第五章 水能计算及水电站在电力系统中的运行方式

1
6
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。
证出力 (其中出力系数A＝7)。
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
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：
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
(m+n)＝365(日)， t=24小时；以月为时段 (m+n)=12(月)， t=730小时。
三个代表年法
E 1 3
E枯 E中 E丰
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
出力（万kw）
180
160
140
120
100
80
60
NP=53
40
20
P=85%
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80P（％9）0 100
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
Q（m3/s）
8000
7000
6000
5000
4000
3000 QP=2010 2000
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。
年调节水电站的水能计算
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。
计算方法：设计枯水年法，长系列法。
1000 0 0
10 20 30 40 50
P=85%
60 70 80 90 100 P（％）
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
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。
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（%）
表5-2 水电站下游水位与流量关系
130 140
150
160 170 180
115.28 116.22 117.00 117.55 118.06 118.5
例题求解
表5-3 水电站出力及发电量计算（枯水期）
时段 t
天然来水流量 Q天
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
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：
n
E 年 E中 t ( N i mN 装 ) (k Wh) i 1
上式中(m+n)为全年时段数，以日为时段，
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 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 N水均 月发电量 E水
月 (m3/s)
(亿m3) (m)
(万kW) （万kW·h)
(1) (2)
(3)
(4) (5) (6) (8) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20)
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；
11 70
10
125 154 -94 -2.469 21.732 19.263 178.78 171.72 178.25 117.25 61 0.85 7.83 5716
12 62
9
60 159 -106 -2.784 19.263 18.479 177.72 176.32 177.02 117.5 59.52 0.85 7.89 5760
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
无调节水电站的水能计算
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 n
n 1
E年
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 AQH净 8760kW • 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。
（1）
（2）
（3） （4） （5）
5.2～5.49
5.35
1
1
2.7
4.9～5.19
5.05
1
2
5.4
4.6～4.89
4.75
0
2
5.4
4.3～4.59
4.45
1
3
8.1
4.0～4.29
4.15
1
4
10.8
3.7～3.99
3.85
0
4
10.8
3.4～3.69
3.55
1
5
13.5
3.1～3.39
3.25
9 115
20
100 150 -55 -1.445 25.2 23.755 180 179.56 179.78 117 62.78 0.85 7.85 5731
10 85
12
92 150 -77 -2.023 23.755 21.732 179.56 178.78 179.17 117 62.17 0.85 7.78 5679
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。
➢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。
【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
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
计工 算作 越量 来逐 越渐 精加 确大
为水电站保证出力。
NP
956
936
895
6
821
746
677
838.5kW
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＝ 30.90m，Z下＝1.40m，忽略水头损失，则得 HP＝30.9－1.4=29.5m，由此可算出NP
2416104 3152104 530.4 243600
4.24m3 / s
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＝
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。
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。
来自百度文库
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。
NP AQPHP 7 4.10 29.5 846.7kW
灌溉水库水电站的水能计算
1.灌溉和发电用水不结合 灌溉和发电用水不结合的水库，灌溉引水口 的位置多在大坝上游，电站建成河床式或坝后式。 Z死决定于灌溉引水高程，Z蓄决定与灌溉用水量。 灌溉引水后剩余的水量仍然很多，可结合发电的 最低要求增加部分库容满足发电最低要求。此时 结合发电要求确定Z蓄和Z死。
水电站在t1至t2时段内的发电量为：
E t2 Ndt t1
实际计算中常采用：
(kW h)
t2
E Nt
t1
水电站在某 一时段t内 的平均出力
(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。
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
水位Z(m) 168 170 172 174 176 178 180 库容V(亿m3) 3.71 6.34 9.14 12.2 15.83 19.92 25.2
流量q(m3/s) 下游水位(m)
QP
W供
V兴 W损 T供
W引
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。