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水电站水能计算 7.1概述7.2水电站的保证出力和发电量计算7.3电力系统的负荷与容量组成7.4水电站装机容量的选择7.5水库防洪特征水位的选择本章内容结构： 7.1概述7.1.1水电站水能计算的内容、目的和基本资料7.1.2水能利用的原理及开发方式第一节内容结构： 水能利用的原理（1）水能的基本概念河流中流动着的水流蕴藏着一定的能量，称为水能。在天然情况下，这些能量消耗于水流的内部摩擦，克服沿程河床阻力，冲刷河床和夹带泥沙等方面。采取一定的工程技术措施后，可将水能变为电能，为人类服务。7.1.2水能利用的原理及开发方式 （2）水能计算原理推导图7-1河段内蕴藏水能示意图N＝9.81QH(kw)7.1.2水能利用的原理及开发方式 E＝AQH净T(kw.h)N＝9．81QH(kw)H净=H—△HA为出力系数，在初步规划设计估算时，大中型水电站可取A=7.5-8.5；小型水电站可取A＝6.5-7.5。理论值损失实际值 开发方式:集中落差和引取流量的方式。根据开发河段自然条件的差异，水能的开发方式主要有坝式、引水式、混合式三种。7.1.2水能利用的原理及开发方式 1、坝式(蓄水式)水电站7.1.2水能利用的原理及开发方式 2、引水式水电站7.1.2水能利用的原理及开发方式 3、混合式水电站7.1.2水能利用的原理及开发方式 7.2水电站的保证出力和发电量计算7.2.1水电站的保证出力与保证电能计算1、无调节、日调节水电站的保证出力与保证电能计算2、年调节水电站的保证出力与保证电能计算3、多年调节水电站的保证出力与保证电能计算7.2.2水电站的多年平均年发电量计算第二节内容结构： 1、无调节、日调节水电站水能计算方法定义：因库容较小不能调节天然径流的水电站，称为无调节水电站。如果库存能够按发电要求调节一日以内的天然径流，称为日调节水电站。相同点：无调节、日调节水电站的出力计算，都以“日”为计算时段，故其保证出力N保为相应于设计保证率的日平均出力。差异：日调节水电站的上下游水位，随一日之内的用水量不同而发生变化。 例7-1某河床式水电站为无调节水电站，具有18年径流资料，其系列的代表性较好，有关资料列入表7-1中，设计保证率P=80%。试推求该水电站的保证出力N保和日保证电能E保。（1）分组；（7）出力；（2）求可能引用的发电流量；（8）累积出现次数；（3）上游水位；（9）累积频率；（4）下游水位；（10）保证时间；（5）水头损失；（11）求保证出力；（6）净水头；（12）求日保证电能1、无调节、日调节水电站水能计算方法 日平均流量分组（m3/s）各组日平均流量中值m3/s引用及损失流量m3/s发电流量Q电m3/s上游水位Z上（m）下游水位Z下（m）水头损失⊿Hm净水头H净（m）出力NkW各组出现次数（日）累积出现次数（日）累积频率P（%）保证时间(按年计)t=8760P（h）①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩111213>220>2204>216295.85276.381.118.37317405985989.1797220～1802004196295.85276.321.118.432890012572311.0964180～1401604156295.85276.231.118.5223110361108416.51445140～1201305125295.85276.101.118.6518650598168225.62243120～1001105105295.85276.021.118.7315730690237236.13162100～8090585295.85275.901.118.85128202260463270.5617680～6070664295.85275.801.118.9597001373600591.4800760～4050644295.85275.651.119.106720315632096.2842740～2030624295.85275.451.119.303710171649198.88655<20<206<14295.85275.301.119.4521807965701008760例题7-1解答 1、无调节、日调节水电站水能计算方法 2、年调节水电站水能计算定义：水库的兴利库容能够对一年内的天然径流进行重新分配，将丰水期的余水量蓄起来提高枯水期的发电流量、这类水电站称为年调节水电站。