变化过程。

如图，N’’——最大负荷N——平均负荷N’——最小负荷基荷腰荷峰荷腰荷基荷N’’NN’日电能累积曲线是日负荷图的出力值（kw）与其相应的电量（kw·h）之间的关系曲线。

绘制过程：将日负荷曲线以下的面积（表示电量）自下而上加以分段，便得△E1、△E2、△E3等分段电能量，令图横坐标代表分段电能量△E的累积值，由此定出相应的a点、b点。

按此向上逐渐累积到负荷的最高点，各交点的连线gabcd便是日电能累积曲线。

特性：（1）在最小负荷N’以下，负荷无变化，故是直线；（2）在N’以上，负荷有变化，故cd为向上凹曲线段。

d点横坐标为一昼夜的电量；（3）延长直线段gc，与d点的垂线df相交于e点，则e点的纵坐标就表示平均负荷N。