6水资源规划及利用第六章(水能利用)

第六章 水能利用

§6.1 水能计算原理及水电站开发方式 §6.2 水电站水能计算

§6.3 电力系统负荷及装机容量 §6.4 水电站在电力系统中的运行方式 §6.5 水电站装机容量选择 §6.6 水库特征水位选择 本章思考题及课外延伸

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6.1 水能计算原理及水电站开发方式 一、水能计算的基本原理

如图，河段首尾断面分别 为断面1-1和断面2-2，取

水平面0-0为基准面。设断面流量为Q（m3/s），T（s）时段 内流经断面的水体为 W=QT（m3） 1 2

v1 H12 水面 Z1 Q 河流 河底 v2 Z2 0 0

1 2 河段水能计算示意图

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根据水力学中的能量方程，水体在断面1-1和断面2-2处的能量分别为：

2PvZ111WrE11 r2g

2Pv 222WrE2Z2r2g

ZP1、P 式中，Z 2为断面的水面高程； 1、2为断面的大气

1、2为断面流速的不均匀系数； 压强；r 为水的容重；

v1、v 2为断面的平均流速。

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水体在河段两断面的能量差为：

22 P1v12v21P2E12E1E2[Z1Z2]Wrr2g

P2近似相等，流速 在不太长的河段中，大气压强P 1和 22vv2211水头 和 也相差不大，则两断面的水流能量差2g2g近似为：

E12E1E2rZ1Z2WrQtH12

H 式中，12为断面1-1和断面2-2之间的水头差（也称落差）；t为时间，单位为秒。

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r 在电力系统中，能量单位习惯上采用kW·h，取水的容重

为9807 N/m3，1 kW·h=3.6×106J，则在T小时内两断面的 水流能量差为：

EEE9.81QTH121212

此即为该河段所蕴藏的水能资源。

单位时间内的水能称为水流功率，在电力系统中，称为水流出力。水流出力计算式为：

E12 N129.81QH12T 此式常被用来计算河流的水能资源蕴藏量。

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水电站在发电过程中，利用能量转换装置，将水能转化为机械能，再转化为电能。在实现能量转化过程中，将有

表示水电站的总效率系数。 一部分能量损失，用

另外，水流在实际流动过程中，通过拦污栅、进水口、引水管道，并经尾水管排至下游河道，必定会产生一定的

H），因此，实际发生作用的净水头差 水头损失（设为

H12H。 H净）为 - （

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水电站出力计算式为：

N9.81QH净9.81Q（H12H）AQH

A9.81为H为落差损失； 式中， 为水电站效率系数；

Q水电站出力系数，一般取6.5～8.5； 为水电站引用流量；

H为水电站净水头差（或落差）。

水电站出力小于水流出力。

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水电站在一段时间内生产的电能即为水电站发电量。如果

tn时段内的出力 t1到 水电站在 N(t)已知，则该时段内的发

tn电量为：

EN(t)dt t1 如果已知不同时段内的平均出力 Ni，可以用下式计算发电量：

n ENit i1t1到 tn时段内所产生的电能(kW· 式中， 为水电站在 h） Ei时段内的平均出力（kW）；Ni为第 t为计算时段长；

n为时段数。

Zuo Qiting Zhengzhou University

简单总结：

（1）水电站： 能量转换装置——水能机械能电能

有区别

（2）水流出力水电站水电站出力 （水电站出力<水流出力）

（4）水电站出力： N9.81QH净9.81QH水轮机传发电机反映水电站效率

A9.81出力系数，A6.0~8.5NAQH

Hz上z下hh—落差损失（5）水电站发电量 ntE12Ndt或E12Nit ti1

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21二、河川水能资源蕴藏量估算

NAQH

由上可知，构成水能资源的基本要素是流量和水头落差。由于单位长度河段的落差（即河流纵向比）和流量都是沿河流变化的，所以在实际估算河流水能资源蕴藏量时，常沿河长分段计算水流出力，然后再逐段累加以求得全河总水流出力。

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N9.81QjHjj1mj河mQj为 j的落差； 式中， 为河流分段数；H j为河段

