水资源规划及利用

1. 水资源规划及利用 Integrated water resources planning 第十一讲 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 第四节 水电站在电力系统中的运行方式 第五节 无调节和日调节水电站的水能计算 第六节 年调节和多年调节水电站的水能计算

3. 第四节 水电站在电力系统中的运行方式 一、水、火电站的技术特性 我国各地区的电力系统中包括水电、火电、核电和抽水蓄能发电等多种形式。 在水能资源丰富的地区以水电为主； 煤炭资源丰富而水能资源相对贫乏处，以火电为主； 在水电资源和煤炭资源均较为贫乏的地区，可以考虑发展核电。 在火电、核电为主的电力系统中，当缺乏填谷调峰容量时，则考虑发展抽水蓄能电站。

4. 水电站的技术特性 调度复杂 技术特性主要体现 操作方便 单位电能成本低 （1） 天然径流量和水库调节能力的变化决定着水电站的出力和发电量的变化，这是水电站的重要特性之一。 水头也是影响水电站的重要指标。 水头过低（如洪水期下游水位太高或供水期上游水位太低） 水轮机不能按额定出力发电。 低水头径流式水电站和具有调节水库的中水头水电站，均可能因为水头不足出现水电站出力不足的情况。

5. （2）水电站的设备操作简便。 水电站机组具有启动迅速、增减负荷灵活、自动化程度高的特性, 从停机状态到满负荷运行仅需1~2min，并可以迅速改变出力的大小，以适应负荷的迅速变化，而且负荷变化并不引起水电站水量损失，因而水电站适宜担任电力系统的调峰、调频和事故备用等任务。 （3）水电站的建设地点受水能资源、地形、抵制条件的限制，需要一系列的挡水建筑物，水工建筑物挡水工程量大；一般又远离负荷中心地区，往往需要超高压、远距离输变电工程；同时水库的淹没损失一般较大，需要负担水库淹没迁移费用。

6. 水能是再生性能源，水电站年运行费用与所生产的电能量无关，其厂内用电也少，运行费用较低，而火电站生产电能要消耗相应燃料，厂内用电也大，其运行费用比水电站大得多，即水电站的单位电能成本比火电站低。因此，当水电站来水较丰时，应使其多发电，以减少火电站的煤耗，则经济上是十分有利的。水能是再生性能源，水电站年运行费用与所生产的电能量无关，其厂内用电也少，运行费用较低，而火电站生产电能要消耗相应燃料，厂内用电也大，其运行费用比水电站大得多，即水电站的单位电能成本比火电站低。因此，当水电站来水较丰时，应使其多发电，以减少火电站的煤耗，则经济上是十分有利的。

7. 火电站的技术特性 火电站的技术特性主要体现在定额出力工作、适宜担任系统的基荷、单位千瓦的投资低、单位发电成本较高等方面。 （1）火电站所用的燃料主要是煤、石油和天然气，只要燃料供应充足，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条件的限制。 （2）对燃煤式水电站常有技术最小出力限制，此最小出力一般不低于额定出力的70%左右，且燃煤式水电站机组启动比较费时，须先由冷状态达到热状态，其后的加载过程也比水电站慢的多.

8. （3）火电站的建设不像水电站那样受地形条件的限制，一般来说，只要有燃料和冷却水的地方都可以建造，火电站本身单位千瓦的投资比水电站的低。（3）火电站的建设不像水电站那样受地形条件的限制，一般来说，只要有燃料和冷却水的地方都可以建造，火电站本身单位千瓦的投资比水电站的低。 但如果考虑环境保护措施的费用并包括煤矿、铁路、输变电等工程的投资，则折合单位千瓦的火电投资，可能与水电（包括运输距离输变电工程）单位千瓦的投资相近。 　　同时，火电站必须消耗大量的燃料，且厂用电及运行管理人员较多，故火电站单位发电成本比水电站高。