方法：设计枯水年法和长序列法方案比较阶段一般采用设计枯水年法；对选定方案要求较详细的水能计算可采用长系列法。等流量法和等出力法 设计枯水年法实测径流序列设计枯水年径流设计年径流量年内分配兴利调节计算设计枯水年供水期调节流量供水期的平均出力，即为年调节水电站的保证出力等流量或等出力水能计算频率计算 长序列法实测径流序列逐年进行兴利调节计算各年供水期的平均出力绘制供水期平均出力保证率曲线年调节水电站保证出力各年供水期逐年进行供水期水能计算频率计算 （1）用等流量法进行设计枯水年的水能计算图7-8设计枯水年调节流量计算示意图供水期的调节流量QP供为QP供＝（W供＋V兴）/T供蓄水期的调节流量QP蓄为QP蓄＝（W蓄－V兴）/T蓄原理： 例7-2：以发电为主的某年调节水电站，设计保证率P=90%，水库正常蓄水位为133.0m，死水位为110.0m，水库水位库容关系、下游水位流量关系如表7-2。由分析计算得出坝址处的设计枯水年流量过程，如表7-3中①、②栏。初步计算暂不计水库的水量损失，水头损失按1.0m计算。试用等流量法推求该水电站的保证出力和保证电能。（1）用等流量法进行设计枯水年的水能计算 时间(月)天然流量Q天（m3/s）引用流量Q引（m3/s）水库蓄水(+)或供水(-)弃水流量Q弃m3/s时段末蓄水量V末(（m3/s）.月）平均蓄水量(（m3/s）.月）上游平均水位Z上（m）下游平均水位Z下（m）水头损失⊿H（m）平均净水头（m）平均出力N（kW）月发电量E（万kW·h）⊿Q（m3/s）⊿W（m3/s）①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩11121314319.819.8007.707.70110.082.901.026.104134302414.914.9007.707.70110.082.901.026.103111227541.535.06.506.5014.2010.95114.283.651.029.558274604655.335.020.3020.3034.5024.35126.583.651.041.8511718855730.230.20034.5034.50133.083.451.048.551173085683.516.2-12.65-12.6521.8528.18129.082.701.045.305853427928.816.212.6512.6534.5028.18129.082.421.045.305853427109.812.1-2.26-2.2632.2433.37132.382.421.048.884716344118.712.1-3.36-3.3628.8830.56130.882.421.047.384571334125.912.1-6.16-6.1622.7225.80127.882.421.044.38428231313.812.1-8.26-8.2614.4618.59122.282.421.038.78374127325.312.1-6.76-6.767.7011.08114.582.421.031.082999219∑227.5227.5005181表7-3某年调节水电站等流量水能计算（不计水量损失，P=90%） 例7-3：根据例7-2资料，按等出力试算法求该水电站的保证出力N保及保证电能E保。（2）用等出力法进行设计枯水年的水能计算 时间(月)已知出力NkW天然流量Q天m3/s引用流量Q引m3/s水库蓄水(+)或供水(-)弃水流量Q弃m3/s时段末蓄水量Q末m3/s平均蓄水量m3/s上游平均水位Z上（m）下游平均水位Z下（m）水头损失⊿Hm平均净水头m校核出力NkW⊿Qm3/s⊿Wm3/s①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩11121314934.5(10)(4000)(9.8)(10.10)(-0.3)(-0.3)(34.2)(34.35)(133.02)(82.25)(1.0)(49.77)(4021)1011400040009.88.710.0510.17-0.25-1.47-0.25-1.4734.2532.7834.3833.52133.05132