水文与水资源工程毕业设计.docx
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水文与水资源工程毕业设计
郑州大学毕业设计（论文）
题目：
径流式水电站水能计算
指导教师：
原文林职称：
讲师
学生姓名：
****学号：
************
专业：
水文与水资源工程
院（系）：
水利与环境学院
完成时间：
2013年5月25日
2013年5月25日
摘要
我国幅员辽阔，水资源与水能资源蕴藏丰富。
我国的径流式水力资源分布广泛，但是分布不均匀，不同的地方具有不同的开发条件。
受到地理位置不同的限制径流条件差异很大。
对于南方河流径流量大，泥沙含量较少；而对于北方河流径流量较小，水中含沙量较大。
这就为径流式水电站的水能计算增加了难度，本论文以灵宝市清源电站水能计算为例，对径流式水电站水能计算方法进行研究分析，该论文所取得的成果如下：
（1）根据窄口水库的旬径流量系列，利用水文比拟法得出清源电站的旬流量资料。
（2）分别采用面积比法、水电站径流计算简捷算法以及列表法，计算得出相应的设计流量、装机容量、平均发电量。
（3）考虑水轮机价格、发电利用效率等水电站经济指标，确定出最佳的发电设计流量、装机容量以及平均发电量。
关键词：
径流式水电站；水能计算；经济评价。
ABSTRACT
China'svastterritory，andrichinwaterresourcesandhydropowerresources.Chineserunoffwaterresourcesarewidelydistributed.Buttheunevendistributionofdifferentplaceswithdifferentdevelopmentconditions.Runoffconditionsvarygreatlysubjecttodifferentgeographicalrestrictions.FortheSouthriver,theirrunoffisvolume,andhasalowsedimentcontent;whilethenorthernriverhasasmallerrunoff,andthewatersedimentisbigger.Andthispowerstationinhydropowermakerunoffcalculationsmoredifficult,thisthesislettheLingbaoQingyuanHydroEnergycalculatedasaexample,makeaanalysisforhydropowerstationonrunoffcalculationmethod.Theoutcomeofthepaperisasfollows:
（1）AccordingtotheZhaiKoureservoirrunoffseries,obtainedusinghydrologicalsimulationmethodgettheQingyuanpowerstation'slatetrafficdata.
（2）Usethearearatiomethod,hydropowerrunoffcalculationalgorithmandthelistofasimplemethod,calculatedthecorrespondingdesignflowcapacity,theaveragegeneratingcapacity.
（3）Considertheturbine'sprices,hydroelectricpowergenerationefficiencyandothereconomicindicators,todeterminethebestdesignflowgeneration,installedcapacityandtheaveragegeneratingcapacity.
Keywords:
Run-off-station;waterpowercalculation;economicevaluation.
1绪论
1.1论文选题的背景及研究的目的和意义
水能计算是指在不同水文情况下,针对工程设计不同的参数条件,计算水电站的能量指标,即水电站的保证出力和多年平均发电量等。