段首尾断面流量的平均值。

Q0，可以计算得到的水流出力 N0，称 根据多年平均流量

为水能资源蕴藏量。

当一条河流各河段的落差和多年平均流量均为已知时，就可以估算该河流的水能资源蕴藏量。

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三、河川水能资源的基本开发方式

(a)坝式 (b)引水式 (c) 混合式

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6.2 水电站水能计算

一、水能计算的基本方法

水能计算：求水电站出力N和发电量E的计算

方法：统计法和时历法（列表法——数值法：半图解法、图解法） 与水电站调节类型有关

1 径流式水电站

靠天然径流发电的水电站

（1）无调节水电站 （如葛洲坝水电站） NAQHAQ(z上z下h)

z上z蓄（不变）当Q净QT时Q天Q上引QQT(水电站过水能力）z下f(Q)当Q净QT时Zuo Qiting Zhengzhou University

（2）日调节水电站

与无调节类似，不同在于

z上

即，由 VV1死V兴查z~V，求得。 2

将一日内日水量重新分配

NAQHAQ(z上z下h)采用日平均水位。 Zuo Qiting Zhengzhou University

2 蓄水式水电站

指长期调节水电站（年或多年调节）

年调节水电站

有较大的 V兴——年内水量调节，调节周期

列表法： t=月或旬  t < T

特点（1）Z上是变化的 （2）Q=Q调

应考虑水电站的调节方式 等流量调节、 定出力调节

年Zuo Qiting Zhengzhou University

T=1

（1） 等流量调节（列表法）

利用V兴，使水电站引用流量均匀，等流量

蓄水期 QW蓄水期V兴调蓄，QQ调蓄 T蓄若Q调蓄QT时，QQT(Q弃发生）

供水期 W供水期V兴

Q调T，QQ调供

不蓄不供期 QQ净

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（2） 定出力调节 （半图解法）

已知各时段所需负荷（出力）N，反求Q和H（即V2）

半图解法——方法原理 （与调洪计算半图解法相似）

区别：——将 q~V 换为 Q~N ( 即出力公式） 1）绘工作曲线 (QQ)tVV.................(1)21水量平衡式： 净VQ Qf(N,)N.......................(2)出力方程式： QAH..........t2 V1(VV)V2VV代入（1）2）水能计算 2（顺时序计算） t （QQ)VVVQ净VQ21 ...................(3)t2t2由（3）式， Qf(N,VQ)已知N,V1,Q净计算Q .......................(4)1221净1t2Zuo Qiting Zhengzhou University

应用举例： 【例】某水电站的正常蓄水位高程为180m，某年各月平均的天然 来水流量Q天、各种流量损失Q损、下游各部门用水流量Q用和发电 需要流量Q电,分别见表5-3第〈2)~(5〉行。此外，水库水位与库容 的关系，见表5-1；水库下游水位与流量的关系，见表5-2。试求水 电站各月平均出力及发电量。