9. 抽水蓄能电站 以电力系统低谷电能抽水,并以位能形式储存电能的水电站。 抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节作用。主要解决电力系统的调峰问题。 建筑物组成包括：上下两个水库，用引水建筑物相连，蓄能电站厂房建在下水库处，采用双向机组，完成抽水蓄能和放水发电两个过程。 抽水蓄能：系统负荷低时，利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上 库(电动机+水泵)， 以水的势能形式贮存起来； 放水发电：系统负荷高时，将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机) 发电，以补充系统中电能的不足。

10. 峰荷 腰荷 基荷 无调节水电站在日负荷图上的工作位置 二、水电站在电力系统中的运行方式 （一）无调节水电站运行方式 无调节水电站在一个水文年度内不同时期运行方式变化不大。无调节水电站任何时刻的出力主要决定于河中天然流量的大小。 在枯水期，天然流量一日内变化很小，在全部枯水期内变化也不大，因此无调节水电站在枯水期应担任系统日负荷图的基荷。 丰水期，只有当天然流量所产生的出力大于系统的最小负荷时，水电站才担任一部分腰荷，这时还会产生弃水。

11. 无调节水电站在不同的水文年度内运行方式不同。无调节水电站的最大工作容量，一般是按照设计保证率的日平均流量定出的。无调节水电站在不同的水文年度内运行方式不同。无调节水电站的最大工作容量，一般是按照设计保证率的日平均流量定出的。 在设计枯水年的枯水期，水电站以最大工作容量或大于最大工作容量的某个出力运行，和其他电站联合供电以满足系统最大负荷的要求。 在丰水期内，无调节水电站即使以其全部装机容量运行，有时仍不免有弃水。 丰水期 无调节水电站设计枯水年在系统中的工作情况

12. 在丰水年，可能全年内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，即使这样运行，可能全年均有弃水，丰水期内弃水尤多 无调节水电站丰水年在系统中 的工作情况

13. 日调节水电站除弃水期外，在任何一日内所能产生的电能量与该日天然来水量（扣除其他水利部门用水）所能发出的电能量相等。即日调节水电站的日发电量完全取决于当日天然来水量的多少，由于一年内不同季节来水量变化很大，因而日发电量变化也很大。日调节水电站除弃水期外，在任何一日内所能产生的电能量与该日天然来水量（扣除其他水利部门用水）所能发出的电能量相等。即日调节水电站的日发电量完全取决于当日天然来水量的多少，由于一年内不同季节来水量变化很大，因而日发电量变化也很大。 （二）日调节水电站运行方式 水电站装机容量已定的情况下，为了充分利用河水流量，避免弃水,日调节水电站在电力系统负荷图上的工作位置应随着来水的变动进行相应的调整。

14. 水电站在枯水期的工作位置是以最大工作容量担任系统的峰荷。水电站在枯水期的工作位置是以最大工作容量担任系统的峰荷。 当丰水期开始时，水电站工作位置逐渐下降到腰荷与基荷。 当进入汛期时候来水量充沛，水电站全部装机容量投入到基荷运行。 日调节水电站在设计枯水年的运行方式

15. （三）年调节水电站运行方式 不完全年调节水电站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。 年调节水电站设计枯水年在年负荷图上的工作位置

16. 在丰水年，在供水期内，可担任系统负荷图的部分基荷和腰荷，以增加发电量。在丰水年，在供水期内，可担任系统负荷图的部分基荷和腰荷，以增加发电量。 在弃水期，水电站则应以全部装机容量在基荷位置工作。 水库进入蓄水期后，水电站可尽早将其位置移至基荷部分。 年调节水电站丰水年在年负荷图上的工作位置

17. （四）多年调节水电站运行方式 多年调节水库一般总是同时进行年调节和日调节。因此，其径流调节程度和水量利用率都比年调节水库的大。多年调节水库在一般年份内只有供水期与蓄水期，水库水位在正常蓄水位与死水位之间变化。 只有在遇到连续丰水年的情况下，水库才会蓄满，并可能发生弃水。当出现连续枯水年时，水库的多年库容才会放空，发挥其应有的作用。 多年调节水电站一般年份 在电力系统中的运行方式

