水利水能課程設計---水電站水能設計

1、<p>　　水利水能規(guī)劃課程設計</p><p>　　學生姓名: </p><p>　　學 號: </p><p>　　學 院: 土木建筑工程 </p><p>　　專 業(yè): 水利水電工程 </p><p

2、>　　題 目: **水電站水能設計</p><p>　　指導教師: </p><p>　　2012年 6 月 25 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一節(jié) 基本概況3</p><p><b>　

3、　一、流域概況3</b></p><p><b>　　二、基本資料3</b></p><p>　　第二節(jié) 正常蓄水位方案的選擇4</p><p>　　一、正常蓄水位方案的擬定4</p><p>　　二、消落深度的初步選定5</p><p>　　三、判斷水庫調(diào)節(jié)性能5&l

4、t;/p><p>　　四、消落深度的確定6</p><p>　　五、設計歷時保證率的確定6</p><p>　　六、各方案水能計算6</p><p>　　七、初步確定各方案裝機容量10</p><p>　　八、多年平均發(fā)電量計算12</p><p>　　九、各方案經(jīng)濟計算12</p

5、><p>　　十、綜合分析及最優(yōu)正常蓄水位方案的選定14</p><p>　　第三節(jié) 死水位的選擇26</p><p>　　第四節(jié) 裝機容量的最后確定26</p><p><b>　　附圖：</b></p><p>　　**水電站流域位置示意圖(缺)</p><p

6、>　　**水電站水庫水位～庫容關系曲線（35*50）cm</p><p>　　**水電站水庫水位～流量關系曲線（35*50）cm</p><p>　　**水電站出力保證率曲線（50*75）cm</p><p>　　出力～發(fā)電量曲線（50*75）cm</p><p>　　**水電站正常蓄水位～樞紐建設總投資關系曲線（25*35）cm<

7、;/p><p>　　**水電站正常蓄水位～樞紐工程量關系曲線（25*35）cm</p><p><b>　　工程特性表</b></p><p><b>　　第一節(jié) 基本概況</b></p><p><b>　　一、流域概況</b></p><p>　　黑水

8、河發(fā)源于我國靖西縣的新圩，經(jīng)岳圩流入越南境內(nèi)，再從德天沿越分界線流入我國大新縣的碩龍鎮(zhèn)，經(jīng)**、太平流到崇左縣的新和、屯峒匯入左江，見**水電站流域位置示意圖。</p><p>　　黑水河上游坡陡水急，水力資源豐富。** 水電壩址位于河道中游，在大新縣的太平張**村王屯附近。壩址控制流域面積3180平方公里（不包括越南境內(nèi)面積），壩下游4公里處設有**水文站，集雨面積3210平方公里，自1957年至1981年有實

9、測水文資料24年。</p><p><b>　　二、基本資料</b></p><p>　?。?）年徑流資料：表1給出**水文站歷年（1957-1981年）實測水文年（5-4月）旬平均流量~保證率統(tǒng)計表，經(jīng)分析后能直接移用至壩址，其多年平均流量Q=8235秒立米。</p><p>　　Qmin=5.46m3/s Qmax=741 m3

10、/s</p><p>　　表1 **水文站歷年實測水水文年（5-4月）旬平均流量分組大小排列</p><p>　　累積出現(xiàn)次數(shù)(m)和相應經(jīng)驗頻率(P=)</p><p>　　(2) 壩址下游水位與流量關系曲線：**電站廠房尾水處原設置水尺，有短期（1975-1979年）觀測資料，根據(jù)觀測的水位與對應時間**水文站觀測流量資料比較，可繪制廠房尾水水位與流量關系曲

11、線，即壩址水位流量關系曲線。見表3-1、表3-2。</p><p>　?。?）水位庫容曲線：由水庫實測地形圖計算得。見表2.</p><p>　?。?）水庫水量損失：庫區(qū)兩岸高山陡峻，水庫面積較小，水量損失不大。根據(jù)地質人員提供的資料水庫滲漏量也很少，幫電站進行水能計算時水量損失可忽略不計。</p><p>　　表2 **水電站水庫水

