第六章水電站及水庫的主要參數(shù)選擇

第一節(jié)概述第二節(jié)水電站裝機(jī)容量的選擇第三節(jié)以發(fā)電為主的水庫特征水位的選擇第一節(jié)概述水電站的設(shè)計(jì)參數(shù)主要指水電站的正常蓄水位、死水位和水電站的裝機(jī)容量，對(duì)有防洪任務(wù)的水庫，還包括防洪特征水位。參數(shù)選擇的意義參數(shù)選擇的一般程序：對(duì)大型水電站首先選定正常蓄水位，其次選定死水位，最后確定裝機(jī)容量。第二節(jié)水電站裝機(jī)容量的選擇影響裝機(jī)容量選擇的主要因素：電力系統(tǒng)的負(fù)荷；水電站在日負(fù)荷圖上的工作位置；設(shè)計(jì)水電站能量變化的特性；補(bǔ)充容量投資的影響。裝機(jī)容量選擇的根本依據(jù)：供電范圍；設(shè)計(jì)負(fù)荷水平年；水電站的徑流特性。根據(jù)水電站的水文條件、水庫的調(diào)節(jié)性能、電力系統(tǒng)的規(guī)模和特點(diǎn)及水電站在電力系統(tǒng)中的作用綜合研究確定。N裝=N必+N重=N工〞+N備+N重一、水電站最大工作容量確實(shí)定水電站最大工作容量：指設(shè)計(jì)水平年電力系統(tǒng)負(fù)荷最高〔一般出現(xiàn)在冬季枯水季節(jié)〕時(shí)水電站能擔(dān)負(fù)的最大發(fā)電容量。從可靠性方面，必須滿足電力系統(tǒng)的電力、電量平衡要求，即：N〞系=N〞水工+N〞火工E系保=E水保+E火保從經(jīng)濟(jì)性方面，應(yīng)使系統(tǒng)的計(jì)算支出最小。原那么：以水電站提供的保證電能為前提，使水電站的工作容量盡可能大。無調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定無調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量等于按設(shè)計(jì)保證率所求出的保證出力。假設(shè)設(shè)計(jì)枯水日的平均流量為Q設(shè)，相應(yīng)的日平均凈水頭為H設(shè)，那么無調(diào)節(jié)水電站的保證出力為：日調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定日調(diào)節(jié)水電站可以利用其調(diào)節(jié)日內(nèi)徑流的能力，使水電站的出力適應(yīng)日內(nèi)負(fù)荷變化的要求，考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性原那么，以保證電能為控制條件，讓水電站承擔(dān)系統(tǒng)峰荷，使水電站最大工作容量盡可能大。日調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定如果水電站下游河道有航運(yùn)要求或有供水任務(wù)，那么水電站必須有一局部工作容量擔(dān)任系統(tǒng)的基荷，保證在一晝夜內(nèi)下游河道具有一定的航運(yùn)水深或供水流量。設(shè)下游航運(yùn)或供水要求水電站在一晝夜內(nèi)泄出均勻流量Q基，那么水電站必須擔(dān)任的基荷工作容量為：年調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定主要取決于設(shè)計(jì)供水期內(nèi)的保證電能，為了滿足可靠性要求，水電站在供水期承擔(dān)的電能應(yīng)等于保證電能；為了滿足經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)使水電站最大工作容量盡可能大，供水期水電站應(yīng)盡可能在峰荷工作，所確定的水火電站工作容量之和應(yīng)等于系統(tǒng)的最大負(fù)荷，防止出現(xiàn)不必要的重復(fù)工作容量。年調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定〔1〕在水庫供水期，應(yīng)盡量使擬建水電站擔(dān)任系統(tǒng)的峰荷或腰荷。水電站最大工作容量↑，那么火電站的就↓，從而節(jié)省系統(tǒng)對(duì)電站的總投資。假設(shè)至少三個(gè)最大工作容量方案，定出各方案相應(yīng)的日電能量。〔2〕對(duì)每個(gè)方案供水期各個(gè)月份水電站的日電能量除以24小時(shí)，即得各個(gè)月份水電站的日平均出力。每月的平均小時(shí)數(shù)第1方案供水期第i月份的月平均出力〔3〕作出水電站各個(gè)最大工作容量方案與其相應(yīng)的供水期保證電能的關(guān)系曲線。然后根據(jù)式(6-11)所定出的水電站設(shè)計(jì)枯水年供水期的保證電能，即可從圖6-6求出年調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量。