水资源规划及利用

1. 水资源规划及利用 Integrated water resources planning 第十讲 沈阳农业大学 水资源规划及利用课程组

2. 本讲主要内容： 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 水能计算基本方程和主要方法 第三节 电力系统及其容量组成

3. 输电电线，将电力传送到住户或商厦 水坝，作储水用 水门，将水送至涡轮机 发电机，被涡轮机推动而发电 涡轮机，被流水推动而转动 第一节 水能计算的目的与内容 水能资源 天然河流所蕴藏的巨大能量称为水能资源。 我国水能资源丰富居世界第一，水能蕴藏量1万kW以上的河流300多条。 水电站 利用天然的水能生产电能的一种动力生产企业。 三峡

4. 水能计算 （水能设计） 是水电站规划设计中一项关系全局的综合性工作。 兴利调节计算影响因素： 来水 用水（调节出流） 兴利保证率 兴利库容 水能计算影响因素： 来水 用电 供电设计保证率 工程规模（水电站水库规模，装机容量） 水能计算中，将“库容”扩大理解为工程规模、“需水”变为需电，同径流调节一样，来水作为原始水文资料，而保证率根据工程规模事先确定，则水能计算的实质从广义上讲，和兴利调节一样，也是解决来水、需水、设计保证率和库容四者之间的关系。

5. 兴利调节计算影响因素： 来水 用水（调节出流） 兴利保证率 兴利库容 水能计算影响因素： 来水 用电 供电设计保证率 工程规模（水电站水库规模，装机容量） 水能计算与兴利调节不同之处在于，水能计算用户需要的是电能，除供水量外还与水头有关。 所以水能计算比一般的径流调节计算要复杂一些。

6. 兴利调节计算影响因素： 来水 用水（调节出流） 兴利保证率 兴利库容 水能计算影响因素： 来水 用电 供电设计保证率 工程规模（水电站水库规模，装机容量） 水能计算的任务：确定水电站效益与工程规模之间的关系。 保证出力 水电站效益 多年平均年发电量 水库正常蓄水位和调节库容 工程规模 引水渠道尺寸和水电站装机容量

7. 水能计算的任务 保证出力 水电站效益 多年平均年发电量 水库正常蓄水位和调节库容 工程规模 引水渠道尺寸和水电站装机容量 水能计算的主要内容 (1)确定水电站的动能指标，包括保证出力、多年平均年发电量和装机容量。 (2)配合水工和机电设计，确定水电站的正常蓄水位、死水位及水电站的主机设备等。 (3)对水电站的经济效益进行计算和分析。

8. 一、水电站的出力 水电站出力：指发电机组的出线段送出的功率。 出力计算公式： 式中：Q — 通过水轮机的流量（m3/s）； H — 水电站净水头，水电站上下游水位之差减去各种水头损失(m)； Z上— 上游水位（m）；Z下— 下游水位（m）； ∆h—水头损失（m），与引水设施的条件，形状和水流的流速等因素有关，可由水 力学公式计算出来； η— 水电站效率，小于1，等于水轮机效率η机、发电机效率η电 及机组传动效率 η传 的乘积，即η = η机η电η传； A — 出力系数，A = 9.81η

9. 其中： 在初步估算时，出力系数可根据水电站的规模大小采用下列近似值： 大型水电站（N＞25万kW），A=8.5； 中型水电站（2.5万≤N≤25万 kW），A=8-8.5； 小型水电站（N＜2.5万kW），A=6.0-8.0， 同轴相连A=7.0，皮带传动A=6.5。 例如： 某水电站发电水头为20m，发电平均流量为5.5m³/s,水轮发电机组是同轴连接，则水电站的平均出力是： N=AQH=7×5.5×20=770(kw)

10. 二、水电站的发电量 水电站发电量：水电站的出力与相应时间的乘积。 水电站在不同时刻的出力常因电力系统的负荷的变化、国民经济各部门用水量的变化或天然来水流量的变化而不断变动着。 水电站在时刻t1至t2时间内的发电量为： t ——水电站在某时段内的平均出力； 式中：