12、位~庫容關系表</p><p>　　表3-1 **水電站壩址水位~流量關系表（高水部分）</p><p>　　表3-2 **水電站壩址水位~流量關系表（低水部分）</p><p>　　表4 **水電站正常蓄水位~樞紐建設總投資關系表</p><p>　　表5

13、 **水電站正常蓄水位~樞紐工程關系表</p><p>　　第二節(jié) 正常蓄水位方案的選擇</p><p>　　一、正常蓄水位方案的擬定</p><p>　　1、正常蓄水位上限的確定</p><p>　　由水庫的淹沒限制高程286米可知，正常蓄水位不能高于286米；因在高程270米以上分布有溶洞，在高程250米的沙屯有暗河，故正常蓄

14、水位不可高于250米；根據(jù)壩址處河床高程在175米左右，且不宜修筑高壩（≤70米），可以判定正常蓄水位不能高于245米。綜合各條件可最終確定正常蓄水位的上限值為245米。</p><p>　　2、正常蓄水位下限的確定</p><p>　　已知**水電站的最低出力為Nmin=2~4萬千瓦。為計算出正常蓄水位的下限值，現(xiàn)取Nmin=2來計算。</p><p><b

15、>　　由公式，得</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　將Nmin=2萬千瓦，A=8.0，Q=82.5m3/s，代入（1）式，求得</p><p><b>　　=30.30m</b></p><p>　　由Q=82.5m3/s查水位~流量關系曲線（

16、低水部分），量得相應的水位 =179.48m。故正常蓄水位下限值為 =+=179.48+30.30=209.78m</p><p>　　3、正常蓄水位方案的擬定</p><p>　　由正常蓄水位的取值范圍[209.78m,245m]，選取205m，215m，225m，235m，245m五個水位作為初擬方案的正常蓄水位，列表如下：</p><p><b>

17、　　表6：</b></p><p>　　二、消落深度的初步選定</p><p>　　由Qmin=5.46m3/s查水位~流量關系曲線（低水部分）可得相應的水位=178.88m。水庫調(diào)節(jié)性能未確定，消落深度只可按經(jīng)驗取值：</p><p><b>　　多年調(diào)節(jié) </b></p><p><b>

18、　　年調(diào)節(jié) </b></p><p><b>　　日調(diào)節(jié) </b></p><p>　　其中 ，為初擬方案選取的正常蓄水位</p><p>　　三、判斷水庫調(diào)節(jié)性能</p><p>　　列表計算各方案的庫容系數(shù)β，再由β的范圍確定水庫的調(diào)節(jié)性能</p><p&g

19、t;　　表7 水庫調(diào)節(jié)性能計算列表</p><p><b>　　四、消落深度的確定</b></p><p>　　已知判定水庫的調(diào)節(jié)為日調(diào)節(jié)，故選取消落深度=2.00米。</p><p>　　五、設計歷時保證率的確定</p><p>　　由于**水電站初步規(guī)劃N=2~4萬千瓦，系統(tǒng)總容量為8.1萬千瓦

20、，**水電站在總系統(tǒng)中的水電容量的比重為[24.69%，49.38%]，查水電站設計保證率規(guī)范，取**水電站的設計歷時保證率P=90%。</p><p><b>　　六、各方案水能計算</b></p><p>　　1、計算并繪制水電站出力~保證率曲線。</p><p>　　由表1**水文站歷年（1957-1981年）實測水文年（5-4月）旬平均

21、流量~保證率統(tǒng)計表列表計算出水電站出力~保證率的關系曲線，具體計算過程如表8所示：</p><p><b>　　\</b></p><p><b>　　2、確定各保證出力</b></p><p>　　由水電站出力~保證率的關系曲線圖以及設計歷時保證率P=90%可確定各初擬方案的保證出力分別為：</p><

