水能计算及水电站主要参数选择

第11章水能计算及水电站主要参数选择

46．什么是水能计算，它的目的和任务是什么？

水能开发的主要方式是水力发电。水电是一种清洁的能源。

我国水能资源十分丰富，水能资源理论蕴藏量为6.8亿千瓦，可开发水能资源为3.8亿千瓦，居世界第1位。但目前我国水能资源开发利用程度还比较低，水能资源总开发利用率不足20%。从全国看，我国待开发的水能资源主要集中在西南和西北地区，同时小水电的开发也具有广阔的前景。

水电站的装机容量、出力和发电量等是水电站重要的指标。有关水电站出力、发电量和其他参数的计算称为水能计算。

在规划设计阶段，进行水能计算的目的主要是选择和水电站及其水库有关的参数，如水电站装机容量、正常蓄水位、死水位等。

在运行阶段，水电站的规模已经确定，进行水能计算的目的主要是为了确定水电站在电力系统中最有利的运行方案。

47．什么是电力系统，什么是电力系统负荷图？

在一个区域中，将各种发电站用输电线路联系起来统一向用电户供电称为电力系统。

电力系统的容量和发电量应满足国民经济各个部门的需要。电力系统的负荷是随时变化的。目前，电力还不能大规模地储存，故系统中各种电站的发电出力需按照负荷的变化而变化。电力系统负荷图即为反映电力系统负荷随时间变化的图线。

（1）电力系统日负荷图

文字教材中的图11.14为电力系统日负荷图及电能累计曲线。该图左边为日负荷图，其纵轴表示电力负荷（单位为万千瓦或者兆瓦），横轴表示时间（单位为小时）。电力系统日负荷图表示在一天之内负荷随时间变化的情况。按照负荷变化的情形，日负荷图可分为峰荷、腰荷、基荷三个区（如文字教材图11.13所示）。图11.14的右边为日电能累计曲线，它表示电力负荷与其相应的日电能的关系。不同负荷在日负荷图中对应的面积即为日电能，在图中以横坐标表示。

（2）电力系统年负荷图

电力系统年负荷图又分为年最大负荷图和年平均负荷图。年最大负荷图表示系统每天的最大负荷在一年中的变化情况。年平均负荷图表示系统每日的平均负荷在一年内的变化情况。图11.15即为电力系统的年最大负荷图，图11.16为电力系统的平均负荷图。这两幅图实际上都进行了简化，即认为在一个月内日最大负荷和日平均负荷是不变的，故两种年负荷图都呈阶梯形。

需注意，日负荷图和年负荷图存在着对应关系。

48．什么是水电站保证出力？

水电站利用水能生产电能。如前述，河川径流具有不均匀性和随机性，因水电站水库的调节能力是有限的，故使水电站能够提供的电能具有随机性。

在电力系统中，电力负荷是由火电站、水电站以及核电站共同承担的（目前我国核电站装机容量和发电量所占比率均很小），为使电力系统安全、可靠地满足国民经济各部门的需要，要求水电站能够按照一定保证率，比较有把握地承担电能和负荷。

保证出力是水电站在长时期工作中，相应于设计保证率的控制时段（比如供水期或枯水期）的平均出力。保证出力的概念十分重要。首先应明确，保证出力具有统计意义，它相应于设计保证率。

另外，保证出力虽然是“出力”，其单位是千瓦或者兆瓦，但它是一个时段的平均出力，故实际上保证出力表示的是水电站提供电能的能力，而不是承担电力系统瞬时负荷的能力。可以说，保证出力是表示水电站能够有把握地承担多少电能的指标（水能计算中，又将符合设计保证率的水电站在控制时段内提供的电能称为保证电能。实际上，保证电能和保证出力的意义相同，只是表达方式不同）。

再有，保证出力的控制时段是指水电站发电受到限制的时段。一般情况下，水电站发电受水量限制，控制时段就是枯水期或供水期，但也可能有其他情况。如低水头径流式电站，丰水期可能因水头减小，发电受到限制。又如有的水利枢纽可能因为综合利用的其他要求，使发电受到限制。对于类似这样的情况，保证出力的控制时段需另作具体分析。

还应当明确，保证出力实际上是水电站正常工作的最小平均出力。

文字教材中介绍了不同调节能力的水电站进行保证出力计算的具体方法，同时提供了例题。

49．电力系统的容量如何组成，各部分容量有何意义？

从不同角度进行分析，电力系统的容量组成情况不同。

进行规划设计时，对于电力系统的容量应按照需要分别考虑，此时可将电力系统的装机容量看为由以下几部分组成：

（1）最大工作容量。满足系统最大负荷要求的容量称为最大工作容量。系统的最大工作容量应等于电力系统的年最大负荷值。

（2）备用容量。备用容量又包括：

1）负荷备用容量。即为平衡系统的跳动负荷（突荷）而设置的备用容量。系统负荷的变化是不平缓的，有时（如大型机电设备启动、大量用户同时开始用电等）可能出现集中增加的负荷，此时需由负荷备用容量来平衡。

2）事故备用容量。当系统中机组突然出现故障时，需要替补机组投入运行，为此设置的备用容量为事故备用容量。

3）检修备用容量。为保证正常工作，系统中的机组要定期检修。检修是有计划进行的，可尽量安排在用电负荷低落时进行。但如负荷低落时不能安排全部机组建修，则需设置专门的备用容量，称为检修备用容量。