水能计算贯穿于水电站规划设计、运行管理、增容改造的整个过程中，其计算成果为电站的方案设计比较及装机容量确定等提供重要依据。
但由于来水资料的不确定性和水文资料长系列性，致使水能计算复杂繁琐。
水能计算一般与水能的调节性能有关,有调节性能和无调节性能的水电站的水能计算方法是不同的。
论文所选题目即是无调节性能的径流式水电站水能计算，其主要依靠天然来水发电。
目前相应的径流式水电站水能计算方法主要有合轴图解法［１］、基本曲线法［２］、应用图表法［３］、时历法［４］等。
上述水能计算方法虽均具有较高的计算精度，但存在工作量大、计算时间长、过程较繁琐、无较强的针对性等不足。
我国小水电资源十分丰富，技术可开发量达1．28亿kW。
目前，大陆地区已建成小水电站45000多座，装机容量5100多万kW。
小水电遍及全国1/2的地域、1/3的县市，使3亿多无电人口用上了电。
小水电在解决农村用电、带动农村经济社会发展、改善农民生产生活条件、促进节能减排等多方面发挥了重要作用。
本论文就是根据清源电站的资料，对其进行电站的设计，介绍该类径流式水电站的水能计算方法。
径流式水电资源丰富，中国对径流式水电站的开发利用还需要更深一步。
本次的径流式水电站的水能计算方法的设计，即是对径流式水电站水能计算的方法进行分析筛选，选择合适的方法。
与此同时，在设计的时候都要综合考虑各种的标准指标，以达到经济效益、生产效益、环境效益统一兼顾的目的。
1.2水能计算方法简介
目前水能计算的方法很多,如快速水能规划法、基本曲线法、最优化数学模型、图解法、简化等流量法等。
快速水能规划法是通过水库来水的指数概化模型,将常系列逐时段的水能计算化为一次调蓄计算并通过有效的调配系数法调整概化误差达到精度要求的快速水能计算方法；基本曲线法是根据参证水文站的日平均流量保证率基本曲线,基本流量和年利用小时数关系曲线来进行水能计算；最优化数学模型是针对梯级电站的龙头电站提出的,在枯水期满流量、满出力进行梯级补偿的一种过程,是等流量或等出力的一种特殊情况；通用图解法是在缺乏资料的情况下,采用参证站的已有资料得出流量和水头、保证出力关系曲线,然后利用水电站的已知资料查曲线进行求解,通用求解法直观简单、能减少工作量,也能保证一定的计算精度；简化等流量法将每年的整个供水期作为一个计算时段,推求出调节流量、保证出力和装机容量的计算公式的水能计算。
对于本课题所要计算的清源电站的具体情况，水头固定。
为计算其水能，可以采用面积比法、计算水能系数的简捷算法和基本的列表法，然后进行比较找出合适的装机容量。
1.3本章小结
本章首先对本课题的研究方法，研究目的与意义。
然后对水能计算的方法进行了简单的介绍，同时指出本论文所要采用的方法：
列表法、面积比法和计算水能系数的简捷算法。
为本论文指出来计算分析的解决方法。
2径流式水电站的特点
2.1径流式水电站的开发特点
无调节水库的电站称为径流式水电站。
此种水电站按照河道多年平均流量及所可能获得的水头进行装机容量选择。
全年不能满负荷运行，在保证率为80%。
，一般仅达到180天左右的正常运行；枯水期发电量急剧下降，小于50%，有时甚至发不出电。
即受河道天然流量的制约，而丰水期又有大量的弃水。
径流式电站一般位于河流的中下游平原或丘陵地带,人口稠密,是工农业相对发达的地区。
为减少水库损失,一般不宜建高坝,水头一般较低。
但电站通常位于电网负荷中心区,年发电利用小时数较高,水力资源利用充分,施工技术简单,施工场地开阔,交通运输方便,整个建设工期较短,具有较大的开发价值。
2.2径流式水电站的运行特点
径流式水电站有其独特的运行特点：
（1）24h内出力基本不变，适宜担负电力系统的基底负荷。
（2）年内各月电量变化大，枯水期电量明显少于汛期，为此使系统内火电站或其他电站要在汛期少发电，枯水期多发电，降低系统电源装机容量利用率。
（3）弃水多，径流式水电站的水量利用系数一般较低，当上游有调节水库时，弃水会不同程度地减少。
（4）坝式低水头径流式水电站的机组在汛期常因下游水位升高而发不足额定出力，甚至不能发电。
2.3径流式水电站基本不调节径流的特点
径流式水电站基本不调节径流，按来水流量发电的水电站。
当来水流量大于电站水轮机过水能力时，水电站满出力运行，多余的水量不通过机组发电，直接经泄水道泄向下游，称为弃水；当来水较少时，全部来水通过机组发电，但有部分装机容量因缺水而未被利用。