22、;p>　　方案一保證出力：0.199萬KW</p><p>　　方案二保證出力：0.277萬KW</p><p>　　方案三保證出力：0.352萬KW</p><p>　　方案四保證出力：0.429萬KW</p><p>　　方案五保證出力：0.505萬KW</p><p>　　3、計算并繪制出力~發(fā)電量（N~E

23、）關系曲線，計算如表9示：</p><p>　　七、初步確定各方案裝機容量</p><p>　　1. 供電范圍及負荷水平</p><p>　　**水電站按期供電主要對象為大新縣境內(nèi)的518礦區(qū)、桂南錳礦、大新鋁鋅礦等礦區(qū)，另外還供縣辦小型廠（機械廠、化肥廠、農(nóng)藥廠等）和農(nóng)業(yè)灌溉及居民用電，系統(tǒng)負荷初步估計為8.1萬千瓦。遠期納入南寧電網(wǎng)運行。</p>

24、<p>　　2. 水電站最大工作容量確定</p><p>　　由于缺乏完整的日負荷圖,但已知系統(tǒng)的日平均負荷率γ取0.85，日最小負荷β取0.70，通過判斷K*N保與P,,（γ-β）的關系即可知道水電站承擔系統(tǒng)負荷的位置，由計算列表可得各方案均有K*N?！碢,,（γ-β），即該水電站主要承擔系統(tǒng)的峰荷和部分腰荷。 </p><p>　　由最大工作容量公式N水工,,= ,對以下

25、表格中各項進行計算，最終計算結果見表：</p><p>　　3. 水電站備用容量的確定</p><p>　　N備= N負+N事+N檢</p><p>　　負荷備用容量N負根據(jù)水利動能設計規(guī)范，可采用系統(tǒng)最大負荷的5%；事故備用容量N事由于本水電站水庫調(diào)節(jié)庫容小，調(diào)節(jié)性能差，不宜擔任系統(tǒng)事故備用容量。</p><p>　　4. 水電站重復容

26、量的確定</p><p>　?。?）計算重復容量的經(jīng)濟利用小時數(shù)</p><p>　　h經(jīng)濟≥K水[（A/P*r0*n）+P水，，]/αf</p><p>　　K水——水電站補充千瓦造價，按500元/千瓦計；</p><p>　　P水，，——水電站補充千瓦運行費用率，取3%；</p><p>　　r0——額定投資效益系

27、數(shù)，取8%；</p><p>　　α——系數(shù)，取1.05；</p><p>　　f——每度火電電能的到廠燃料費f=bd；</p><p>　　b——每度電能消耗的燃料，按0.45共機公斤/度計；</p><p>　　d——每公斤燃料的到廠價格，按48元/噸計；</p><p>　　n——重復容量設備的經(jīng)濟壽命，取25年

28、。</p><p>　　其中A/P*r0*n查附表5，取0.9368。將以上數(shù)值代入公式最終可計算得經(jīng)濟利用小時h經(jīng)濟 = 2726.6小時。</p><p>　?。?）將重復容量的經(jīng)濟利用小時換算成百分數(shù)后，在出力保證率曲線上即可查得各方案得經(jīng)濟裝機容量N裝。</p><p>　?。?）計算系統(tǒng)水電站各方案得重復容量</p><p>　　N

29、重=N裝-N水工,,-N備</p><p>　　八、多年平均發(fā)電量計算</p><p>　　由初定的N裝查N～E年，即可得多年平均發(fā)電量，計算結果整理如下表所示：</p><p>　　表14 水電站各方案平均年發(fā)電量計算表</p><p><b>　　九、各方案經(jīng)濟計算</b></p><p