11. 三、保证出力和多年平均发电量 水电站的出力和发电量多变，需要从中选出某些个特征值作为衡量其效益的主要动力指标。水电站的主要动力指标有两个，即保证出力和多年平均年发电量。 符合水电站设计保证率p要求的那个平均出力就是保证出力Np，是水电站在长期工作中符合设计保证率要求的枯水期内的平均出力。 保证出力 指水电站在多年工作期间内，平均每年所能产生的电能，是水电站直接的产品收益。 多年平均 年发电量 多年平均年发电量反映水电站的多年平均动能效益，也是水电站的一个主要动力指标

12. 四、水能计算所需的基本资料 水库特性曲线：水库库容曲线、水库水位面积曲线。 水文资料：坝址历年各日或旬或月平均径流系列，历年各月降雨及蒸发资料、洪水资料及下游水位流量关系曲线。坝址附近水文站的降雨、径流、蒸发和泥沙资料。 系统负荷资料。 综合利用要求：灌溉资料、航运、放木及其他用水要求，以及上下游防洪任务等。

13. 第二节 水能计算的基本方程和主要方法 一、水能计算的基本方程 水能计算最基本的任务就是计算水电站的动能指标——保证出力和多年平均电能。 水电站出力公式 式中：k — 为出力系数； q — 为水电站发电流量； Z上 、Z下— 上、下游水位，如考虑水头损失，该水头损失值也是流量q 的函数。 Z下下游水位，在无弃水的情况下，与下泄流量q是固定关系，一般用下游水位流量关系曲线确定。为便于分析计算一般用指数函数来选配，如 ，n —常数。

14. 将q和库水位的关系用水量平衡方程式来表达，库容曲线也以库水位h的函数形式表示，水位面积曲线也以水位h的函数形式表示，代入水能计算公式后，则可得到水能调节计算的微分方程式。将q和库水位的关系用水量平衡方程式来表达，库容曲线也以库水位h的函数形式表示，水位面积曲线也以水位h的函数形式表示，代入水能计算公式后，则可得到水能调节计算的微分方程式。 实际计算中，常采用数值解法、列表试算法、图解法等求解方程。

15. 二、水能计算的列表法 列表法是水能计算的基本方法。 初步水能计算时，常用简化的水能调节方式，例如等流量调节或按固定出力调节。 详细计算时，常根据负荷要求，进行变动出力的调节，这个变动出力或事先规定或通过水库调度图的操作来确定。 按等流量调节的水能计算 水能计算 方法 按已知出力调节的水能计算

16. 等流量调节的水能计算 前提：已知水电站水库的正常蓄水位和死水位 思路：在已知库容求调节流量的径流调节计算的基础上，增加水头和出力的计算项目即可求出相应的出力和发电量。 例题讲解 已知某年调节水电站正常蓄水位Z蓄=760m，死水位Z死=720m，在不计入水量损失的条件下，用等流量调节的水能计算设计枯水年水电站的出力和发电量。

17. 基本资料 水库水位容积关系曲线 水库下游水位流量关系曲线 机组效率取常数N=KQH，K=8.2；无其他用水要求；水头损失假定取定值，∆H=1.0m

18. 等流量调节的水能计算表： V兴=V蓄-V死=21.4-7.9=13.5（亿m3） V兴=13.5×106÷（30.4×24×3600）=513（m3/s·月） Qp=（Q蓄-V兴） ÷T供 =（751+792+721-513） ÷3=584（ m3/s） 蓄水期 V兴=V蓄-V死=21.4-7.9=13.5（亿m3） V兴=13.5×106÷（30.4×24×3600）=513（m3/s·月） Qp=（V兴+Q供） ÷T供 =（147+87+79+75+69+513） ÷5=194（ m3/s） 供水期

