水電站工程水能的計(jì)算方法研究

水電站工程水能的計(jì)算方法研究

黃鳳崗

(臨滄市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 臨滄677000)

【摘要】水能是指水流在某一時(shí)段里所能夠做的功。水能計(jì)算的任務(wù)是確定水電站工程的保證出力、多年平均發(fā)電量等水電站的功能指標(biāo)，選定裝機(jī)容量等水電站工程參變數(shù)。水電站工程保證出力的計(jì)算方法有兩種：長系列法和代表年法，可依據(jù)徑流資料情況與計(jì)算精度的要求來選擇；裝機(jī)容量應(yīng)該根據(jù)用電負(fù)荷要求、河流來水量等條件經(jīng)濟(jì)合理確定。

【關(guān)鍵詞】水電站；水能；計(jì)算方法

中圖分類號：TV72

Research of hydro-energy calculation method in hydropower station project

HUANG Fenggang

(LincangWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Lincang677000,China)

Abstract:Hydro-energy refers to work that is made by water flow within certain period of time. Hydro-energy is calculated aiming at determining hydropower station project firm capacity, average power generation for many years and other function indicators of hydropower station, selected parametric variable such as installed capacity in hydropower projects. Hydropower station firm capacity can be calculated according to two methods: long series method and representative year method. The method can be selected according to runoff data and calculation accuracy, and installed capacity can be economically and rationally determined according to power load requirement, river inflow capacity and other conditions.

Key words: hydropower station; hydro-energy; calculation method

1水利計(jì)算

隨著水利工程建設(shè)的開展，人們更加重視水利工程技術(shù)的研究。水利計(jì)算是水利學(xué)的一個(gè)組成部分，它是水資源系統(tǒng)開發(fā)和治理中對于河流等水體的水文情況、國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)用水需求、徑流調(diào)節(jié)方式與經(jīng)濟(jì)論證等開展分析計(jì)算[1]。水利計(jì)算的目的是為建筑物工程的設(shè)計(jì)與設(shè)備工作狀態(tài)的選擇提供數(shù)據(jù)，以便確定建筑工程的規(guī)模與設(shè)備的運(yùn)行規(guī)程；此外，水利計(jì)算也可以對各種水資源工程的投資和效益、用水單位正常工作的保證程度和工程修建的后果等作經(jīng)濟(jì)分析、綜合論證提供定量分析的依據(jù)。水利計(jì)算主要包括水電站的水能計(jì)算、灌溉工程的興利計(jì)算、水庫防洪計(jì)算以及綜合利用水庫的水利計(jì)算等。

2水電站工程水能計(jì)算的基本概念

2.1水電站工程

水電站工程的作用主要是利用水能來生產(chǎn)電能，其類型較多，包括無調(diào)節(jié)水電站、日調(diào)節(jié)水電站、年調(diào)節(jié)水電站和灌溉庫區(qū)水電站等。由于水電站上游沒有水庫或者水庫庫容很小，難以對天然來水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)的水電站，稱為無調(diào)節(jié)水電站；而利用水庫(或日調(diào)節(jié)池)的調(diào)節(jié)庫容使天然來水在一晝夜內(nèi)重新分配，即把低谷負(fù)荷時(shí)多余的水量積蓄起來，以供高峰負(fù)荷時(shí)使用，這樣的水電站稱為日調(diào)節(jié)水電站；同理，年調(diào)節(jié)水電站是調(diào)節(jié)全年度來水以重新分配的；本著一庫多用和一水多用的精神，一些蓄水灌溉的水庫，以灌溉為主結(jié)合發(fā)電，這些水電站稱為灌溉水電站，它是農(nóng)村小型水電站的常見類型。如果按照開發(fā)方式來區(qū)分，水電站又可以分為壩式、引水式和混合式。

2.2水能計(jì)算的基本概念

圖1　河段縱斷面剖面

設(shè)計(jì)水電站，首先需要了解天然河流可以利用的能量與功率的大小，然后才能有針對性地設(shè)計(jì)水電站的出力與發(fā)電量。我們所說的水能，就是指水流在某一時(shí)段里所能夠做的功，在單位時(shí)間里水能所做的功被稱為水流功率N(kW)[2]。為了計(jì)算水流的能量與功率，先取天然河道中一個(gè)河段分析，見圖1。根據(jù)水力學(xué)的伯努利方程，水體W在Δt時(shí)間內(nèi)從斷面1-1到斷面2-2所消耗的能量為