.4682.2482.261.01.049.8149.20400540031240005.910.59-4.69-4.6928.0930.44130.4582.271.047.18399712400040003.85.311.6514.18-7.85-8.88-7.85-8.8820.2411.3624.1715.8126.32118.882.3882.551.01.042.9435.2540023999934.51011425042509.88.710.6910.92-0.89-2.22-0.89-2.2233.6131.3934.0632.5133.0132.082.3082.341.01.049.7048.66425042511242505.911.58-5.68-5.6825.7128.55129.282.361.045.844247142503.813.10-9.30-9.3016.4121.06124.082.471.040.534248242505.318.10-12.80-12.803.6110.01113.282.821.029.384254表7-4某年调节水电站等出力水能计算（未计水量损失，P=90%） 3、多年调节水电站的保证出力与保证电能计算水库的兴利库容较大，能够对几年甚至几十年的天然径梳进行重新分配，将丰水年组的余水蓄存起来，提高枯水年组的发电流量，这类水电站称为多年调节水电站。当水库经过多年调节，在相对于设计保证率的枯水年组内所发出的平均出力。称为多年调节水电站的保证出力。在设计枯水年组内的总发电量为保证电能，但电力系统都是以年来计算发电量的，故将按保证出力连续工作一年的发电量，作为多年调节水电站的保证电能。定义 特点当水电站水库进行多年调节时，丰水年蓄存在水库中的多余水量，可以调配到连续几个枯水年份使用，因此，多年调节水电站的特点是其水库能进行年际间的水量调配，调节周期可长达若干年，使水电站在连续枯水年组内得到相同的平均出力和年发电量。3、多年调节水电站的保证出力与保证电能计算 （1）按水电站的设计保证率P设计算水库正常供水允许破坏的年数T破＝n-P设(n+1)；（2）从年径流长序列中，选择最枯的连续枯水年组，逆时序从该枯水年组末起扣除允许破坏年数T破，余下的年组即为所选的设计枯水年组；（3）按等流量调节计算设计枯水系列的调节流量；（4）按等流量调节计算N保和E保。计算方法 7.2.2水电站的多年平均年发电量计算定义：无调节、日调节、年调节及多年调节水电站的多年平均发电量，均为多年运行期间平均每年所产生的电能。计算方法：1、代表年法或代表年组法2、长序列法 在规划设计阶段，其计算精度要求不高，可采用简化方法计算，一般采用平水年法计算多年平均年发电量。水电站的初步设计阶段，一般采用三代表年法。是以三个代表年(设计枯水年、设计中水年和设计丰水年)的年发电量的平均值作为水电站多年平均年发电量。1、代表年法或代表年组法3、多年调节水电站的保证出力与保证电能计算 方法：长系列法要求对实测径流资料依时序逐年逐时段进行水能计算，并在对逐时段平均出力进行统计计算的基础上求得水电站的多年平均年发电量。2、长序列法适用范围：当水库的正常蓄水位、死水位以及装机容量都确定后，有必要用这种方法较精确的求出多年平均年发电量。3、多年调节水电站的保证出力与保证电能计算 小结7.1和7.2主要介绍了以下几个主要内容： 7.3电力系统负荷与容量组成7.3.1电力系统及电力负荷图7.3.2电力系统的容量组成7.3.3水电站、火电厂的工作特点第三节内容结构： 7.3.1电力系统及电力负荷图一、电力系统定义作用用电户工业用电农业用电市政用电交通运输用电 定义二、电力负荷图出力与时间关系曲线特性实践证明它具有周期性的变化规律．其变化情况可用日负荷图与年负荷图表示。7.3.1电力系统及电力负荷图 1、日负荷图二、电力负荷图图7-10a日负荷图图7-10b日电能累积曲线 (1)日负荷图的特征值与分区日最大负荷N〞日平均负荷日最小负荷N′1、日负荷图三个特征值分区基荷腰荷峰荷 (2)日负荷特征系数基荷指数：α＝N/α越大，基荷占负荷图的比重越大，这表示用户的用电情况比较平稳。日最小负荷率：β＝N／N〞β越小，表示负荷图中高峰与低谷负荷的差别越大。日平均负荷率：γ＝／N〞γ越大，表示日负荷变化越小。1、日负荷图 表示一年内电力系统的负荷变化过程线，称为年负荷图2、年负荷图定义：年最大负荷图：表示电力系统在一年内各日或各月对各电站最大出力总和或发电设备总容量的要求。