19. 等流量调节的水能计算表： 不蓄不供期

20. 等流量调节的水能计算表： 查下游 Z-q曲线 N=KQH，K=8.2 Z死 =720m， V死=7.9亿m3 查Z-V曲线

21. 已知出力时的列表计算 当水电站出力已知，则需要计算所需的调节库容及水库运用过程。这种课题类似于已知用水求库容的径流调节计算。但已知出力的水能计算要复杂一些，因为在出力一定的情况下，N=KQH中水电站引用流量Q与水头H互有联系，需要通过试算才能求解。试算从假定Q入手，可列表进行。

22. 已知出力时的列表计算情况： （1）当已知Z蓄，V蓄，出力N时: 从供水期初开始列表计算。 （2）当已知Z死，V死，出力N时: 从供水期末开始逆时序列表计算。 已知出力列表计算思路：假设引用流量Q，计算出力N’，判断N’与已知N是否相等。相等则假设Q即为所求，否则重新假设，重复上述计算过程。

23. 已知出力时的列表计算情况： （3）已知Z蓄， Z死时: 若按已知出力计算，则需先假设出力然后再按已知出力时的列表计算法进行计算。 思路：以供水期为例，假设供水期内平均出力，然后通过与（1）、（2）情况相同的试算过程，求水位变化，看供水期末水位是否等于死水位，来检验初始假设的等出力是否正确。

24. 已知Z蓄， Z死时按已知出力计算表 假设的等出力值（可用简化法估算初始值，为假设出力提供参考） 简化法估算出力步骤： （1）由Z蓄、Z死，应用等流量法得调节流量194m3/s。 （2）供水期平均蓄水量=V死+1/2V兴 （3）查库容曲线得上游平均水位。 （4）由调节流量查下游水位流量曲线得下游平均水位 （5）计算供水期平均水头 （6）根据N=AQH估算供水期平均出力为18.6 (kw)

25. 已知Z蓄， Z死时按已知出力计算表 先假设 试算

26. 总结： 水能计算方法 已知：Z蓄、Z死：等流量调节计算、等出力计算均可 Z蓄、N出力：从供水期初开始，已知出力列表试算Q 已知： Z死、N出力：从供水期末逆时序，已知出力列表试算Q

27. 第三节 电力系统及其容量组成 一、电力系统及其用户 电力系统：指若干电站与电力用户之间用输电线连接所成的一个电力网。 电力系统内各种不同类型的电站，包括水电站、火电站、核电站等，之间协同工作，互相取长补短，可以充分发挥各个电站的优点，提高电力系统供电的可靠性和经济性，节约电力系统的投资与运行费用。 沈海热电厂 江苏田压弯核电厂 丹江口

28. 电力用户：按电力用户的生产特点和用电要求划分为工业用电、农业用电、市镇用电和交通运输用电四大类。电力用户：按电力用户的生产特点和用电要求划分为工业用电、农业用电、市镇用电和交通运输用电四大类。 工业用电：是指工矿企业的各种电动设备、电炉、电化装置和车间照明等方面的用电。

29. 农业用电，是指电力排灌、农副产品加工、畜牧业及农村生活与公用事业用电。 市政用电，是指市政交通、给排水、通讯、各种照明、以及家用电器等方面的用电。

30. 电力用户 交通运输用电，是指电气化铁道运输用电，它在一年内与一昼夜间用电都是比较均匀的，但在一日内由于火车启动总要出现多次短时间的剧烈高峰。

31. 二、电力系统负荷图 把电力系统中工、农业、市镇和交通运输用电在不同时间内对电力系统要求的出力叠加起来，再加上线损和厂用电，就得到了电力负荷随时间的变化线。电力负荷的变化程度与用户的性质和组成有关。 电力负荷 电力用户对电力系统中提出的出力要求