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N保、E年 是水电站的动能指标

二、保证出力计算

N保——是水电站在长期工作中，相应于设计保证率的枯水期的平均出力。

1 径流式水电站 （日或无调节）（1）长系列法

由n年径流资料进行n年水能计

算，得n365个 N 日，按递减排列

由 pm n100%计算 p，

绘 N日~p曲线。

N日 N保 p设 p(%) Zuo Qiting Zhengzhou University

由p设‘（历时设计保证率）查曲线得 N保，

N日 N保 p设 p(%) Zuo Qiting Zhengzhou University

（2） 典型年法 ：

N日，绘制 N日~p曲线 改由3365个

（3）

则 N

（选择丰、平、枯三个典型年） 简化法 ：

绘制 Q日~p代替 N日~p由 p设‘ 查曲线得Q保，

保=AQ保H

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2 蓄水式水电站

年调节水电站 p设——年保证率

N保：水电站在多年工作期间，与设计保证率（p设）相应的供水期的平均出力。

（因供水期用水用电均紧张）

（1） 长系列法 ：

对n年资料进行逐年逐时段（月或旬）水能计算，可求出n年（个）供水期

N供绘制 N供~p的平均出力 由 p设‘ 查曲线N 得N保， 供~p

（2） 典型年法 ：

N供（设枯） 由 p设选设计枯水年，对此年供水期进行水能计算，得 则 N保=AQ调H供

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简化法 ：

QW供V兴调，供T供H供（z上供z下h）z上供：由VV1死2V兴z下：Q调查z下~QZuo Qiting Zhengzhou University

（3） 三、多年平均发电量计算

E年——是反映水电站发电效益的稳定指标。

——是指水电站在多年工作时期内，平均每年所能生产的

电能量。

E年或E年E年i1nn1（E平年E丰年E枯年）3E平年(长系列法）（三典型年法）（中水平年法）Zuo Qiting Zhengzhou University

1。 E年的大小与N装及水电站运行方式有关

（1）在未选定N装前，暂不考虑N按N=AQH，计算水流出力 （无限装机法）

（2）选定N装后，按NZuo Qiting Zhengzhou University

2。径流式水电站

改绘N~p曲线为N~T曲线（持续时间T） T=8760 p (小时） 由N装“切平头”，得E年

N装 N装 8760 T (h) Zuo Qiting Zhengzhou University

3。蓄水式水电站

n

E年t[NimN装]（kwh)i1 n——N6.3 电力系统负荷及装机容量

一. 电力系统

是由若干发电厂、变电站、输电线路及电力用户等组成。

工业用电（均匀） 农业用电（季节变化） 市政用电（日内变化） 电站 变电站 线路 交通运输 等

往往由各种不同类型的电站（包括水电站、火电站、核电站及抽水蓄能电站等）协同联合供电，使各类电站相互取长补短，改善各电站的工作条件，提高供电可靠性。

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二. 电力负荷图

电力负荷——在任何时间内，电力系统中各电站的出力过程和

发电量必须与用电户对出力的要求和用电量相适应，这种对电力提出的出力要求，就是电力负荷。 负荷N：用户所需出力+厂用电+输电损失

电力负荷图—— 电力系统中所有用户所需出力N（负荷）随时

间t的变化曲线。

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1 日负荷图

电力系统的负荷N，在一昼夜24小时内的变化过程。 如图，N’’——最大负荷

N——平均负荷 N’——最小负荷

基荷 腰荷 峰荷

腰荷

N N’N’’基荷

Zuo Qiting Zhengzhou University 日电能累积曲线

是日负荷图的出力值（kw）与其相应的电量

（kw·h）之间的关系曲线。

绘制过程：将日负荷曲线以下的面积（

表示电量）自下而上加以分段，便得△E1、 △E2 、△E3等分段电能量，令图横坐标代表分段电能量△E的累积值，由此定出相应的a点、b点。按此向上逐渐累积到负荷的最高点，各交点的连线gabcd便是日电能累积曲线。

特性：（1）在最小负荷N’以下，负荷无

变化，故是直线；（2）在N’以上，负荷有变化，故cd为向上凹曲线段。d点横坐标为一昼夜的电量；（3）延长直线段gc，与d点的垂线df相交于e点，则e点的纵坐标就表示平均负荷N。

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2 年负荷图

负荷N在年内的变化过程。 （1）日最大负荷年变化图

（2）日平均负荷年变化图

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三. 设计负荷水平年

——在规划设计电站时，必须考虑远景电力系统负荷的发展水平，与此负荷发展水平相适应的年份，称为设计负荷水平年。

——以某一远景年份上的负荷水平作为设计依据。 如何做？

比如， “以第一台机组投入运行后的5~10年，并以国民经济五年计划相一致”，作为设计水平年。

例：葛洲坝第一台机组，1979，+10=1989，取1990年作为设计水平年。

即，以此年的供电范围、用电水平编制设计水平年的

N''~t,N~t及典型日负荷图。

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四. 电力系统的容量组成

N 已知：设计水平年的用电水平： ''~t 求：系统总装机容量N系装=？

,N~t Zuo Qiting Zhengzhou University

电站的装机容量——电力系统中所有电站的装机容量的总和。 N装——影响工程投资和效益

电站装机容量： N系, 装=N’’系, 工+ N系, 备+ N重

N’’系 工——系统最大工作容量。指设计水平年电力系统负荷最高（一般在冬季枯水季节）时，所有电站能担负的最大发电容量。 N系, 备——系统备用容量。为了确保系统供电的可靠性和供电质量，当系统在最大负荷时发生负荷跳动，因而短时间超过了设计最大负荷时，或者机组发生偶然停机事故时，或者进行停机检修等情况，都需要准备额外的容量，称--。

N重——重复容量。利用部分弃水额外增发季节性电能，只增加额外容量，不增加水库、大坝等水工建筑物的投资。由于这部分容量并非保证电力系统正常工作所必需，故称--。

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6.4 水电站在电力系统中的运行方式

运行方式：水电站在电力系统负荷图上的工作位置（不同

时期）或系统负荷在各电站间的最优分配问题。

目的：使各电站扬长避短，供电可靠、经济、资源充分利用

（原因——负荷不均匀、电站特性不同）

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一. 水、火电站的工作特性

水电站 1 启动灵活，宜任峰荷 2 工作可靠性差（径流随机） 3 运行费用低，电能成本低 u水=（1/2~1/7）u火 4 无原料费（用水），厂用电少 运行费与发电量无关

火电站 启动缓慢，宜任基荷 工作可靠性高 运行费用高，

燃料费用所占比重大，且污染 运行费u火与E成正比 Zuo Qiting Zhengzhou University

二. 水电站在系统中的工作位置（运行方式）

（1）无调节水电站 [如葛洲坝]