18. 第五节 无调节和日调节水电站的水能计算 无调节 水电站 如果水电站上游没有水库或库容很小，不能对天然来水过程进行调节，则该水电站称为无调节水电站。 无日调节池的引水道式水电站、无调节库容的河川径流式水电站以及某些多沙河流上水库被淤积不能再进行调节的水电站均属于无调节水电站。 无调节水电站的由于没有水库的调节因而工作方式最为简单，在任何时刻的出力均取决于河道中当时的天然流量和电站水头，而且各时段的出力彼此无关。

19. 日调节水电站 如果水电站能够利用水库（或日调节池）的调节库容使天然来水在一昼夜24小时内重新分配，即把低谷负荷时多余的水量蓄积起来，供高峰负荷时用，这样的水电站，称为日调节水电站。 日调节水电站能充分利用一天的来水量，又能适应负荷变化的需要，其每天的发电量或日平均出力只取决于当日的来水，完成日调节所需要的库容并不是很大。 因此，在可能条件下，都应争取修建成日调节水电站。

20. 一、保证出力的计算 流量计算：当无调节水电站主要靠天然流量来发电，若上游有其他需水部门取水，则应将这部分流量从天然来水中扣除。 水头计算：因上游水位为已知的正常蓄水位，基本上保持不变，只有在遇到泄洪时才会出现相应的水位超高，故一般采用水库或压力前池的正常水位作为上游水位。下游水位则与下泄流量有关，可从下游水位流量关系曲线中查得。

21. 无调节水电站的计算时段取“日”，水电站的保证出力是指相应于设计保证率的那一个日的水流平均出力，它是水电站的主要动能指标之一。无调节水电站的计算时段取“日”，水电站的保证出力是指相应于设计保证率的那一个日的水流平均出力，它是水电站的主要动能指标之一。 无调节水电站的设计保证率常用按相对历时计算的历时保证率P历时表示。根据径流资料情况和对计算精度的要求，无调节水电站保证出力的计算方法采用长系列法或代表年法。

22. 长系列法 当水电站取水断面处的径流系列较长，且具有较好的代表性时，可采用长系列法。 思路： 1. 逐日计算水电站的日平均出力； 2. 将日平均出力按大小排列，按经验频率公式计算日平均出力的频率； 3. 绘制日平均出力频率曲线； 4. 由已选定的设计保证率在曲线上查得保证出力

23. 简便算法 由大到小将日平均流量分组，并统计其出现日数和累计出现日数，再按分组流量的平均值来计算出力和推求保证出力。

24. 出力公式 式中： Q电— 发电日平均流量，m3/s，等于分组日平均流量减 去其他综 合利用部门自水库引走的流量和水库（或渠道）的损失流量； H净— 净水头m，等于上下游水位差扣除水头损失，即

25. 代表年法 在规划及初步设计阶段，一般选3个设计代表年来进行计算，既设计枯水年、设计平水年和设计丰水年。水能计算时通常按照年水量或按枯水期水量来选择设计代表年。 当径流年内分配较均匀时可按年水量选择设计代表年 当径流年内分配不均匀时则按枯水期水量选择设计代表年 计算保证出力时，将3个设计代表年的日平均流量统一进行分组，并统计其各组流量出现的日数和累积出现日数，然后按与长系列法相同的步骤来计算保证出力。

26. 计算方法类似，应用公式计算 无调节水电站和日调节水电站保证出力计算的区别 无调节水电站：上游水位等于正常蓄水位 日调节水电站：因进行日调节，上游水位在死水位和正常蓄水位之间变化，一昼夜完成一个调节循环。所以上游水位的确定通过估算确定： 由 V=V死+0.5V调 查Z~V曲线得Z