水电站这种运行方式称为径流发电。
与径流式水电站相对应的是调节式水电站，其运行方式是用水库调节径流，据用电要求发电：
来水多于需要时，水库蓄水；不足时，水库补水。
调节式水电站包括有多年调节、年（季）调节、周调节、日调节等水电站（见径流调节）。
其中日调节水电站一般只在枯水季进行日调节，在汛期常采用径流发电方式，所以有人认为日调节水电站也属径流式水电站。
径流式水电站中有高水头或低水头的引水式水电站，也有低水头的坝式水电站。
其原因如下：
（1）水库不具备相应的调节库容，没有能力调节。
（2）虽有一定库容，但受综合利用要求制约而不调节径流。
如建在中国长江上的葛洲坝水利枢纽，其水库总库容15.8
，在枯水期本可进行日调节，但为适应下游航运要求而不调节径流。
当上游三峡水利枢纽建成运行后，葛洲坝将不再作径流发电运行而承担反调节任务，即把三峡水利枢纽因调峰运行而放出的24h不均匀流量反调节成均匀流量出库以适应下游航运要求。
径流式水电站在24h内一般均匀发电，但当电力系统调峰能力不足时也可不均匀发电，即在负荷高峰时利用全部流量发电或机组满出力运行；在负荷低谷时相对减少发电出力，致使部分流量不通过机组发电而弃水出库。
这种运行方式称为弃水调峰，由于弃水而未被利用的电量称为强迫弃水电量。
2.4功率受天然流量控制
径流式电站无调节水库（或调节能力有限）,电站水头变化幅度大,水轮机功率受天然流量控制,上游水位比较固定。
在枯水期有日调节能力且水头高,但流量小,机组流量功率受阻而发不出额定功率；在汛期初始阶段,流量逐渐增大,但水头降低水头功率仍受阻；此后,当流量随来水量的增大而增加,其增大速度大于水头减小的比例时,功率随之增加,水头和流量组合到某种情况,功率达到最大值:
此后,流量虽继续增加,但由于水头降低速度快,功率逐渐减小,机组发不出额定功率,致使功率再次受阻。
这也是径流式电站与蓄水式电站显著不同点之一。
2.5低水头径流式电站的设计特点
2.5.1考虑水头损失
径流式电站多属河床电站,主厂房一般都在坝内,进水口距离机组中心线较近,加之由于水头较低,水轮机主要靠流量作功,所以进水口闸门尺寸较大,过栅流速较低。
从进水口到尾水管出口的局部水头损失以及动能差往往被人们所忽略不计,根据已建成的国内低水头径流电站数据统计,水头损失可按下列经验公式进行估算:
（2.1）
式中
一电站水头损失,
;
一摩阻系数;
一电站毛水头,
。
如果在水轮机参数选择过程中未计入水头损失,它将影响电能的大小、设计水头与装机容量的确切性,将使电站年发电量达不到设计值。
一般取
=0.5m。
在此课题中，根据所得资料可以设定水头固定为95m，但是在其他的水能计算时应当考虑水头的损失。
2.6本章总结
本章中对径流式水电站的设计、开发与运行的特点进行了讲诉，对径流式的特点的介绍，有利于为径流式水电站水能计算的程序设计方案的选择。
了解径流式水电站在我国水电里的地位，另一面由反映了该课题研究的必要性。
3所选实例的概况及基本资料
3.1清源水电站（原名西淹电站）概况
3.1.1自然地理情况
清源水电站（原名西淹电站）位于河南省灵宝市五庙乡西淹村西南部。
灵宝市位于豫晋陕三省交界处的河南省西部，属三门峡市，北濒黄河，分别与陕西省洛南县、潼关县，山西省芮城县、平陆县，河南省陕县、洛宁县、卢氏县接壤。
清源水电站建址于黄河一级支流弘农涧河的支流麻家河上。
麻家河发源于卢氏县杜关镇的鸡笼山，流经清水河口、麻家河、穆桂寨北流入弘农涧河。
弘农涧河为黄河一级支流，是灵宝市境内除黄河干流外最大一条河流，发源于小秦岭南麓的朱阳芋园西，由南向北流经朱阳、五亩、尹庄、城关、函谷关、大王6个乡（镇），至函谷关北注入黄河，流域面积2068km2。
干流长88
，河床坡降1.1%，多年平均流量为4.3m3/s。
弘农涧河上游建有窄口水库。
灵宝市属暖温带大陆性半湿润季风型气候，气候温和，四季分明。
年平均气温13.8
，极值高温42.7
，极值低温-17
，日平均气温大于10
的日数为182—210天。
积温3370—4620
，无霜期199—215天。
日照百分率为50%—54%。
年平均降雨量为641.8
，且时空分布不均，由南向北呈递减趋势，6至9月份降雨量占全年的60%左右。
3.1.2工程概况
清源水电站引用麻家河和金家河水流，设计水头95
。
清源水电站建筑工程主要由麻家河渠首坝、金家河渠首坝、明渠、渡槽、隧洞、前池、压力管道、厂房、升压站、生活区组成。
3.2清源水电站的主要参数与资料
由于清源水电站是径流式水电站，其水头是固定的即设计水头H设=95m,综合出力系数A的取值范围在7.5到8.5，在本论文里综合出力系数A取8。
所给资料还包括1958-2005年48年窄口水库旬径流量系列，窄口水库控制面积903km2，清源水电站控制面积195km2。
由于窄口水库建在弘农涧河上游，清源水电站在弘农涧河的支流上，两站地理条件相似，降水条件一致，故可以利用水文比拟法将窄口水库的旬径流量系列扩展为清源电站的旬径流量系列，资料见附表。
3.3清源水电站旬径流量系列典型年的选取
为计算方便，可以选定丰平枯三个典型年。
以典型年的径流资料代表整个系列的数据，这样既保证了一定的全面性，另一方面有减少了数据的处理量。
首先，将48年清源水电站旬径流系列里的各年的年平均径流进行排频，绘制
曲线，所绘制曲线如图1所示：
图1
曲线找代表年
取25
、50
、75
分别为丰平枯代表年，所对应的年份为1985年、1966年、1999年。
在利用计算水能参数的简捷算法里，利用丰平枯三代表年进行计算，使计算过程简化。
3.4本章总结
本章介绍了水能计算的实例——清源电站的概况，对清源电站的自然地理、工程概况都有较详细的描述，介绍了水能计算的主要参数。
为了简化计算，方便得出合适的计算结果，在本论文中，统一的对清源水电站的参证站窄口水库的多年旬径流资料，利用面积比拟法将窄口水库的旬径流资料同倍比缩放为清源水电站的旬径流资料。
再利用
曲线找到丰平枯所对应的年份。
为清源电站的水能计算提供方便。
4用三种方法分别计算分析
4.1利用面积比法
4.1.2面积比法的基本原理
水能计算中，出力系数A与设计水头H只按一定的配比系数影响出力和发电量，而年利用小时数则不受其影响，其只受日平均流量和保证曲线的形状影响。
形状与日平均流量和保证率有关，对于一个水文站历年观测的数据来说是确定的，那么，不同的日平均流量对应的保证率就确定了，所对应的年利用小时数就确定了。
只要求出每个流量所对应的年利用小时数，就可以很方便的算出出力，装机容量，年发电量等。
4.1.2面积比法的计算方法
据水文站历年观测的流量资料，进行分级统计，求出各分级流量的满发保证率。
以分级流量为纵坐标，相应的保证率为横坐标，绘出日平均流量保证率曲线。
在该曲线中，纵坐标某个流量值与纵横坐标轴，保证率曲线围成的面积就是可发电流量所占的面积，该流量值在曲线以外的面积是不能发电的空闲面积。
发电量所占的面积与总面积之比即是发电历时所占总历时的比例，用此比例乘以一年的小时数8760
，即为该流量发电时的年利用小时数。
4.1.3利用面积比法计算清源电站装机和发电量
根据多年观测的旬平均流量资料，进行分级统计计算结果如表1。
由表的数据绘出流量—满发保证率曲线（见图2）。
图2分级流量
满发保证率
关系曲线图
表1清源电站1958—2005年旬平均流量分级统计表
Q≧（m3/s）
0.1
0.3
0.4
0.42
0.44
0.45
0.46
0.5
累计旬数（旬）
1728
1691
1499
1461
1420
1399
1377
1298
保证率P（%）
99.94
97.86
86.75
84.55
82.18
80.96
79.69
75.12
Q≧（m3/s）
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
2.1
累计旬数（旬）
903
645
429
306
226
185
157
129
保证率P（%）
52.26
37.33
24.83
17.71
13.08
10.71
9.09
7.47
Q≧（m3/s）
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
累计旬数（旬）
106
93
83
76
73
64
53
51
保证率P（%）
6.13
5.38
4.80
4.40
4.22
3.70
3.07
2.95
Q≧（m3/s）
3.9
4.3
4.5
4.7
4.9
5.1
6
8
累计旬数（旬）
47
42
37
32