32. 电力负荷在一昼夜的变化过程线 日负荷图特征值： 日最大负荷 N" 日平均负荷 日负荷图 日最小负荷 N′

33. 为了表明日负荷图的变化特性以及便于比较各日负荷图，一般采用日平均负荷率和日最小负荷率两个特征指标值来表示日负荷特性。为了表明日负荷图的变化特性以及便于比较各日负荷图，一般采用日平均负荷率和日最小负荷率两个特征指标值来表示日负荷特性。 日平均负荷率： 在一个电力系统中，若耗电工业占的比重较大，一般日负荷在一日内的变化较均匀，γ往往较大；当系统照明负荷所占的比重较大时，γ 则较小。

34. 日最小负荷率： 峰谷差较小，日负荷较均匀时, β值较大，反之当峰谷差较大，日负荷不均匀时, β值较小。 利用日负荷图，可以比较合理地确定所设计水电站的装机容量、合理的工作位置和调节库容，以及一日内水量的分配等。

35. 电力负荷在一年内的变化过程线 月最大年负荷曲线，又称日最大负荷年变化曲线，它是月最大负荷日的最大负荷值的连线，它表示电力系统各月所需的工作容量。 1-月最大负荷曲线；2-月平均负荷曲线 年负荷图 月平均年负荷曲线，又称日平均负荷年变化曲线，它是各月各日平均出力的平均值的连线，此线下面所包围的面积即为系统一年内所需要的电量。 年负荷图

36. 三、电力系统的容量组成 电站装机容量 电站每台机组的额定容量（发电机铭牌出力）之和。 电力系统的装机容量（N装）即为所有电站装机容量的总和。 保证电力系统正常工作必不可少的容量。 必需容量（N必） 为提高水量利用率，在水电站多装一部分容量，利用弃水额外生产季节电能，节省火电站的燃料耗费。这部分容量并非保证电力系统正常工作所必须，称为重复容量（N重），又称季节容量。 电力系统装机容量（N装） 重复容量（N重）

37. 最大工作容量（N工） 备用容量（N备） 最大工作容量是为了满足电力系统的最大负荷要求而设置的容量，应等于月最大年负荷图中的最大负荷值。 必需容量（N必） 为了确保供电的可靠性和供电质量，除最大工作容量外，电力系统还需设置备用容量。

38. 其中： 为了满足系统短时超过设计最高负荷的跳动负荷的要求，应设置负荷备用容量（N负），其大小根据系统内负荷跳动较大的设备情况而定，控制在系统年最大负荷值的5%左右。 在电力系统中为代替突然发生事故的机组进行工作而设置的负荷，称为事故备用容量（N事），其大小控制在系统年最大负荷值的10%左右. 为了代替检修机组而专门设置的容量称为检修备用容量（N检），一般定期检修应尽量安排在系统负荷降低，出现容量空闲的时间进行，当无法安排时，才需要设置专门的检修备用容量。

39. 最大工作容量 负荷备用容量 必需容量 备用容量 事故备用容量 装机容量 检修备用容量 重复容量 容量组成 上述各种容量关系可用下式表示：　 N装= N必+N重=N工+N备+N重 =N工+ N负+ N事+ N检+N重 水电站必需容量是以设计枯水年（段）的来水情况作为计算依据的，因为遇到丰水年或者中水年，汛期即使以全部必需容量进行工作，水量仍会有富余。

40. 在运行阶段，系统和电站的装机容量已定，其最大容量并不是任何时刻全部都在发电，系统的备用容量和重复容量也不是经常被利用的，因此系统内往往有暂时闲置的容量，被称为空闲容量（N空），它是根据系统需要随时都可以投入运行的。在运行阶段，系统和电站的装机容量已定，其最大容量并不是任何时刻全部都在发电，系统的备用容量和重复容量也不是经常被利用的，因此系统内往往有暂时闲置的容量，被称为空闲容量（N空），它是根据系统需要随时都可以投入运行的。 当某一时期由于机组发生事故，或停机检修，或火电站因缺乏燃料、水电站因水量和水头不足等原因，使部分容量受阻不能工作，这部分容量称为受阻容量（N阻）。系统内除受阻容量以外的所有容量，称为可用容量（N可）。 从运行的角度来看，电力系统的容量可表示为： N装= N可+N阻=N工+N备+N空+N阻