——只宜任基荷， 运行条件较差。在丰水期可部分做腰荷，但仍有弃水。

弃水所 损失 的能量 丰水期 设计枯水年 丰水年

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一般特性：

（1）无调节水电站在枯水期应担任系统日负荷图的基荷。在丰水期，仍只宜于担任基荷。当出力大于系统的最小负荷N’时，可承担一

部分腰荷，这时还会发生弃水[损失能量]。 （2）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。在丰水期，即使以全部装机容量运行，有时仍有弃水。 （3）在丰水年，可能全年装机容量都是基荷，仍有弃水。

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（2）日调节水电站

——在枯水期，担任峰荷；在丰水期，可以担任腰荷或基荷

峰荷 腰荷 基荷 设计枯水年 Zuo Qiting Zhengzhou University

一般特性：

（1）为了使系统中的火电站能在日负荷图上的基荷部分工作，以降低单位电能的燃料消耗量，原则上在不发生弃水情况下，应尽量让水电站担任峰荷，以发挥水电站灵活变化的优点。 （2）在枯水期一般总是让水电站担任峰荷，让火电站担任基荷。而在丰

水期为了增加发电量，逐步由峰荷转到基荷。

峰荷 腰荷 基荷 设计枯水年 Zuo Qiting Zhengzhou University

日调节水电站 工作位置的确定

----目标: 阴影面积等于水电站日电能量, 纵距等于N 水装

怎么办？

这是一个数学问题。

N 水装 Zuo Qiting Zhengzhou University

日调节水电站 工作位置的确定

----目标: 阴影面积等于水电站日电能量, 纵距等于N 水装

E 辅助曲线：该线距日电能累计曲线的水平距离均等于日电能量E 水日

N 辅助曲线：该线距日电能累计曲线的垂直距离均等于装机容量N 水装

1）在电力系统日负荷图上作日电能累计曲线。 2）作E辅助曲线、N辅助曲线，交于a点。 3）从a点作垂线交累计曲线于b点。ab水平范围的阴影范围就是位置。Zuo Qiting Zhengzhou University 步骤：（ （ （ （3）年调节水电站

一般特性：

在一年内按来水情况一般可划分为供水期、蓄水期、弃水期、不蓄不供期四个阶段。

不同时期，调节流量有变化。

QQ调Q调3 T QQ调调2 2 1 Zuo Qiting Zhengzhou University

（1）设计枯水年：

1）在水库供水期，水电站在系统负荷图上的工作位置，视综合利用各部分用水的大小，有时担任峰荷，有时担任部分峰荷、部分腰荷，有时则担任腰荷。 2）在蓄水期，由腰荷移至基荷，以增加水电站发电量，使水电站燃料消耗量减少。

3）弃水期，水库已蓄满。为了减少弃水量，将全部装机容量在基荷运行。 4）在弃水期结束后，水库蓄满，为了充分利用电能，来多少水发多少电。此时不蓄不供。

QQ调QQQ调3 T 调调2 2 1 设计枯水年 Zuo Qiting Zhengzhou University

（2）丰水年：

1）在供水期，可承担部分基荷和腰荷，以增加发电量。 2）在蓄水期，尽早将其运行位置移至基荷部分。 3）在弃水期，应以全部装机容量在基荷工作。

主要考虑，丰水年来水多，尽量多发电。

丰水年 Zuo Qiting Zhengzhou University

（4）多年调节水电站

由于多年调节水库的相对库容大，水电站运行方式受一年内来水变化的影响较小。所以，在一般年份，多年调节水电站在电力负荷图上将全部担任峰荷（或峰、腰荷）。

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6.5 水电站装机容量选择

电力系统中所有电站的装机容量的总和：N装

’’水电站装机容量： N水, 装=N水, 工+ N水, 备+ N重

N’’水, 工——水电站最大工作容量。指设计水平年电力系统负荷最高（一般在冬季

枯水季节）时，水电站能担负的最大发电容量。 N水, 备——水电站备用容量。为了确保系统供电的可靠性和供电质量，当系统在最大负荷时发生负荷跳动，因而短时间超过了设计最大负荷时，或者机组发生偶然停机事故时，或者进行停机检修等情况，都需要准备额外的容量，称--。 N重——重复容量。利用部分弃水额外增发季节性电能，只增加额外容量，不增加投资。由于这部分容量并非保证电力系统正常工作所必需，故称--。

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’’N

水, 工+ N水, 备=N水,必

称为必需容量

本节分别介绍 N’’水, 工

N水, 备

N重

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一。水电站最大工作容量N’’水, 工选择 （一）选择原则：

1 工作可靠

在确定水电站的最大工作容量时，须进行电力系统的电力（出力）平衡和电量（发电量）平衡。

三个基本要求：

(1) 系统电力平衡 (2) 系统电量平衡 (3) 系统容量平衡

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第一个基本要求：

系统电力平衡——就是电站的出力（工作容量）须随时满足系统的负荷要求

N’’水, 工+ N’’火, 工=P’’系

系统内所有水电站的最大工作容量（kw） 所有火电站的最大工作容量（kw） 系统最大负荷（kw）

（对于规划中拟建水电站，最大工作容量 N’’水, 规= N’’水, 工 - N’’水, 建 ）

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第二个基本要求：

系统电量平衡——一般选择设计枯水年的来水过程，作为计算基础，要求所有电站的保证供电量等于任何时段内系统所要求保证的供电量

E水, 保+ E火, 保=E系, 保

系统所要求的保证供电量（kwh） 该时段火电站有燃料保证的工作容量与相应时段小时数的乘积（kwh） 该时段水电站能保证的出力与相应时段小时数的乘积（kwh）

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第三个基本要求：

系统容量平衡——确定所有电站各时段在电力系统年负荷图上的工作容量、各种备用容量和重复容量，并检查有无空闲容量和受阻容量

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2 经济合理

尽量增加 N’’水, 工 （因为，水电站补充单位电量投资低，仅增加机电投资）

水电站在电力系统日负荷图上的工作位置不同 最大工作容量不同 （1）水电站担任电力系统基荷 N’’水, 工= N’’水, 保 （保证出力）

（2）水电站担任电力系统腰荷 N’’水, 工= N’’水, 保 ×24/10 (设工作10小时/日) （3）水电站担任电力系统峰荷 N’’水, 工= N’’水, 保 ×24/t (设工作 t 小时/日)

因此，尽量改变水电站在系统负荷图上的工作位置，使其担任系统的峰荷。

对于调节水库的水电站，设计枯水期 担任峰荷 丰水期 担任基荷

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’’（二）无调节水电站N水, 工确定：

——只能担任电力系统基荷

最大工作容量等于按历时设计保证率所求出的保证出力

N’’水, 工= N’’水, 保

= 9.81η Q设 H设

设计枯水日的平均流量（m3/s） 日平均净水头（m）

N N’’水 工 水 电 站 0 24 t Zuo Qiting Zhengzhou University

’’（三）日调节水电站N水, 工确定：

仍先计算日调节水电站的保证出力：

N’’水, 保 = 9.81η Q设 H设 (kw)

设计枯水日的平均流量（m3/s） 日平均净水头（m）

日保证电能量为： E水, 保, 日=24 N’’水, 保 （kw h）

分两种情况探讨： （1）作峰荷 （2）部分基荷

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1、日调节水电站作峰荷

（a）根据电力系统设计水平年冬季典型日最大负荷图，绘出其日电能累计曲线；

（b）在日电能累计曲线上的a点向左量 取ab，使其值等于E保，日；

（c）再由b点向下作垂线交日电能累计 曲线于c点，bc所代表的值即为日调节水 电站的最大工作容量N’’水, 工

（d）由c点作水平线与日负荷图相交， 即可求出日调节水电站在系统中所担任 的峰荷位置

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2、担任部分基荷

如 下游航运、供水等要求泄放一部分工作容量 基荷

最大工作容量

N’’水, 工=N基+N峰

基荷工作容量 峰荷工作容量

基荷工作容量 N基 = 9.81η Q基 H设 峰荷工作容量 N峰——同上

（ N峰=N保—N基 ）

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’’（四）年调节水电站N水, 工确定：

符号概念：

调节库容 V年调

多年平均年来水量 W年

设计枯水年供水期 T供 天然来水量W供 平均水头H供

水量调节，平均调节流量Q调：Q调=（W供+V年调）/T供

保证出力： N保, 供 = 9.81η Q调 H供 保证电能： E保, 供 = N保, 供 T供

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依据：供水期 电力电量平衡 E保, 供 = E水, 供 +E火, 供

N’’系 = N’’水, 工 +N’’火, 工 (冬季典型日负荷图）

原则：

方法： 使E水, 供 = E保, 供 ，尽量增大N’’水, 工 （任峰荷）

绘制N’’水, 工 ——E水, 供 曲线，由E保, 供 = E水, 供 求得 N’’水, 工

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四个步骤： （下页图）

（1）选择设计枯水年，绘制最大负荷N’’——t 图，并划分供水期。

在供水期内，水电站担任峰荷或腰荷

（2）为了建立N’’水, 工 ——E水, 供 之间关系， 假定若干个N’’水, 工 ，计算对应的E水, 供

方法: （a）假定若干个N’’水, 工1 ， N’’水, 工2 ， N’’水, 工3 ，…………（下页图为3） （b）作供水期各月份典型日负荷图 （下页图为12月）；再按日调节水电