27. 二、多年平均发电量的计算 多年平均 发电量 水电站年发电量的多年平均值 无调节水电站的多年平均年发电量，可利用已绘出的日平均出力历时曲线求得。 曲线以下与纵横坐标之间所包围的面积，即为天然水流的多年平均年发电量,受装机容量的限制

28. 算出不同装机容量方案下相应的多年平均年发电量，再绘制成关系曲线，待装机容量确定后，即可在关系曲线上查得水电站的多年平均年发电量。算出不同装机容量方案下相应的多年平均年发电量，再绘制成关系曲线，待装机容量确定后，即可在关系曲线上查得水电站的多年平均年发电量。 关系曲线

29. 在完全缺乏水文资料的情况下，可用下式粗估水电站的 。 式中： α——径流利用系数，表示发电用水与天然来水量的比值，可参考临近相似水电站的径流利用情况选定； ——多年平均流量；

30. 例题 某地区为了解决照明及农副产品加工电问题，拟建一座无调节水电站，确定上游水位Z上 =66m，下游水位（变化很小，视作常数）Z下 =45m。根据水文资料条件，计算以月为单位。水电站处设计代表年的月平均流量见下表。选定设计保证率为65%。试做该水电站的水能计算。

31. 1.保证出力的计算 根据站址处3个代表年的月平均流量资料，以0.3m³/s 为间隔进行分组，计算各组流量的频率，列入表中第（5）栏。以表中第（2）栏和第（5）栏数据绘制成流量频率曲线。

32. 1.保证出力的计算 由保证率P=65%，查得保证流量Qp=1.15m3/s。 设计水头H=Z上-Z下=66-45=21m 因此，保证出力N=AQH=7.0*1.15*21=169KW

33. 根据流量频率计算成果，列表计算如上，并根据表中数据，绘制 关系曲线。根据水电站装机容量特性确定其装机容量后，查 关系曲线得多年平均发电量。 2.多年平均发电量的确定

34. 第六节 年调节和多年调节水电站的水能计算 年调节水电站 在一年内，能够将丰水期多余的水量蓄存在水库中，到枯水期放出来发电，以提高枯水期的发电流量，满足用电部门的需要，即对天然径流过程在一年内进行重新分配的水电站。

35. 不蓄不 供期 蓄水期 弃水期 一、年调节水电站保证出力的计算 供水期 以发电为主的年调节水库在一个调节年度内可分成四个期： 年调节水电站的保证出力是指相应于设计保证率的那一个供水期的平均出力，与此保证出力相应的供水期发电量就是保证电量。这里，设计保证率采用年保证率。

36. 在年调节水库正常蓄水位和死水位一定的情况下，年调节水电站保证出力的计算方法，通常采用长系列法或代表年法。在年调节水库正常蓄水位和死水位一定的情况下，年调节水电站保证出力的计算方法，通常采用长系列法或代表年法。 长系列法 是利用坝址断面处已有的全部径流资料系列，通过径流调节算出每年供水期的平均出力; 然后将这些出力按大小排列，进行频率计算，绘出年供水期平均出力的频率曲线; 则该曲线上相应于设计保证率的年供水期平均出力，就是年调节水电站的保证出力。

37. 代表年法 由于年调节水电站能否保证正常供电主要取决于枯水期，所也可以用相应设计保证率的典型枯水期的平均出力，作为年调节水电站的保证出力。 在实际水文系列中，往往可能遇到有一些枯水年份的水量虽然十分接近，但因年内水量分配不同，其枯水期平均出力相差较大，因而当水库以发电为主时，水电站的保证出力是指符合水电站设计保证出力要求的枯水年供水期的平均出力。

38. 目前多用等流量法进行调节计算，亦即先求出供水期的平均调节流量QP。按此流量求出各月出力，再以各月出力的平均值作为年调节水电站的保证出力。目前多用等流量法进行调节计算，亦即先求出供水期的平均调节流量QP。按此流量求出各月出力，再以各月出力的平均值作为年调节水电站的保证出力。 供水期的发电用水为水库兴利库容的蓄水量加上供水期天然来水量并扣除水量损失和从库区引走的水量，即 式中：Qp ——水电站枯水代表年供水期的调节流量（m³/s); W供——供水期天然来水量（m³）； V兴——水库兴利库容（m³）； W损——水量损失（m³）； W引——从库区引走的水量（m³） T供——供水期历时（s）