〔4〕在電力系統(tǒng)日最大負(fù)荷年變化圖上定出水、火電站的工作位置。兩者的交線為水平線，并由此作出系統(tǒng)出力平衡圖。年調(diào)節(jié)水電站的最大工作容量確實(shí)定的總結(jié)1.確定年調(diào)節(jié)水電站的保證出力和保證電能；2.作設(shè)計(jì)水平年電力系統(tǒng)的年最大負(fù)荷圖；3.假定假設(shè)干個(gè)(≥3)N〞水工方案；4.在系統(tǒng)的年最大負(fù)荷圖上按水平線劃分水、火電站的工作位置,相應(yīng)得到各方案各月的最大工作容量N"水工ij;5.作供水期各月典型日負(fù)荷圖及相應(yīng)的日電能累積曲線，求得N"水工ij對(duì)應(yīng)的日電能，進(jìn)而利用年平均負(fù)荷圖求出供水期的電能；6.作N"水工與相應(yīng)的E供保的關(guān)系線，由E供保可查得設(shè)計(jì)的最大工作容量。電力系統(tǒng)各種備用容量確實(shí)定負(fù)荷備用容量〔水〕：根據(jù)《水利水電工程水利動(dòng)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(SDJ11-77)》,一般采用系統(tǒng)最大負(fù)荷的5%左右，大型電力系統(tǒng)可采用較小值；事故備用容量〔水、火〕：一般采用系統(tǒng)最大負(fù)荷的10%左右，但不得小于系統(tǒng)中最大一臺(tái)機(jī)組的容量；檢修備用容量〔火〕：水電站每臺(tái)機(jī)組平均年方案檢修時(shí)間為10~15天，火電站15~30天。季節(jié)容量年利用小時(shí)數(shù)確定季節(jié)容量N季時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)季節(jié)用戶的特點(diǎn)，初步擬定設(shè)計(jì)水電站季節(jié)容量N季，并按日平均出力歷時(shí)曲線計(jì)算出相應(yīng)的季節(jié)電能E季。然后計(jì)算季節(jié)容量年利用小時(shí)數(shù)h季計(jì)=E季/N季，其判別式為h季計(jì)≥h季規(guī)。根據(jù)上述方法，求出季節(jié)容量(重復(fù)容量)后，即可初步確定水電站的裝機(jī)容量。電力系統(tǒng)中重復(fù)容量〔季節(jié)容量〕確實(shí)定水電站裝機(jī)容量確實(shí)定(一)按負(fù)荷要求確定裝機(jī)容量按負(fù)荷要求確定裝機(jī)容量的根本依據(jù)是電力電量平衡，即供需平衡。設(shè)計(jì)新水電站時(shí)，應(yīng)滿足電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)水平年對(duì)該電站在容量(電力)、電能(電量)方面的要求。

(二)裝機(jī)容量選擇的簡化方法1.裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)法：水電站的多年平均發(fā)電量除以裝機(jī)容量，即為裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)，簡稱年利用小時(shí)數(shù)，用h年表示。表示水電站機(jī)電設(shè)備利用率大小的指標(biāo)水電站裝機(jī)容量確實(shí)定水電站的多年平均年發(fā)電量與裝機(jī)容量存在著密切關(guān)系,先假定若干個(gè)裝機(jī)容量方案，算出每個(gè)方案的的平均年發(fā)電量，再利用上式計(jì)算各方案的年利用小時(shí)數(shù)，即可繪制N裝～h年的關(guān)系曲線。關(guān)鍵在于如何確定水電站的設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)，它的大小與地區(qū)的水力資源情況、系統(tǒng)負(fù)荷特性、系統(tǒng)內(nèi)水、火電站比重、水庫調(diào)節(jié)性能、水電站的運(yùn)行方式及綜合利用情況等因素有關(guān)，對(duì)于小型水電站，在2000～6000小時(shí)之間根據(jù)實(shí)際情況分析選定。水力資源豐富地區(qū)與水力資源缺乏地區(qū)相比，其h年設(shè)取較高值；有調(diào)節(jié)水庫的水電站比無調(diào)節(jié)水電站的h年設(shè)低，且調(diào)節(jié)性能越好，h年設(shè)越低；當(dāng)電力系統(tǒng)內(nèi)水電站較多且局部水電站調(diào)節(jié)性能較好時(shí)，那么新設(shè)計(jì)的水電站可擔(dān)負(fù)較均勻的負(fù)荷，其h年設(shè)取較高值；供工業(yè)用電較供農(nóng)副產(chǎn)品加工和照明用電的h年設(shè)高些；以灌溉為主的水庫，而水電站又僅用灌溉期水量發(fā)電時(shí)，h年設(shè)可以較低。水電站裝機(jī)容量確實(shí)定2.保證出力倍比法：根據(jù)水電站的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，不同特點(diǎn)的水電站，其保證出力與裝機(jī)容量之間具有較合理的比例關(guān)系，即N裝=CNp倍比系數(shù)，C=1.5～4.5原那么：水力資源豐富，水量年內(nèi)分配較均勻的地區(qū)，C取較小值，反之取大值；季節(jié)性用電多的地區(qū)，C取較大值，反之取較小值。水電站裝機(jī)容量確實(shí)定3.套用定型機(jī)組：小型水電站的機(jī)組設(shè)備應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)和供給情況，套用現(xiàn)成產(chǎn)品，確定水電站裝機(jī)容量。機(jī)組機(jī)型應(yīng)根據(jù)水能計(jì)算成果、樞紐或廠房布置，并考慮機(jī)組安裝臺(tái)數(shù)來確定。為保證水電站檢修方便，通常機(jī)組不應(yīng)少于兩臺(tái)，為保證運(yùn)行靈活可靠，管理方便，小型水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)不宜超過4臺(tái)。機(jī)組機(jī)型及臺(tái)數(shù)確定后，應(yīng)核定多年平均年發(fā)電量和年利用小時(shí)數(shù)。水電站裝機(jī)容量確實(shí)定【例】某地區(qū)為了解決照明及農(nóng)副產(chǎn)品加工用電問題，擬修建一座無調(diào)節(jié)水電站，確定上游水位Z上＝66m，下游水位(變化很小，視作常數(shù))Z下＝45m。根據(jù)水文資料條件，計(jì)算時(shí)段以月為單位。水電站處各設(shè)計(jì)代表年的月平均流量見下表。選定設(shè)計(jì)保證率為65%。試作該水電站的水能計(jì)算。代表年各月平均流量全年平均流量123456789101112豐水年0.901.051.354.203.605.203.154.352.401.801.300.652.50平水年0.600.561.101.602.305.003.002.051.701.751.050.501.77枯水年0.400.600.561.302.052.502.201.561.800.450.200.151.151〕保證出力的計(jì)算根據(jù)站址處3個(gè)代表年的月平均流量資料，以0.3m3／s為間隔進(jìn)行分組，計(jì)算各組流量的頻率(保證率)，列入表第(5)欄。以表中第(2)欄和第(5)欄數(shù)據(jù)繪成流量頻率曲線(見圖)。由水電站設(shè)計(jì)保證率P＝65%，查得保證流量QP＝1.15m3/s。流量分組分組平均流量出現(xiàn)次數(shù)累計(jì)出現(xiàn)次數(shù)頻率（1）（2）（3）（4）（5）5.20～5.495.35112.74.90～5.195.05125.44.60～4.894.75025.44.30～4.594.45138.14.00～4.294.151410.83.70～3.993.850410.83.40～3.693.551513.53.10～3.393.251616.22.80～3.092.951718.92.50～2.792.651821.62.20～2.492.3531124.71.90～2.192.0521335.11.60～1.891.7551848.61.30～1.591.4542259.51.00～1.291.1532567.60.70～0.990.8512670.30.40～0.690.5583491.90.10～0.390.2523697.3分組平均流量水頭H出力N=7.0QH出力差ΔN頻率P保證歷時(shí)t=8760P電量差ΔE=ΔN.t累積電量E裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)h年=E/N5.3521786.4544.12.723710431228769929095.0521742.3544.15.447320861227726930684.7521698.2544.15.447320861225640732324.4521654.1544.18.171031292223554634174.1521610.0544.110.894641722220425536133.8521565.9544.110.894641722216253338213.5521521.8544.113.5118352153212081140643.2521477.7544.116.2141962583206865843302.9521433.6544.118.9165673014200607546262.6521389.5544.121.6189283444193306149622.3521345.4544.124.7216495420184961753542.0521301.3544.135.13