站担任峰荷时求最大工作容量的方法，求出对应的E1， E2， E3，……… （c）求各方案供水期保证电能： E E  E E日 月月水，供 30.4 等于 供水期求和 （d）作出N’’水, 工 ——E水, 供 曲线Zuo Qiting Zhengzhou University

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（3）根据设计枯水年供水期内的保证电能E保, 供 ，就可以在关系曲线上求出年调节水电站的N’’水, 工。

E保, 供 查曲线

（4）最后，定出水电站工作位置

方法:

N’’水, 工

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（4）最后，定出水电站工作位置

方法: （a）在最大工作容量N’’水, 工 图上，作水平线，其上为 N’’水, 工 ，表示各月份的工作容量——称系统出力平衡图

（b）在日平均负荷图上，要通过日电能计算：

日电能

Ei N 24

水、火电站之间的分界线并非是一根直线，因 N ×24 ×30.4 加起来，为电能。所以，此图又称 系统电能平衡图

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’’（五）多年调节水电站N水, 工确定：

原则、方法与年调节相同

年调节水电站 计算设计枯水年供水期平均出力、保证电能 按此期间担任峰荷 求N’’水, 工 多年调节水电站

计算设计枯水系列年的平均出力、保证电能 按枯水年全年担任峰荷 求N’’水, 工 Zuo Qiting Zhengzhou University

区别 二。系统备用容量N备的确定

N系备= N系负备+N系事备+ N系检备

1. 负荷备用容量

应付突然增加的冲击负荷 作为调频电站

一般

N系负备=( 2~5 ) % N’’系 （ N’’系——系统最大负荷）

担任电力系统负荷备用容量的电站，称为调频电站。多设在有调节（尤

其调节性能好、离负荷中心近）水电站，而无调节水电站、火电站不负担负荷备用。

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2. 事故备用容量

在电力系统中，当有机组发生事故时，能够立即顶替事故机组工作 —— 事故备用容量

一般

N系事备=(8~10 ) % N’’系 （ N’’系——系统最大负荷）

且不小于系统中最大单机容量。

在系统电站间分配N系事备

N水事备NN‘’水，工‘’系N系事备Zuo Qiting Zhengzhou University

3. 检修备用容量

检修安排：火电机组：1年1次，30~45天，多水季节

水电机组：2年1次，20~30天，枯水、低负荷时 确定： 依据容量平衡图

（1）在系统日最大负荷曲线图上，系统最大负荷N’’系水平线与负荷曲线之间的

面积 未被利用的空间容量 可安排机组大修（F检）

（2）如果F检不能满足要求，则须另外增加检修备用容量N检备

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三。水电站重复容量N重的确定

由于河流水文情况的多变性，汛期流量往往比枯水期流量大

许多倍，根据设计枯水年确定的水电站最大工作容量，尤其无调节水电站及调节性能较差的水电站，在汛期会产生大量弃水。

为了减少无益弃水，提高水量利用系数，可考虑额外加大水

电站的容量，使它在丰水期内多发电。这部分增大的容量，在设计枯水期内，由于河道中来水少而不能当作电力系统的工作容量以替代火电站容量工作，因而被称作重复容量。它在系统中主要是发季节性电能，以节省火电站的燃料费用。

在调节性能差的水电站，设置N重可以利用弃水发E季，节省火

电煤耗，而获得效益。

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由于N重不能替代火电容量，故要额外增加水电站的投

资和年运行费(不需要增加其他水工建筑物投资)。 另外，随着重复容量的逐步增大，无益弃水量逐渐减

少，因此可发的季节性电能并不能与重复容量呈正比例增加。

所以，选择N重 —— 要经济比较

——选定重复容量的动能经济计算

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——选定重复容量的动能经济计算

假设： N重——额外设置的重复容量；

h经济——平均每年经济合理的工作小时数；

则 生产的电能量  E季 =  N重 h经济 可节省的火电站燃料年费用：a  N重 h经济 f

设置 N重的年费用为： C= N重 k水[(A/P, is, n)+P水] 年本利摊还因子(P89)

符号含义： k水—水电站补充千瓦造价（元/kw）； is—额定资金年收益率；

n—重复容量设备的经济寿命；

P水—水电站补充千瓦容量的年运行费用率 p水=2~3%

a—系数，因水电厂发1kwh电量，可替代火电厂1.05kwh, 故a=1.05 f—火电厂发1kwh电量所需的燃料费 [元/(kwh)]