39. 若不考虑水量损失且库区无引水，则上式可简化为：若不考虑水量损失且库区无引水，则上式可简化为： 必须注意 供水期是指天然流量小于调节流量的时期，在求出天然流量之前，需先假定供水期，按上面公式通过试算求Qp，直到计算出的Qp都大于假定的供水期的天然来水量为止。 在求出Qp 后，只算出水电站在供水期的平均年水头Hp ，用公式Np =AQpHp 直接计算年调节水电站的保证出力。

40. 二、多年调节水电站保证出力的计算 多年调节水电站保证出力的计算方法与上述年调节水电站的保证出力的计算方法基本相同。可对实测长系列水文资料进行兴利调节与水能计算求得。 简化计算时，一般是在全部水文资料系列中选取一个枯水代表组。当水库蓄满后出现的枯水年组不止一个时，通常是选最枯的一组，作为枯水代表年组，当不考虑从库区引水和忽略水库水量损失时，调节流量的计算公式为

41. 同时求出枯水代表年组的供水期的平均库容 及其相应的供水期平均库水位； 根据Q调 查下游水位流量关系曲线求出供水期下游平均水位，从而可求的平均发电水头 进而可以求出水电站供水期的平均出力

42. 三、年调节水电站多年平均发电量的计算 在规划设计阶段，当比较方案较多时，只要不影响方案的比较结果，常采用比较简化的方法，如平水年法、三个代表年法，有条件时，也可用长系列法。 平水年法：选择一个平水年作为设计代表年，计算各月平均出力，当出力大于水电站装机容量时，以装机容量作为平均出力值，将各月出力乘以月小时数，得月发电量，求和即得多年平均年发电量。 三个代表年法：选择丰、平、枯三个代表年，求出三个代表年的发电量，然后加以平均，即得到多年平均年发电量。 长系列法：对全部水文资料逐年逐月进行水能计算，得各年的发电量。计算各年发电量的平均值得到多年平均年发电量。

43. 四、多年调节水电站的多年平均发电量的计算 在求多年调节水电站的多年平均发电量时，不宜采用一个平水年或几个典型代表年，而应采用设计水平年系列，即选用某一连续水文年组（一般由十几年的水文系列组成）代表长系列。要求该连续水文年组的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。

44. 设计水文年系列满足条件 （1）设计水文年系列内应包括丰、平、枯三种水量的年份； （2）设计水文年系列的年径流均值和Cv 应与多年系列的均值和Cv 基本相等； （3）设计水文年系列内水库要完成一次以上的调节周期，即水库至少要蓄满一次和放空一次。

45. 例题 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，库区无其他部门引水。设计枯水代表年月平均流量资料如表第（1）、（2）栏所示。试求该水电站的保证出力（出力系数A=7.0）。

46. 某河年调节水电站设计枯水年出力计算表 供水期为五个月的天然来水量和调节流量分别为： W供=（2.00＋2.05＋0.85＋1.50＋2.8) ×30.4×24×3600 =2416×104 m3 按等流量调节，先假定供水期为10～2月，供水期为五个月的天然来水量和调节流量

47. 某河年调节水电站设计枯水年出力计算表 此流量与天然来水比较，发现9月份流量小于Qp （4.24）， 应重新计算供水期为9～2月共六个月的天然来水量和调节流量：W供=3309×104m3

48. 某河年调节水电站设计枯水年出力计算表 设3～8月为蓄水期，蓄水期亦按等流量调解，其调节流量为 7-8月均使=6.39 m3/s，以免弃水。 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填入表第（3）栏供水月份内。

49. 某河年调节水电站设计枯水年出力计算表 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: