文档介绍：第3章水电站水能计算
第一节水能计算的基本方程和主要方法
一、水能计算的基本概念
天然河流的能量是一种尚未开发的资源,
这是河流的潜在能源,可用下面方法来
确定。
设有水体W ,自上游断面1-1流经
下游断面2-2(如图)。由水利学知识可
知,含蓄在该水体内上下断面的能量分别
为
两个能量之间的差值就是W在该河段中消
耗的能量用下式表示:
单位为kgf*m
假设上下断面流速及其分布情形是相同的,且其平均压力也相等,即: 。则刚才的式子可以表示成: (3-4)。
在天然的河道情况下,这部分能量的消耗在水流的内部摩擦,夹带泥沙及克服沿程河床阻力等方面,可以利用的部分往往很小,且能量分散。
为了充分利用两断面能量,就要有一些水利设施如壅水坝、引水渠道、隧洞等,使落差集中,以减小沿程能量消耗,同时把水流的位能,动能转换成为水轮机的机械能,通过发电机再转换成电能。
由于水能利用取决于落差和流量两个因素,且受地形、经济条件等限制,所以水电站开发方式,因地区而异。如水电站集中落差的方式来分类,则有蓄水式水电站,引水式水电站和混合式水电站3类。
选择何种开发形式,取得多少能量,主要通过技术经济比较,而水能计算的目的是定出水电站的一些基本技术生产指标(或称动能指标)如出力及发电量,水电站的工作情况及这些动能指标与参变数(正常蓄水位,死水位等)之间的关系,以供规划设计、方案选择之用。确定水电站动能指标值的计算,称为水能计算,或叫水能调节计算,它是水利计算的一个专门部分。
水电站的出力计算可应用公式(3-4)。设发电流量为Q( )。在△t秒内,有水体W=Q△t通过水轮机流入下游,则由公式(3-4)可得水量W下降H所做的功:
由物理概念,单位时间内所做的功叫功率,故水流的功率是单位为kgf*m/s。
一般的电力计算中,把功率叫出力,并用kW作为计算单位:1kW=102 kgf*m/s。通过变换可得:
上面两个式子都是计算出力的理论公式,但运行中由于这样那样的水头损失实际出力要小一些。这些水头损失△H也可以用水力学公式来计算,所以净水头此外,由水能变为电嫩能够的过程中也都有能量损失,令为总效率系数(包罗水轮机、传送带和发电机效率),则:
由此可知水电站出力大小与n、 Q、H有关。我们可以看出,水能计算不是一般的水利计算,首先他并不是单纯利用水量,而是利用水量与落差的乘积所代表的能量,有一个水头利用问题。其次,水能计算必须考虑到落差和效率的影响,效率系数不是固定不变动的,他与出力、水头、下泄流量等有关。下图为某类型水轮机运转综合特性图。
1、表明H一定时, 随N而变化,其间有一个效率最高值,当出力不变时, 也随H而变,其间也偶有一个最大值。
2、图中为额定水头,它表示在该水头以上,机组可以可以发出额定出力(也称额定容量)。在额定水头以下,机组可以发出的最大出力随H之减小而减小。这是因为
3、水头越小,受阻容量越大,因此在运行时水头有一定范围,在次范围内水轮机效率较高,出力受阻较小。这个范围一般以最小水头不小与最大水头的60%~70%来控制。应该指出,各种型号的水轮机有不同的运转综合特性曲线。
但是考虑水头损失和不同效率的水能计算,往往相当复杂,所以实际计算中,通常把机组效率作为常数来近似处理。这样,水能计算基本方程式可写成(3-8)
K为机组效率的一个综合效率系数,称为出力系数,由水轮机模型实验提供,也可以参考下表选用
类型
大型水电站
中型水电站
小型水电站
直接连用
皮带转动
经两次转动
出力系数
~
二、水能计算内容
在前面我们已经知道,径流调节计算的任务是解决来水、需水,设计保证率和库容四者之间的关系。水能计算的任务,广义的说,和径流调节一样,也是解决这四者之间的关系。经常遇到的水能计算任务是确定电站效益与工程规模之间的关系。由于用户需要的是电能,因此除供水量外尚需考虑水头因素,它比一般的径流调节计算要复杂一点。
电站效益通常用保证出力和多年平均电能两指标来衡量,而工程规模则以水库正常蓄水位和有效库容、引水渠道尺寸及电站装机容量为指标。它们之间的关系由于影响因素多比较复杂,通常难以用数学方程式来表达。所以在工程规划设计时,总是先拟订若干个不同正常蓄水位方案来分别计算。首先根据地形、地质、淹没条件,对可能考虑的水库正常蓄水位拟订几个方案,然后对每个方案分别进行水能计算,确定最有利的死水位,保证出力,装机容量,多年平均电能等。显然,正常蓄水位越高,调节库容越大,保证出力、装机容量,多年平均电能也越大,起发电效益也越显著,然而水电站投资也越大。这样可以通过不同方案的综合经济比较来选定合理的正常蓄水位,保证出力,装机容量和多年平均电能,这些就是水能