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则，在经济上设置 N重的有利条件为：

a  N重 h经济 f   N重 k水[(A/P, is, n)+P水]

即： h经济  k水[(A/P, is, n)+P水]/a/f

节省 消耗

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1. 无调节水电站重复容量的选定

在日平均出力图上：

在N’’水, 工水平线之上，设置  N重， 每年工作h设小时。

增发  E季 =  N重 h设

效益  B =a  E季 f = a  E季 d b

系数1.05 燃料价格 单位电能消耗燃料重

增加 N重，其年利用小时数h逐渐减小，直至 最后增加的单位重复容量其年利用小时数h=h经济

对应h经济的 N，就是 N重

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2. 日调节水电站重复容量的选定

原则、方法与上基本相同

日调节水电站： 在汛期，当必需容量 N必全

部担任基荷后，还有弃水时，才考虑设置重复容量。

N重 N装 N必 h经济 h必 h设 日调节水电站重复容量的选定Zuo Qiting Zhengzhou University 3. 年调节水电站重复容量的选定

（1）对所有水文年资料进行径流调节，作“弃水流量——对应的多年平

均的年持续时间”曲线

（2） 换算为弃水出力年持续曲线 （3）再利用公式计算h经济 （4）对应的N重

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四。水电站装机容量N水装的确定

步骤：

（1）收集基本资料 （2）确定 （3）确定 （4）确定 （5）选择水电站装机容量 （6）检修安排 （7）系统电力电量容量平衡 N’’水, 工 N水, 备 N重

N水装= N’’水, 工+ N水, 备+ N重

同时参考制造厂家机组系列，定出：机型、台数、出力

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进行系统容量平衡，主要检查：

（1）系统负荷是否能被各种电站所承担，在什

么时候由于何原因使容量受阻？

（2）是否留有足够的负荷备用容量担任系统的

调频任务，是否已合理分配；

（3）是否留有足够的事故备用容量，是否已合

理分配？水库是否有足够备用蓄水量； （4）在年负荷低落时，是否能安排所有的机组

进行一次检修；

（5）水库的综合利用是否能得到满足。

①系统最大负荷年变化线——各类电站安排的最大工作容量要满足系统最大负荷要求 ②系统要求的可用容量控制线——各类电站安排的必需容量要满足系统要求 ③系统装机容量控制线——系统装机容量要达到电力系统的安全、经济、可靠的要求 Zuo Qiting Zhengzhou University 前面多次提到的设计水平年，是指拟建水电站第一

台机组投入系统运行后的第5年或第10年。由于不能长期预报河道中的来水量，所有水电站的出力变化无法预知，因此规划阶段在绘制设计水平年的电力系统容量平衡图时，至少应研究两个典型年度：设计枯水年和设计平水年。 反映较不利水文条件下，保证用电要求 反映一般水文条件下 对于低水头水电站，须作丰水年的容量平衡图，以检查

汛期下游水位上涨造成水头不足而发生容量受阻。

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根据上面容量平衡图，可以定出水电站的装机容量。

但在下列情况下尚须进行动能经济比较：

（1）在水能资源缺乏而系统负荷增长较快的地区，要求本水电站承

担远景更多的尖峰负荷；

（2）远景在河道上游将有调节性能较好的水库投入工作，可以增加

本电站保证出力等动能效益；

（3）在设计水平年的供电范围内，如水电站的径流利用程度不高，

估计远景电力系统的供电范围扩大后，可以提高本电站的水量利用率。

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6.6 水库特征水位选择

一. 正常蓄水位的选择 Z蓄

是指水库在正常运用情况下，为满足设计兴利要求，在开始供水前应蓄到的最高水位。



多年调节水库——在连续若干丰水年后才能蓄到正常蓄水位； 年调节水库——在每年供水期前蓄到正常蓄水位；

日调节水库——每天在水电站调节峰荷以前蓄到正常蓄水位； 无调节水电站——任何时候在正常蓄水位。

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正常蓄水位是水库或水电站的重要特征值，直接影响整个

工程的规模以及有效库容、调节流量、装机容量、综合利用效益等指标。直接关系到工程投资、水库淹没损失、移民安置规划以及地区经济发展等。 正常蓄水位与效益的关系：

（1）防洪：

如果汛后来水量仍大于兴利设计用水量，防洪库容与兴利库容可以结合。这种情况下，提高正常蓄水位可直接增加水库调蓄库容，同时有利于拦蓄洪水量，提高防洪标准。

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（2）发电：

随着正常蓄水位↑ 保证出力、发电量、装机等指标↑

保 证 出 力 因为再增加水位但调节水量增加不多了

正常蓄水位

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（3）灌溉和城市供水：

随着正常蓄水位↑ 2）有利于增加调节水量 ）有利于自流引水

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1

（4）航运：

随着正常蓄水位↑ 2

）有利于调节流量，增加下游航运水深

）大大改善上游河道的航运条件 Zuo Qiting Zhengzhou University

1正常蓄水位与有关的问题：

（1）随着正常蓄水位的提高，投资和运行费用也增加。 （2）随着正常蓄水位的提高，水库淹没损失必然增加，不仅是一个经济问题，有时甚至是影响广大群众生产和生活的政治社会问题。 （3）随着正常蓄水位的提高，受坝址地质及库区岩性的制约因素愈多。