(1)

其中

式中z——斷面的水面高程，m；

p/γ——水面壓力水頭，m；

α——斷面流速不均勻系數(shù)；

v——斷面平均流速，m/s；

γ——水的容重；

g——重力加速度，m/s2；

W——在時(shí)間t內(nèi)流過河段的水體積，m3。

天然河道的水流可近似看作均勻流，在此情況下，可以認(rèn)定

則式(1)可以寫作

(2)

式(2)表示水體W在時(shí)間t內(nèi)經(jīng)過斷面1-1到斷面2-2所消耗的水能，即水流的做功。根據(jù)水流功率定義，可以知道

(3)

式(3)計(jì)算水流功率的單位是kgf ·m/s,因1kW=102kgf ·m/s,則

(4)

通過式(3)、式(4)計(jì)算得到的水流功率為水流在天然情況下的功率，稱為理想功率。但是水流通過水電站引水建筑物工程到水輪機(jī)，并經(jīng)過尾水管排到下游河道的過程中，會產(chǎn)生各種水頭損失ΔH；同時(shí)，水電站的總效率η與水輪機(jī)效率η水機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備效率η傳動(dòng)、發(fā)電機(jī)的效率η電機(jī)有關(guān)，即η=η水機(jī)η傳動(dòng)η電機(jī)，則水電站實(shí)際功率(簡稱為水電站的出力)為

(5)

令A(yù)=0.98η，A為出力系數(shù)，小型水電站的A=6.5～7.5。

水電站在t(t1-t2)時(shí)段內(nèi)所發(fā)出的電能，稱為這一時(shí)段的發(fā)電量，計(jì)算公式如下

(6)

3水電站工程的水能計(jì)算方法研究

在水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì)期間，必須進(jìn)行水能計(jì)算，它是關(guān)系到工程建設(shè)全局的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。水能計(jì)算的任務(wù)是確定水電站工程的保證出力、多年平均發(fā)電量等水電站的功能指標(biāo)，選定裝機(jī)容量、正常蓄水位等水電站工程參變數(shù)，以便掌握水電站參變數(shù)與功能指標(biāo)之間的關(guān)系。其目的是便于開展多方案的比較，分析各設(shè)計(jì)方案的水電站經(jīng)濟(jì)效益，以選擇經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，并在水電站運(yùn)行期間，確定水電站的最佳運(yùn)行方式。

3.1水電站工程保證出力的計(jì)算方法

水電站工程的保證出力是指相應(yīng)于設(shè)計(jì)保證率的水流平均出力，它是水電站工程的主要?jiǎng)幽苤笜?biāo)之一[3]。我們以無調(diào)節(jié)水電站為例來分析其計(jì)算方法。無調(diào)節(jié)水電站的設(shè)計(jì)保證率可用P歷時(shí)表示。無調(diào)節(jié)水電站工程的保證出力的計(jì)算方法有兩種：長系列法和代表年法，可依據(jù)徑流資料情況與計(jì)算精度的要求來選擇。當(dāng)水電站工程取水?dāng)嗝嫣幍膹搅飨盗休^長，且具有較好的代表性時(shí)，一般采用長系列法，這時(shí)計(jì)算得出的結(jié)果精度較高。下面詳細(xì)研究長系列法的計(jì)算方法。長系列法先根據(jù)已有的水文系列，取日為計(jì)算時(shí)段，逐日計(jì)算水電站的日平均出力，再把日平均出力按照大小排列，按常用的經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算日平均出力的頻率(或保證率)，然后繪制出相應(yīng)的保證出力頻率曲線備查。為簡化計(jì)算，可由小到大將日平均流量分組，并統(tǒng)計(jì)出其出現(xiàn)日數(shù)和累積出現(xiàn)日數(shù)，再按照分組流量的平均值來計(jì)算出力與推求保證出力。出力的計(jì)算式為

(7)