075135597175419758211.7521257.2544.148.64257187750161860062921.4521213.1544.159.55212229858143085067131.1521169.0544.167.65922261150120099271040.8521124.9544.170.3615827158093984375220.552180.8544.191.9805035502466826282650.252136.7536.7597.385233132383132388523根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，繪制N裝～E年和N裝～h年關(guān)系曲線。根據(jù)該水電站的特性，選用裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為4500小時(shí)，并由N裝～h年關(guān)系曲線查得裝機(jī)容量為460kW。參考附近工廠機(jī)組生產(chǎn)情況，選用兩臺(tái)250kW的機(jī)組，故最后確定水電站的裝機(jī)容量為250×2＝500kW。由N裝＝500kW，查N裝～E年關(guān)系曲線，求得該水電站的多年平均年發(fā)電量E年=212萬kW·h。

第三節(jié)以發(fā)電為主的水庫特征水位的選擇一、正常蓄水位的選擇正常蓄水位是水電站的一個(gè)重要參數(shù)。一方面，正常蓄水位的上下直接影響壩高和水庫淹沒范圍，另一方面，正常蓄水位的上下又決定水電站的水頭、出力和發(fā)電量，以及其它綜合效益。因此，正常蓄水位的選擇必須全面考慮，并通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的綜合分析論證而決定。擬定正常蓄水位方案時(shí)要考慮的因素：(1)壩址及庫區(qū)的地形地質(zhì)條件(2)庫區(qū)淹沒條件淹沒范圍大小常常是限制正常蓄水位的決定性因素。(3)水量利用程度和水量損失情況當(dāng)正常蓄水位到達(dá)一定高程后，水量利用已較充分，假設(shè)再抬高正常蓄水位，獲益就不大了，甚至可能因水庫蒸發(fā)和滲漏損失的增加而得不償失。(4)發(fā)電和其它綜合利用部門的最低要求這是興建水利樞紐的前提條件，它決定著正常蓄水位的下限。(5)其它限制條件如建筑材料和設(shè)備的供給、工程量、施工條件以及工程的總投資額等，也是限制正常蓄水位的重要因素。正常蓄水位Z蓄與水電站動(dòng)能指標(biāo)(保證出力NP，多年平均年發(fā)電量E年)和主要參數(shù)(裝機(jī)容量N裝)之間的關(guān)系如右圖所示。抬高正常蓄水位，水電站的保證出力、裝機(jī)容量和多年平均年發(fā)電量的絕對(duì)值也隨之增大，但其增長率那么越來越小。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面來看，抬高正常蓄水位，水電站的工程量、水庫淹沒損失、投資及年運(yùn)行費(fèi)等，不僅絕對(duì)值而且其增長率都是遞增的，正常蓄水位與水電站基建投資K和年運(yùn)行費(fèi)A之間的一般關(guān)系如右圖所示。上述關(guān)系說明，從動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較角度來看，正常蓄水位的抬高必有其經(jīng)濟(jì)上的極限值。因此，必須通過分析研究正常蓄水位的可能變動(dòng)范圍，擬定假設(shè)干個(gè)比較方案，分別確定各方案的水利動(dòng)能效益和工程經(jīng)濟(jì)方面的指標(biāo)，然后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較和綜合論證，才能選取最有利的正常蓄水位。選擇正常蓄水位的步驟和方法：(1)擬定水庫的消落深度；(2)對(duì)各個(gè)方案采用較簡比的方法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算；(3〕求出各個(gè)方案之間的水利動(dòng)能指標(biāo)的差值；(4)計(jì)算各個(gè)方案的水利樞紐各局部的工程量、各種建筑材料的消耗量以及所需的機(jī)電設(shè)備；(5)計(jì)算各方案的淹沒和浸沒的實(shí)物指標(biāo)和移民人數(shù)。(6)進(jìn)行水利動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算。二、死水位的選擇在正常蓄水位一定的條件下，死水位決定了水庫的消落深度(或稱工作深度)和調(diào)節(jié)庫容，并影響到水電站的利用水量和工作水頭。消落深度是指正常蓄水位至死水位間的深度。在正常蓄水位一定的條件下，水電站的利用水量總是隨著死水位的降低和調(diào)節(jié)庫容的加大而增加，但水電站的平均水頭卻隨著死水位的降低而減小。所以，對(duì)發(fā)電來說，考慮