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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。,水电站在t1至t2时段内的发电量为,实际计算中常采用,水电站在某一时段t内的平均出力,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要求确定。,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。,【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,表5-2水电站下游水位与流量关系,表5-3水电站出力及发电量计算（枯水期）,例题求解,,,,,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,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HZ上-Z下-△H；5）计算电站的出力NKQH。,注意上游水位一般维持在正常蓄水位。,,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NpAQpHp计算日平均保证出力。,无调节水电站的水能计算,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。,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。,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。,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。,,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,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；,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,设计中水年法,上式中mn为全年时段数，以日为时段，mn＝365日，t24小时；以月为时段mn12月，t730小时。,三个代表年法,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。,设计平水系列法,全部水文系列法,在完全缺乏资料的情况下，可粗估多年平均发电量,径流利用系数，表示发电用水量与天然来水量的比值,【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。说明1上游水位取正常蓄水位；2水头损失为0.5m3出力系数K＝8.3。,无调节水电站保证出力计算,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。,某无调节水电站日平均出力保证率曲线,,,P85,NP53,某水电站水能计算结果示意图,,,P85,QP2010,某无调节水电站日平均流量保证率曲线,【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。,年调节水电站保证出力计算,,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＋2.830.4243600＝24l6104m3,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＝3309104m3，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。,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。,以上计算末考虑水量损失及水头损失，故结果稍偏大。,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,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）＝1050104＋1/23152104＝2626104m3。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＝30.9－1.429.5m，由此可算出NP,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。,灌溉水库水电站的水能计算,2.灌溉和发电用水结合灌溉和发电用水结合的水库，灌溉取水口的位置在水电站尾水下游。来水先发电再灌溉。灌溉期的Q调至少等于灌溉流量。,3.灌溉和发电用水部分结合灌溉和发电用水部分结合的水库，一方面上游取走部分水量供灌溉，一方面利用水电站尾水灌溉。水能调节计算时，先从天然来水量中扣除上游取水，然后按照灌溉和发电用水相结合进行调节计算。,灌溉结合发电水库水电站的多年平均发电量，一般采用丰、平、枯3个设计代表年法。注意凡是月平均出力大于装机容量的应取装机容量。,【例题】,第二节电力系统的负荷图,一、电力系统及其用户特性,电力系统由若干发电厂、变电站、输电线路及电力用户等部分组成。,1.按生产特点和用电要求分为工业用电、农业用电、市政用电及交通运输用电等四大类。工业用电用电量大，年内用电过程比较均匀，但在一昼夜内则随着生产班制和产品种类的不同而有较大的变化。农业用电在用电时期内负荷相对稳定，而在一年不同时期内则很不均匀。,用户类型,市政用电一年内及一昼夜内变化都比较大。交通运输用电一年内与一昼夜间用电都是比较均匀的，只是在电气列车启动时会产生负荷突然跳动的现象。,2.电力用户按其重要性可分为一级、二级和三级。,二、电力负荷图,日负荷图负荷在一昼夜内的变化过程线。年负荷图负荷在一年内的变化过程线。,（一）日负荷图（图5-2）特征值最大负荷N〃、平均负荷N、最小负荷N′。,基荷指数该指数越大，基荷占负荷图的比重越大，表示用户的用电情况比较稳定。日最小负荷率该指数越小，表示负荷图中高峰与低谷负荷的差别越大，日负荷越不均匀。日平均负荷率该指数越大，表示日负荷变化越小。