式中Q電——發(fā)電日平均流量，m3/s，等于分組日平均流量減去其他綜合利用部門自水庫引走的流量與水庫的損失流量；

H凈——凈水頭，m，等于上下游水位差減去水頭損失，即H凈=Z上-Z下-ΔH。

下面以湖南省湘潭市的湘林水電站為研究對象，介紹其出力的計(jì)算方法。湘林水電站位于湘江支流，屬于無調(diào)節(jié)水電站，采用長系列法計(jì)算出力，計(jì)算結(jié)果見下表。除了長系列法外，為了簡化過程，也可以采用代表年法計(jì)算，即選擇設(shè)計(jì)代表年進(jìn)行計(jì)算。在規(guī)劃與初步設(shè)計(jì)階段，一般是選擇三個(gè)設(shè)計(jì)代表年來計(jì)算，這三個(gè)代表年分別是設(shè)計(jì)枯水年、設(shè)計(jì)平水年和設(shè)計(jì)豐水年。其水能計(jì)算通常是按照年水量或枯水期水量來選擇設(shè)計(jì)代表年。但是按照年水量選擇設(shè)計(jì)代表年的最大缺點(diǎn)是沒有考慮到徑流年內(nèi)分配的特性。因?yàn)槟晁糠显O(shè)計(jì)保證率的枯水年份，其枯水期水量卻可能出現(xiàn)偏大、偏小的情況。如果使用這樣的枯水年去求水電站的保證出力，必然會得到偏大或偏小的結(jié)果。因此，只有在徑流年內(nèi)分配較穩(wěn)定的河流，才以年水量為主來選擇設(shè)計(jì)代表年[4]。另外，日調(diào)節(jié)水電站工程保證出力的計(jì)算方法基本與無調(diào)節(jié)水電站工程的計(jì)算方法相同，只不過日調(diào)節(jié)水電站工程的上游水位應(yīng)該是以日調(diào)節(jié)庫容的一半查庫容曲線得出的水位為準(zhǔn)。

湘林水電站出力計(jì)算表

3.2水電站工程多年平均年發(fā)電量的計(jì)算方法

圖2　日平均出力歷時(shí)曲線

3.3裝機(jī)容量的計(jì)算方法

裝機(jī)容量的選擇，應(yīng)該根據(jù)用電負(fù)荷要求、河流來水量等條件經(jīng)濟(jì)合理確定。

a.按照負(fù)荷要求確定裝機(jī)容量。根據(jù)電力電量平衡原理，設(shè)計(jì)新水電站時(shí)，應(yīng)滿足電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)水平年對該水電站在電力容量與電能方面的要求。無調(diào)節(jié)水電站在設(shè)計(jì)枯水日之內(nèi)按不變的保證流量Qp放水發(fā)電，因此其在日負(fù)荷圖及年負(fù)荷圖上的最優(yōu)工作位置應(yīng)該是基荷，這樣才能充分利用水力資源[5]，即無調(diào)節(jié)水電站的最優(yōu)工作容量就等于其保證出力，亦即N″工=Np。無調(diào)節(jié)水電站為了充分利用豐水季或豐水年的水量，通常裝設(shè)一部分重復(fù)容量(季節(jié)容量)。季節(jié)容量可通過各種方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性論證，一般也可采用較為簡單的季節(jié)容量年利用小時(shí)數(shù)法確定。

用季節(jié)容量年利用小時(shí)數(shù)確定季節(jié)容量N季，首先要根據(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)容量利用小時(shí)數(shù)h季，計(jì)：

式中h季，規(guī)——季節(jié)容量年利用小時(shí)數(shù)的規(guī)定值。

根據(jù)上述方法，求出最大工作容量和季節(jié)容量后，即可初步確定無調(diào)節(jié)水電站的裝機(jī)容量：

(8)

再經(jīng)過機(jī)組機(jī)型選擇，就可以確定無調(diào)節(jié)水電站的裝機(jī)容量。

(9)

h年是表示水電站機(jī)電設(shè)備利用率大小的指標(biāo)。在一年內(nèi)，h年較大則機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長，較小則機(jī)組運(yùn)行時(shí)間短。可根據(jù)供電對象電力需要的特點(diǎn)及地區(qū)水利資源多少的具體條件，預(yù)先選定水電站應(yīng)達(dá)到的年利用小時(shí)數(shù)，然后計(jì)算裝機(jī)容量N裝：

(10)

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，計(jì)算出每個(gè)方案的平均年發(fā)電量；再利用式(10)計(jì)算每一個(gè)方案的年利用小時(shí)數(shù)，即可繪制出N裝—h年關(guān)系曲線，然后按照選定的設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)h年，設(shè)就可查出水電站應(yīng)有的裝機(jī)容量N裝，設(shè)。

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