年平均负荷图：表示电力系统在一年内各日或各月对各电站总电量的要求。 定义：与设计负荷水平相应的年份称水电站的设计水平年。选择原则：一般可采用第一台机组投产后的5-10年，所选设计水平年应与国民经济五年计划年份相一致。3、水电站的设计水平年 概念：7.3.2电力系统的容量组成一台发电机组所标的铭牌出力为额定容量，即容量一座电站所有发电机组的铭牌出力之和，即电站的装机容量电力系统中全部机组铭牌出力的总和，即电力系统总装机容量 分类按电力系统中各类容量担任的任务分为：最大工作容量N〞工备用容量N备重复容量N重负荷备用容量N负备事故备用容量N故备检修备用容量N检备7.3.2电力系统的容量组成 1．水电站的工作特性1）水电站正常工作只能达到一定的保证程度。2）水电站机组操作运用灵便、启闭迅速。所以，有一定的调节性能的水电站适宜担任系统的调峰、调频、负荷备用及事故备用等任务。3）水电站运行费用较低，且不污染，有利于环境保护。4）水电站的建设地点受水能资源、地质及地形等条件的限制。同时水电站土建工程量大，工期长，且因其一般远离负荷中心地区，故需建高压、远距离输变电工程。另外，修建水库一般会造成淹没损失，需做好移民安置工作。7.3.3水电站、火电厂的工作特点 2．火电站的工作特性火电站的主要设备为锅炉、汽轮机和发电机等，我国火电绝大部分以煤为燃料。火电站的工作主要有以下特性：1）火电站出力和发电量的工作保证率较高。2）火电站工作惰性大，机组启动费时，加荷也较缓慢，从停机状态启动到满负荷运行一般需2～3小时。3）由于火电必须消耗大量的燃料，且机组设备较复杂，厂用电及所需管理人员也多，所以，火电运行费远比水电高。另外，火电站污染环境，需采取环保措施。7.3.3水电站、火电厂的工作特点 7.4水电站装机容量的选择7.4.1水电站最大工作容量确定7.4.2水电站的备用容量7.4.3水电站的重复容量确定7.4.4水电站装机容量的简化估算第四节内容结构： 7.4.1水电站最大工作容量确定无调节水电站的最大工作容量确定日调节水电站的最大工作容量确定年调节水电站的最大工作容量确定多年调节水电站的最大工作容量确定 无调节水电站的最大工作容量确定由于无调节水电站没有水量调节能力，为避免弃水，其工作位置应在基荷。按保证电能进行计算，无调节水电站的最大工作容量等于保证出力。无调节水电站以保证出力在基荷运行一日的发电量恰好等于保证电能。7.4.1水电站最大工作容量确定 日调节水电站的最大工作容量确定取决于E保.日及电站在负荷图中的位置图a在峰荷部分工作时图b承担峰荷和基荷任务7.4.1水电站最大工作容量确定 (1)计算保证出力N保及保证电能E保。(2)由E保和供水期水电站在负荷图上的工作位置，拟定3个以上最大工作容量方案。(3)确定每个方案供水期各月的月平均出力。(4)分别计算各方案供水期的发电量E供。式中：——i月份的平均出力；　730——每个月的小时数。(5)确定年调节水电站最大工作容量。据拟定的各最大工作容量方案及计算出的各方案相应的供水期的发电量，可绘制最大工作容量与供水期发电量关系曲线。从该曲线查得供水期发电量等于保证电能的最大工作容量，即为所求水电站的最大工作容量。年调节水电站的最大工作容量确定7.4.1水电站最大工作容量确定 多年调节水电站最大工作容量确定的原则和方法，与年调节水电站基本相同。区别在于：多年调节水电站的保证出力为符合水电站设计保证率要求的枯水年组平均出力，其保证电能按设计枯水系列中一年的发电量计。因此多年调节水电站确定最大工作容量时，计算时段是枯水年，而不是年内供水期。多年调节水电站的最大工作容量确定7.4.1水电站最大工作容量确定 7.4.3水电站的重复容量确定例7-4 7.4.4水电站装机容量的简化估算以上介绍的按电力电能平衡原则选择水电站装机容量方法，结果比较准确，但计算工作量大，且对水文及负荷资料要求均较高。在初步方案比较，或小型水电站规划设计缺乏资料时，可采用简化法估算水电站装机容量。