30、>　　各方案經(jīng)濟分析計算要求用效益費用比、增值效益費用比和內(nèi)部回收率的方法進行計算。</p><p><b>　　1.基本資料</b></p><p>　?。?）樞紐總投資K：按表繪Z正～K曲線（見附圖 ），按各方案Z正查取，見下表：</p><p>　　表15 水電站各方案樞紐總投資計算表</p><p>

31、;　　（2）各方案施工期m：正常蓄水位較低的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案為三年，正常蓄水位較高的第Ⅳ、Ⅴ方案為四年。</p><p>　?。?）各方案施工期各年投資占總投資的比例為：</p><p>　　m=3年，取30%；45%；25%</p><p>　　m=4年，取20%；40%；30%；10%</p><p>　　（4）年利率取 i = 8%&l

32、t;/p><p>　?。?）工程使用年限：水工建筑物使用年限按50年計算，機電設備使用年限按25年計算。</p><p>　?。?）機電設備更新費用K更新，根據(jù)各方案裝機容量按400元/千瓦計算。</p><p><b>　　表16</b></p><p>　?。?）受電收入B：根據(jù)各方案多年平均發(fā)電量扣除廠用電計算，經(jīng)濟分

33、析采用理論電價，按0.20元/度計，廠用電占發(fā)電量0.2%計。</p><p><b>　　表17</b></p><p>　?。?）年運行費U：根據(jù)各方案多年平均發(fā)電量按0.01元/度計算。</p><p><b>　　表18</b></p><p>　?。?）各方案均以工程全部建成開始投入運行的

34、年份作為折算基準年。</p><p>　　第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案資金折算圖：</p><p>　　第Ⅳ、Ⅴ、方案資金折算圖： </p><p>　　十、綜合分析及最優(yōu)正常蓄水位方案的選定</p><p>　　從動能技術經(jīng)濟指標和各項單位經(jīng)濟表6及方案間差值或增量表7進行綜合分析比較，并結合大新縣用電要求和人力、物力等情況，提出最優(yōu)的正常蓄水位方案

35、。</p><p>　　1. 各正常蓄水位方案的動能技術經(jīng)濟指標計算過程即成果表如下所示：</p><p>　?。?）至（11）項可由以上計算成果直接寫出；</p><p>　　（12）工程投資折算 ；</p><p>　　Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案的K折計算：</p><p><b>　　表19-1</b>

36、;</p><p>　?、?、Ⅴ方案的K折計算：</p><p><b>　　表19-2</b></p><p>　?。?3）機組更新折算；</p><p>　　機電設備更新費用根據(jù)各方案裝機容量按400元/千瓦計算。</p><p>　　將n=25時的機組更新費用代入公式K更折=K更新/（1+i）

37、n</p><p>　　查附表5，可知=0.146，</p><p>　　即可列表計算得到折算值K更折。</p><p><b>　　表20</b></p><p>　?。?4）工程總運行費用折算；</p><p>　　代入公式：U折=U*[（1+i）n-1]/[i*（1+i）n]計算，</

38、p><p>　　其中n取50年，查表=12.233。</p><p><b>　　表21</b></p><p>　?。?5）工程總效益折算；</p><p>　　代入公式：B折=B*[（1+i）n-1]/[i*（1+i）n]計算，</p><p>　　B=（E年-E廠用電）*0.2 E廠用電 =0

39、.2%*E年 </p><p><b>　　表22</b></p><p>　　（16）效益——費用比值；</p><p>　　B折/（K折+K更新+U折）</p><p><b>　　表23</b></p><p>　?。?7）內(nèi)部回收率計算；</p><

40、;p><b>　　利用公式 ：</b></p><p>　　，因為IRR=i，所以把一系列IRR值代入試算，當?shù)玫降腘PV介于（-10，10）時，假設的IRR符合條件。</p><p><b>　　試算過程：</b></p><p><b>　　表24-1</b></p><

41、p><b>　　表24-2</b></p><p><b>　　表24-3</b></p><p><b>　　表24-4</b></p><p><b>　　表24-5</b></p><p>　　表24-6 內(nèi)部回收率計算匯總表</p&