32
30
20
6
保证率P（%）
2.72
2.43
2.14
1.85
1.85
1.74
1.16
0.35
Q≧（m3/s）
10
12
14
16
18
20
25
30
累计旬数（旬）
3
2
1
1
1
1
1
0
保证率P（%）
0.17
0.12
0.06
0.06
0.06
0.06
0.06
0.00
年利用小时数计算
根据清源电站的统计资料，列表计算分级流量所对应的年利用小时数，其结果见表2。
其中：
（1）栏为分级流量
；
（2）
栏为分级流量对应的保证率；
（3）栏为分级流量所占面积，等于两分级流量之差乘以保证率平均值
;
（4）栏为累积流量面积，等于（3）栏累计
；
（5）
栏为总面积，包括流量面积和空闲面积之和，等于；
（6）栏为流量面积占总面积的比例，等于
；
（7）栏为分级流量对应的年利用小时数，等于
。
根据计算结果，绘制流量—年利用小时数曲线（见图3）.
表2清源电站分级流量年利用小时数计算表
Q≧（m3/s）
保证率P（%）
分级流量面积
累积流量面积
总面积
流量面积所占比例
年利用小时数
0.1
99.94
0.100
0.10
0.1
1.000
8760.00
0.3
97.86
0.198
0.30
0.3
0.993
8697.48
0.4
86.75
0.092
0.39
0.4
0.975
8544.55
0.42
84.55
0.017
0.41
0.42
0.970
8494.94
0.44
82.18
0.017
0.42
0.44
0.964
8440.74
0.45
80.96
0.008
0.43
0.45
0.960
8411.95
0.46
79.69
0.008
0.44
0.46
0.957
8382.05
0.48
76.85
0.016
0.46
0.48
0.950
8318.48
0.5
75.12
0.015
0.47
0.5
0.942
8251.99
0.7
52.26
0.127
0.60
0.7
0.855
7488.26
0.9
37.33
0.090
0.69
0.9
0.764
6696.14
1.1
24.83
0.062
0.75
1.1
0.682
5973.63
1.3
17.71
0.043
0.79
1.3
0.610
5341.23
1.5
13.08
0.031
0.82
1.5
0.549
4808.86
1.7
10.71
0.024
0.85
1.7
0.498
4365.67
1.9
9.09
0.020
0.87
1.9
0.456
3997.38
2.1
7.47
0.017
0.88
2.1
0.421
3685.72
2.3
6.13
0.014
0.90
2.3
0.390
3417.01
2.5
5.38
0.012
0.91
2.5
0.363
3184.01
2.7
4.80
0.010
0.92
2.7
0.340
2981.20
2.9
4.40
0.009
0.93
2.9
0.320
2803.39
3.1
4.22
0.009
0.94
3.1
0.302
2646.90
3.3
3.70
0.008
0.94
3.3
0.286
2507.52
3.5
3.07
0.007
0.95
3.5
0.272
2381.18
3.7
2.95
0.006
0.96
3.7
0.259
2266.72
3.9
2.72
0.006
0.96
3.9
0.247
2163.22
4.1
2.55
0.005
0.97
4.1
0.236
2068.95
4.3
2.43
0.005
0.97
4.3
0.226
1982.85
4.5
2.14
0.005
0.98
4.5
0.217
1903.63
续表2
Q≧（m3/s）
保证率P（%）
分级流量面积
累积流量面积
总面积
流量面积所占比例
年利用小时数
4.7
1.85
0.004
0.98
4.7
0.209
1830.06
4.9
1.85
0.004
0.99
4.9
0.201
1761.99
5.1
1.74
0.004
0.99
5.1
0.194
1699.05
6
1.16
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