装机容量年利用小时数法保证出力倍比法N装=CNp（7-12）t装=E年/N装（7-13） 7.5水库防洪特征水位的选择7.5.1防洪限制水位的选择7.5.2防洪高水位的选择7.5.3设计洪水位及校核洪水位的选择第五节内容结构： 7.5.1防洪限制水位的选择（1）防洪限制水位与正常蓄水位重合图7-16a（2）设计洪水位与正常蓄水位重合图7-16b（3）介于上述两者之间图7-16c 7.5.1防洪限制水位的选择 小节： 10、水库防洪特征水位的选择 时间最不偏私，给任何人都是二十四小时；时间也最偏私，给任何人都不是二十四小时（赫胥黎）勤奋的人是时间的主人，懒惰的人是时间的奴隶 清华学霸——马冬晗（姐姐）、马冬昕（妹妹）籍贯：中国，辽宁省　出生年月：1989.11所在院校：马冬晗（姐姐）清华大学，精仪系81班——2011清华大学特等奖学金（每年清华本科生中只有5人获此殊荣）马冬昕（妹妹）清华大学，化学系89班——2011清华大学特等奖学金（每年清华本科生中只有5人获此殊荣） 马冬晗现任精仪系团委副书记，曾是精仪系学生会近些年来第一位女主席。获得多个奖学金和优秀个人，并历任精仪系乒乓球队、排球队、羽毛球队队长。有一个双胞胎妹妹马冬昕，和她一样也是保送进清华大学，她们高中都就读于大连育明高级中学，并在高中双双加入中国共产党，成为预备党员。马冬昕也是特别奖学金的获得者，同时还是海淀区的人大代表。 大学学习计划表2012年10月，一段《清华大学特别奖学金答辩——马冬晗的视频在微博上走红。视频中进行特别奖学金答辩的精仪系马冬晗同学多门功课都超过了95分，被戏称为“清华学霸”，密密麻麻的的学习时间安排表更是让网友感叹：“比国家领导人还忙”、“深刻感觉自己连呼吸都在浪费时间”。 担任职务2011.09至今清华大学体育代表队乒乓球队队员2010.10至今精仪系乒乓球队队长2010.09至今精仪系羽毛球队副队长2009.09~2010.09精仪系女子排球队队长 【文体奖项】2010年9月，北京高校《国旗教育论坛》暨“国旗在我心中”演讲比赛一等奖；2009年5月，“传承清华精神，践行科学发展”清华大学2008级新生演讲比赛二等奖；2011年5月，清华大学2011年乒乓球单项赛女子单打并列第三名；2010年12月，精仪系牛彼得杯乒乓球联赛女子单打冠军；2010年3月，精仪系牛彼得杯羽毛球联赛团体冠军；2010年12月，清华大学第54届马约翰杯乒乓球团体赛甲组第七名；2010年12月，清华大学第54届马约翰杯羽毛球团体赛甲组并列第五名；2009年4月，清华大学第53届马约翰杯女子排球比赛甲组第七名；2011年3月，精仪系“牛彼得杯”春季师生运动会女子800米亚军；2011年4月，清华大学第54届马约翰杯田径运动会女子4*400米接力第四名；2011年4月，清华大学第54届马约翰杯田径运动会女子铁饼第七名。 【社会实践】2009年7月，担任精仪系“春蕾”实践海南支队队长，带领队员赴海南三亚海棠湾椰林小学进行了五天的支教，利用系友赞助的资金为当地女童带去了价值两千余元的书籍、器材，完成了英语、文学、艺术、科技等支教内容，还为当地女童建立了“春蕾”图书室；2009年8月，赴湖南湘西进行为期两周的支教活动，同时对当地的职业教育进行了详细的调研；2010年2月，在家乡范围内进行社会考察调研，完成《从身边人与事窥探我国医疗环境》调研报告；2010年8月，赴河北唐山进行为期十天的调研活动，小组完成《唐山的人文精神和城市建设》调研报告；2010年8月，赴青海进行为期两周的调研活动，小组完成《青海教育对减贫民生的影响》调研报告；2011年8月，赴香港进行为期十天的考察活动，对香港的政治、传媒、教育、公益等有了初步了解。 【文学创作】2009年9月，写作诗歌《祖国啊，我亲爱的祖国》发表在清华新闻网上；2009年9月，参加国庆60周年群众游行，创作诗歌7篇，宣传稿10余篇；2008年11月，精仪系纪念改革开放三十周年主题征文活动二等奖。 【综合奖项】2009~2010学年度，清华大学本科生优秀共产党员；2009~2010学年度，清华大学“一二九奖学金”；2008~2009学年度，清华大学“清华之友——苏州工业园区奖学金”；2010~2011学年度，北京市三好学生；2010~2011学年度，北京市“先锋杯”优秀基层团干部；2009~2010学年度，清华大学优秀学生干部；2009年10月，国庆60周年群众游行24方阵优秀队员；2008年9月，清华大学2008级学生“军训先进个人”。 【培养计划】2009年4月，入选清华大学“饮水思源，服务社会”优秀学生培养计划八期；2010年6月，入选清华大学思源骨干班四期；2010年9月，入选清华大学导师团计划三期。她们目前双双被保送“硕博连读”。 盛年不重来，一日难再晨；及时当勉励，岁月不待人。──陶渊明