因此，要综合考虑有利方面和不利方面，权衡确定。 Zuo Qiting Zhengzhou University 选择 Z蓄的方法

（1）拟定比较方案

在Z蓄上、下限范围内拟定比较方案

上限考虑因素： 库区淹没侵没情况： 坝址地形地质条件 开发利用规划 水库水量损失

劳力、设备、资金、建材、施工期限制条件 下限考虑因素： 各部门正常工作的最低要求

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（2）对各方案进行径流调节和水能计算

（3）对各方案进行水利水能计算、动能经济计算、投资与损失计算、经济评价、财务评价等

（4）综合评价，选择方案。

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二. 死水位的选择 Z死

是指水库在正常运用情况下，允许消落的最低水位。 （一般情况下，水库水位在正常蓄水位与死水位之间变动）



多年调节水库——遇到设计枯水年系列时，才降至死水位 年调节水库——遇到设计枯水年时，才降至死水位

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极限死水位： 当遇到特殊枯水年份或发生特殊情况（如水库清底检修

、战备、地震）时，水库运行水位比设计死水位还低，称--

备用库容： 设计死水位与极限死水位之间的库容

正常蓄水位 死水位 极限死水位 Zuo Qiting Zhengzhou University

原则： （1）满足综合利用正常工作的最低要求；

（2）动能效益大或年费用最小

当Z蓄一定时，确定 Z死 消落深度 h ：

灌溉、供水，h 越大越有利

发电，选择h 最佳 （太大、太小都不利）

因此，要综合考虑各种要求

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方法步骤：

（1）在Z蓄一定下，确定 Z死 的上、下限。再拟若干方案 确定上限： 应满足水库调节性能（如年调节，日调节）

发电设备要求

确定下限： 灌溉、供水、发电等引水要求 泥沙淤积要求

水工机械设备安装要求

（2）对各方案，计算保证出力N保，多年平均年发电量进行系统电力电量容量平衡

（3）进行经济计算、分析

（4）综合选择

E水，Zuo Qiting Zhengzhou University

三. 水库防洪特征水位的选择

1 防洪限制水位的选择

正常蓄水位与 防洪限制水位一致

设计洪水位与 正常蓄水位一致

正常蓄水位介于设计 洪水位与限制洪水位之间

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2 防洪高水位 设计洪水位 校核洪水位

考虑下游防洪标准

调节计算 经济分析 综合确定

校核洪水位 设计洪水位 防洪高水位 Zuo Qiting Zhengzhou University 安全泄量Q安越大， 防洪高水位越小

效益最大 确定防洪水位

绘制洪水期水位 曲线，确定校核水位

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四. 以发电为主的水库参数选择程序

（1）选择正常蓄水位

（2）选择死水位（V死、V兴已定） （3）确定水电站装机容量

（4）进行防洪计算，确定泄洪设备形状、尺寸，推求水库防洪参数Z限、Z防、Z设洪、Z校洪、Z坝 （5）进行经济评价及财务评价

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本章思考题及课外延伸

1.思考题:

(1)掌握水电站水能计算方法、水电站保证出力计算、多年平均发电量计算。

(2)掌握电力系统负荷图的概念。

(3)掌握水电站在电力系统中的运行方式。思考无调节水电站、日调节水电站、年调节水电站的运行位置。

(4)掌握水电站装机容量选择。水电站装机容量由哪几部分组成？确定水电站最大工作容量的原则是什么？

(5)电力系统中为什么要设置负荷备用容量？哪些电站适宜担任负荷备用？

(6)重复容量的作用是什么？

(7)掌握水库特征水位选择。正常蓄水位、死水位、防洪水位的选择方法？ Zuo Qiting Zhengzhou University

2 课外延伸：

(1) 详细阅读课本内容，学会水能计算方法。找一个具体的水电站，根据已知资料，计算水电站出力和发电量，讨论该水电站在电力系统中的运行位置，确定特征水位。 。

(2) 阅读一本有关水电站运行方面的研究报告或论文。

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