上述最大工作容量与备用容量之和又称为系统的必需容量。系统除设置必需容量外，还要设置重复容量。重复容量设置在水电站上。

因河流洪水和枯水的水量相差很大，而水电站的调节能力是有限的。枯水期或者供水期水电站只能提供保证出力（保证电能）。对于承担电力系统负荷来说，水电站所能承担的最大工作容量只能按照保证出力来考虑。但如在水电站上仅仅设置必需容量（包括最大工作容量和备用容量），则水量较大时，会有相当一部分水能，由于水电站装机容量的限制无法被利用，造成水能的浪费。为了充分利用水能，在水电电站必需容量以外再设置一部分容量，在丰水期工作，代替火电站发电，减少煤耗。而这部分容量在枯水期由于水量限制，不能用于平衡系统负荷，称为重复容量。

电力系统设置的重复容量对于平衡系统负荷来讲似乎是多余的（与火电站的装机重复），但应当看到，从充分利用水能的角度出发，重复容量是应当设置的。

按照电力系统实际运行时的工作状况，系统装机容量又可分为工作容量、备用容量、空闲容量和受阻容量。其中工作容量和备用容量是正处于工作状态或备用状态的容量。空闲容量是可以投入运转，但由于系统负荷较小，不需要投入工作的容量。受阻容量是由于机组检修或出现故障等原因，不能投入运行的容量。显然，在实际运行中以上各部分容量是随时变化和相互转换的。

50．如何按照电力电能平衡原则选择水电站装机容量？

目前我国电力系统的电站主要包括火电站和水电站两类。电力系统的各部分容量主要由火电站和水电站承担。

电力电能平衡法按照电力电能平衡原则确定水电站的装机容量。电力平衡原则为：电力系统某时刻所有电站工作容量之和应等于该时刻电力系统最大负荷。电能平衡原则为：电力系统任意时段所需的电能等于该时段各类电站能够提供的电能之和。

采用电力电能平衡法确定水电站的装机容量，对于水电站的最大工作容量主要按照电能平衡原则确定。

如前述，水电站在电力系统中能够提供的电能只能按照水电站的保证出力（保证电能）来考虑。

从电力系统日负荷图可见，当水电站提供的日电能相同时，电站的工作位置不同，所能承担的最大工作容量是不同的。提供同样的日电能，水电站在峰荷位置工作比在基荷位置工作能够承担的最大负荷要大。从水电站的工作特性出发，应当使水电站尽可能承担变动负荷。即应使水电站在负荷图中的工作位置尽可能靠上。但同时需考虑充分利用水能，减少弃水，以及综合利用其他部门的要求。不同调节能力的水电站，在电力系统负荷图中的工作位置不同。同时，因调节周期不同，计算水电站保证出力（保证电能）的计算时段不同，计算水电站最大工作容量的具体方法也不同。

1）无调节水电站的最大工作容量等于保证出力。因无调节水电站无蓄水能力，不能调节径流，如承担变动负荷势必造成弃水。故无调节水电站只能担任基荷。因一般日内的径流变化不大，故可按照枯水日来水计算保证电能。可以推出，无调节水电站的最大工作容量等于保证出力。

2）日调节水电站一般需按照日电能累计曲线用图解的方法求出最大工作容量。日调节水电站具有日内调节径流的能力，在枯水日可担任系统的峰荷或者腰荷，其计算保证电能的时段是枯水日。又因在日负荷图里中，负荷变化过程线是一条曲线，故需借助图解方法推求日调节水电站的最大工作容量。

文字教材中还介绍了有航运或者其他综合利用要求时，计算日调节水电站最大工作容量的方法，并提供了例题。

3）按照电能平衡原则，年调节水电站的最大工作容量是按照电力系统负荷图工作，在整个供水期提供的电能恰恰等于保证电能的最大工作容量。年调节水电站有较强的调节能力，在年内的枯水期或供水期，年调节水电站可以担任系统峰荷或腰荷，同时可按照等流量发电，或按照一定的出力要求发电。所以，计算年调节水电站保证电能的计算时段是供水期。

年调节水电站最大工作容量实际上需用试算法求出。文字教材中介绍了推求年调节水电站最大工作容量的方法，同时提供了例题。

4）推求多年调节水电站最大工作容量的方法与年调节水电站类似（此部分内容不作为本课程必需掌握的内容）。

在确定了水电站的最大工作容量后，可进一步确定水电站的备用容量。确定备用容量的基本方法，是先按照电力平衡原则确定整个电力系统的各项备用容量，再分配到适合承担各种备用容量的各个电站上去。对于水电站还需设置重复容量。确定重复容量要进行经济分析和计算。

51．如何运用装机利用小时数法确定水电站的装机容量？

采用电力电能平衡法确定水电站的装机容量需要较多相关资料，计算工作量也较大。对于中小型水电站，特别进行初步规划或方案初步比较时，可采用比较简单的方法初步选择水电站装机容量。装机利用小时数法就是选择水电站装机容量的一种简化方法。

装机利用小时数是水电站多年平均发电量与装机容量的比值。它既表示了水电站机组的利用程度，又表示了水能利用的程度，是水电站的一项动能指标。一座水电站的装机利用小时数过高或过低都是不合理的。装机利用小时数过高表明虽然水电站机组利用程度比较高，但水能利用的程度过低。装机利用小时数过低，表明虽然水电站水能利用比较充分，但机组利用程度过低。

文字教材的第11章第5节提供了水电站装机利用小时数的经验合理值，亦即在长期生产实践中总结出的各类水电站装机容量利用小时数的合理取值范围。按照装机利用小时数的经验合理值，可简便地求出水电站的装机容量。

因水电站的发电量与装机容量有关，故用装机容量小时数法确定水电站装机容量时需进行试算。

装机利用小时数法是实际工作里中经常用到的，望注意掌握。