,特点①在最小负荷以下，负荷无变化，故gc为一直线段；②在最小负荷以上，负荷有变化，故cd为上凹曲线段，d点的横坐标为一昼夜的电量E全日；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。,,日电能累积曲线可解决三种问题,1已知水电站日电量E水日，让水电站担任峰荷，求水电站的工作容量N水及其在日负荷图上的工作位置。,（2）已知水电站的日电量E‘水日，让水电站担任基荷，求水电站的工作容量及其相应的工作位置。,3已知水电站的工作容量N水及日电量E水日，求水电站其在日负荷图上的工作位置。,,,（二）年负荷图日最大负荷年变化曲线（年最大负荷图）日平均负荷年变化曲线（年平均负荷图）,年负荷图常用特性指数反映负荷在月内、季内及年内变化特性。（1）月负荷率σ表示在一个月内负荷变化的不均衡性。用该月平均负荷与最大负荷日的平均负荷之比表示。（2）季负荷率ζ表示在一年内月最大负荷变化的不均衡性，用全年各月最大负荷的平均值与年最大负荷之比表示。（3）年负荷率δ表示一年的发电量E年与最大负荷Nmax相应的年发电量的比值,年最大负荷与年平均负荷可以通过日负荷分析曲线进行转换。由年最大负荷转换到年平均负荷的具体做法先选取年最大负荷图中某一月的负荷值，该值为该月最大负荷日的日最大负荷，在该越典型日负荷图及其分析曲线上可以得到该负荷所对应的日电能，除以24小时后即得该日的日平均负荷，乘以该月的月负荷率得该月的月平均负荷，将所得的月平均负荷绘到年平均负荷图相应的月份处。对每一月进行这样的转换，即得年平均负荷图。,三、设计水平年,第三节电力系统的容量组成及各类电站的工作特性,一、电力系统的容量组成,最大工作容量N工〞备用容量N备,N系装N必N重N系工〞N系备N系重＝N工〞N负备N事备N检备N重,从某一时刻的运行状态看N装N可N阻N工N备N空N阻,各种容量值的大小是随时间和条件而不断发生变化的，而且有可能在不同的电站、不同的机组上相互转换，但其组成是不变的。,二、各类电站的技术特性,水电站的技术特性1）水电站的电力生产情况受河川径流随机性的影响和制约；2）具有综合利用任务的水电站，其工作方式受其它部门用水的影响；3）水能是再生性能源，水电站的年运行费用与所生产的电能量无关，因此在丰水期内应尽可能多发水电，少发火电，以节省系统的燃料消耗，降低电量成本；4）水电站机组开停灵便、迅速，适宜担任系统的调峰、调频和事故备用等任务；5）水电站的建设地点要受水能资源、地形、地质等条件的限制。,火电站的技术特性1）只要保证燃料供应，火电站就可以全年按额定出力工作，不像水电站那样受天然来水的制约；2）一般说来，火电站适宜担任电力系统的基荷，这样单位煤耗较小；3）火电站高温高压机组的技术最小出力约为额定出力的75％，如果连续不断地在接近满负荷的情况下运行，则可以获得最高的热效率和最小的煤耗。中温中压机组可以担任变动负荷，即可以在系统负荷图上的腰荷和峰荷部分工作，但单位电能的煤耗要增加较多；4）一般地说，火电站本身单位千瓦的投资比水电站的低；5）火力发电必须消耗大量燃料且厂用电及管理人员较多，故火电单位发电成本比水电站的高。,水电站与火电站特点的对比归纳,第四节水电站在电力系统中的运行方式,确定电站运行的一般原则要充分利用各种能源尽量使水电站少弃水，径流式电站在丰水期宜担任系统基荷，火电的技术最小出力不宜小于名牌出力的80，以提高燃料的使用效率。要使整个电力系统运行经济。尽量使各电站机组在高效率区运行在保证供电可靠的前提下，使系统的总能量损失最小，火电站的总燃料消耗量最小。,无调节水电站的运行方式,在丰水年，可能全年的天然水流出力均大于无调节水电站的装机容量，因而水电站可能全年均需要用全部装机容量在负荷图的基荷部分运行。,无调节水电站的运行方式,,日调节水电站的运行方式,（1）日调节水电站在枯水期一般总是担任峰荷，让火电站担任基荷。（2）在一定的保证出力情况下，日调节水电站比无调节水电站的工作容量可更大一些，能更多地取代火电站的容量。由于水力发电机组比同容量的火力发电机组投资小，因而系统总投资可减少。（3）在每年丰水期，为充分发挥日调节水电站装机容量的作用，就不再使其担任系统的峰荷，而是随着流量的增加，全部装机容量逐步由峰荷转到基荷运行。这样，可增加水电站发电量，相应减少火电站的发电量与总煤耗，从而降低系统的运行费用。,对电力系统效益,日调节水电站的运行方式,图5-11日调节水电站在设计枯水年的运行方式,,,,,丰水年来临时，河流来水量较多，即使在枯水期，日调节水电站也要担任负荷图中的峰荷与部分腰荷。在初汛后期，可能已有弃水，日调节水电站就应以全部装机容量担任基荷。在汛后初期，可能来水仍较多，如继续有弃水，此时水电站仍应担任基荷，直至进入枯水期后，水电站位置恢复到腰荷，并逐渐上升至峰荷。,丰水年的运行方式,日调节水电站的运行方式,年调节水电站的运行方式,不完全年调节水电站的情况在一年内按来水情况一般可划分为供水期、蓄水期、弃水期和不蓄不供期四个阶段。,图5-13年调节水库各时期的工作情况1天然流量过程线；2调节流量过程线3蓄水量；4弃水量,年调节水电站的运行方式,设计枯水年的运行方式,图5-14年调节水电站设计枯水年在年负荷图上的工作位置,供水期水电站承担峰荷，负荷划分线为水平线，表明供水期火电站承担稳定的基荷；进入蓄水期后，入库流量逐渐增大，水库开始蓄水，水电站的工作水头、引用流量及相应的发电出力逐渐加大，为了充分发挥水电的效益，蓄水期水电站的工作位置逐渐下移到腰荷，甚至移到基荷。,图5-14年调节水电站设计枯水年在年负荷图上的工作位置,年调节水电站的运行方式,蓄水期后期，水库水位已上升到正常蓄水位，此时入库流量仍大于水电站引用流量，应让水电站以全部装机在基荷运行，若入库流量较满负荷运行时的发电引用流量还大，将不可避免的产生弃水，即所示的弃水期。,图5-14年调节水电站设计枯水年在年负荷图上的工作位置,年调节水电站的运行方式,不蓄期是汛后期至供水期开始的过渡阶段。在这一阶段入库流量逐渐减小，水电站按引用流量与入库流量相等的方式工作，库水位基本上在Z蓄，随着入库流量及水电站出力的逐渐减小，水电站在负荷图上的位置逐渐上移，直至供水期初上移到峰荷。,年调节水电站的运行方式,设计丰水年的运行方式,在供水期初始不能过分使用水库存水，要保证后期若来水过少，所存水量仍能保证水电站及综合利用各部门正常工作需要。丰水期开始后，水库进入蓄水期，水电站可尽早将其位置转到基荷。在弃水期，水电站则应以全部装机容量在基荷位置工作。,多年调节水电站的运行方式,
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