42、gt;<p>　?。?8）單位千瓦投資；</p><p>　　K水=工程總投資K/裝機容量N裝 </p><p><b>　　表25</b></p><p>　?。?9）單位電能投資；</p><p>　　K能=工程總投資K/E年</p><p><b>　　表25<

43、/b></p><p>　　（20）單位電能成本；</p><p><b>　　U能=1分/度</b></p><p>　　最終的計算結果見下表：</p><p>　　表26 各正常蓄水方案動能技術經(jīng)濟指標計算成果表</p><p>　　2. 各正常蓄水位方案間的技術經(jīng)濟指標計算比較

44、見下表：</p><p>　　表27 各正常蓄水方案間技術經(jīng)濟指標計算比較表</p><p>　　3. 綜合分析及選定最優(yōu)正常蓄水位方案：</p><p>　?。?）動能經(jīng)濟指標：</p><p>　　由以上列表可以看出隨著正常蓄水位的增加，保證出力，裝機容量，年平均發(fā)電量均增加，且各方案間差值不大，由此可以說明以上的判斷水電站為日

45、調(diào)節(jié)水電站是正確的。</p><p>　?。?）經(jīng)濟效益指標：</p><p>　　◆效益——費用比值方案Ⅰ～Ⅴ分別是4.26、4.79、5.00、4.78、4.59，都大于1，且方案Ⅲ的最大，可見方案Ⅲ有其優(yōu)越性。</p><p>　　◆通過內(nèi)部回收率的計算可知方案Ⅰ～Ⅴ的內(nèi)部回收率分別為：</p><p>　　35.22%、39.55%、

46、41.34%、35.32%、34.09%，均大于8%，且方案Ⅲ的41.34%是最大的。</p><p>　　◆隨著正常蓄水位的增加，四個方案工程投資增加，但增值較為穩(wěn)定，保持在一定的值，且ΔB/ΔC＞1，其中方案Ⅲ的增值效率為5.94是最大的。</p><p>　　◆通過對單位千瓦投資、單位電能投資、單位電能成本的比較，方案Ⅲ有較為明顯的優(yōu)勢，方案Ⅲ投資小、效益大、利用率高，是理想的投資方

47、案。</p><p>　　◆工程量比較：隨著正常蓄水位的增加，增加的工程量是一樣的。</p><p>　?。?）其它指標評定：</p><p>　　◆實物指標：回水計算，主要居民點都在286m高程以上，以下居民點人口稀</p><p>　　少，涉及的移民安置問題容易解決，土地淹沒呈均勻增長。</p><p>　　◆人力

48、、物力情況：**水電站為砌石大頭壩，建高壩投資大，淹沒耕地面積</p><p>　　◆大,本水電站為小型水電站，不宜投入投入過多的人力、物力，所以Z正較低為合理。</p><p>　　◆用電要求：黑水河水資源豐富，工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達，主要用電有礦區(qū)工廠、灌溉及居民用電，設計為2～4萬千瓦，遠期納入南寧電網(wǎng)，為了水資源的綜合利用，可適當提高正常蓄水位。</p><p>　

49、　◆重復容量方面：本水電站為日調(diào)節(jié)水電站，在豐水期有較多棄水，方案Ⅲ的重復容量較大，可充分利用水資源。</p><p>　　◆施工期要求：方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的施工期為3年，方案Ⅳ、Ⅴ的施工期為4年，一般按早運行、早發(fā)電、早創(chuàng)收的原則去選擇。</p><p>　　綜合以上各方面的考慮，方案Ⅲ為最優(yōu)方案。</p><p>　　表28 方案Ⅱ綜合特性表</p>

50、;<p>　　第三節(jié) 死水位的選擇</p><p>　　在正常蓄水位已經(jīng)確定的情況下，對于死水位的選擇，一般也需要進行方案比較，才能選定合理的死水位，但對**水電站來說，因為水庫調(diào)節(jié)性能差，只能進行日調(diào)節(jié)，需要的水庫興利庫容不大，消落深度變化很有限，故不再進行方案的比較，只驗算所選方案V興能否滿足日調(diào)節(jié)水庫的需要及泥沙淤積要求即可。</p><p>　　1. 能否滿足日

51、調(diào)節(jié)水庫的需要：</p><p>　　在洪水期由于天然來水較多，水電站總是可以將全部容量投入運行，整天處于滿負荷工作狀態(tài)，不需進行日調(diào)節(jié)。而在枯水期，當水電站水庫具有枯水日來水量的20%～25%的興利庫容時即可進行興利調(diào)節(jié)。</p><p>　　W枯水日=Q90%*24*3600=10.0*24*3600=86.4萬立方米</p><p>　　根據(jù)判斷V興=260萬

52、立方米＞20%～25%W枯水日，滿足水庫日調(diào)節(jié)要求。</p><p>　　2. 能否滿足泥沙淤積要求：</p><p>　　黑水河河水水質較好，含沙量少，泥沙淤積高程較低，故V興能夠滿足泥沙淤積要求。</p><p>　　第四節(jié) 裝機容量的最后確定</p><p>　　1. 根據(jù)水能計算初步確定裝機容量后，一般尚需要根據(jù)目前的機組

53、供應條件，大致選定機組型式、臺數(shù)、單機容量等，然后進行系統(tǒng)容量平衡，檢查是否能夠滿足對電力、電能及其它方面的要求。本設計由于缺乏年負荷圖，只能根據(jù)目前的機組供應情況，結合**水電站壩址地形條件對廠房布置的限制情況，最后確定裝機容量，并驗證原來確定的歷時保證率是否符合規(guī)范要求。</p><p>　　2. **水電站壩址兩岸河谷狹窄，基巖屬于灰?guī)r層，開挖極為困難，對廠房布置要求有一定的限制，以避免大體積山體基巖開挖

54、，因此安裝機組臺數(shù)不宜超過四臺，但從目前機組的供應情況來看，以下為所有的發(fā)電機組資料：</p><p>　　金城江生產(chǎn)的青獅潭機組（水輪機號HL123—LJ—140型）四臺。該機型號要求Hmax=45.1m，Hmin=26.0，Hp=30.5m，單機容量0.32萬千瓦，另提供澄碧河機組（水輪機號HL220—LJ—140型），Hmax=58.2m，Hmin=36.0m，Hp=49.5m，Qp=15.6秒立米，單機容

55、量0.65萬千瓦。</p><p>　　3. 發(fā)電機型號的選擇及臺數(shù)的確定：</p><p>　　通過計算可知Hmin兩種機型都能滿足要求，Hmax為46.1m，可見，青獅潭機組略偏低，由于豐水期來水較大，為了充分利用水資源，應選擇Hmax較大的澄碧河機組。</p><p>　　n=N裝/N單=2.710/0.65=4.17臺，故最終選擇4臺。</p>

56、<p>　　N裝,,=0.65*4=2.6萬千瓦；</p><p>　　4. 確定正常蓄水位：</p><p>　　Z正=Z下+Hp+△h損</p><p>　　Z下由n*Qp=4*15.6=62.4秒立米，查Z～Q曲線得到Z下=179.4m，；Hp=49.5m。</p><p>　　最終計算得Z正=179.4+49.5+1.

57、0=229.9m。</p><p>　　計算所得的正常蓄水位大于方案Ⅲ的正常蓄水位，則滿足計算要求。</p><p>　　5. 保證率驗算：</p><p>　　計算最終裝機容量占系統(tǒng)裝機容量的32%左右，查水電站設計保證率規(guī)范表可知P在90%～95%之間，滿足要求。</p><p>　　6、確定與Z正相應的N保和年發(fā)電量。N保由內(nèi)插法求得