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10.1 水能利用与电力系统负荷课程教案、知识点、字幕

各位同学 大家好

本节我们来介绍水能利用与电力系统负荷

这一节主要涉及三个内容

第1部分 水能利用

第2部分 电力系统负荷与容量组成

第3部分 水电站与火电厂的工作特点

大家在前序课程的《水利工程概论》中

已经了解过水力发电的相关知识

对水能的概念已然了解

正如我们前序课程中介绍的

水具有资源和能源双重属性

所谓资源及水资源

所谓能源即水能

水能是一种典型的清洁能源

可再生能源

绿色能源

主要指水体的动能 势能和压力能等能量资源

早期人们将水能转化为机械能

用于磨米 磨面等

而现在水能主要用于水力发电

即将水的势能和动能转换成电能

由于水力发电

以水流动力为原料

因此其不像煤和石油受储存量的限制

很多人常将水能比成取之不尽

用之不竭的再生性清洁能源

当然 这种取之不尽

用之不竭是有条件限制的

即水流动力是循环往复的才行

我们国家是全球水力发电的领跑者

大家知道我国水力资源极其丰富

水能蕴藏量6.76亿kW

可开发容量3.78亿kW

居世界第一

我国水电建设从解放初期装机16.3万kW

发展到2018年底装机3.52亿kW

其中 常规水电3.22亿kw

抽水蓄能0.3亿kw

年发电量接近1.2万亿千瓦时

且目前水电装机容量

占全国发电总装机容量的18.5%

还有一定的发展空间

随着巴黎协定的持续推进

可再生能源的比例仍会提高

水电的发展也将持续保持

其在电力系统中的重要地位

既然水能这么重要

作为水利类专业的学生

我们就必须要掌握水能利用的原理与计算方法

因此 接下来我们就来介绍一下

如何开展水能计算

首先我们来了解水能计算的目的

简单说就是确定水电站的出力和发电量

及它们随时间变化的规律

大家都知道水电站是将水能

通过水轮机转化机械能

再通过发电机转化为电能的设施

那么

我们怎么能确定一段河道里

到底有多少电能呢

在我们PPT的右上角

给出一个天然河道的断面图

根据伯努里方程我们可以建立水流能量公式

当河段较短时

可认为两个断面上的大气压强相差甚微

可认为p1=p2

式中压力能可消除

若流量一定

且两断面面积相差不大

则动能项之差值所占比重很小

也可以忽略

因而 上式可写成公式E=HWγ

H表示水头

W表示水量

γ表示水的容重

由能量推求出力

即功转功率时

即可得到N=γQH

将γ取值

即可得到出力值等于N=9.81QH

这里N表示水电站的出力

即发电机组的出线端送出的功率

单位kw

E则对应水电站的发电量

单位kW·h

由上述公式可以看出

水头和流量(或水量)是构成水能的

两个基本要素

它们是水电站动力特性的重要参数

由此

我们也将能够更容易地理解

蓄水水电站的工作原理

抬高水头

增加流速

这样能够增加风电量

当然这里的水头和流量

并不是我们进水口出的观测值

由于其不可避免地会在流动过程中

产生摩擦

进而存在一部分能量损失

因而最后的计算中

我们通常会采用净水头

即扣除水头损失的有效水头

而在发电过程中由于机械摩擦才生的损失

则要通过来表征

其会计入到出力公式中

从以上的分析中

我们可以发现水能计算的目的简单说

就是将水能转化为机械能

在转化为电能

而这一过程中

我们需要重点关注两个水电站的动能指标

1保证出力

2多年平均发电量

这里所谓的出力

就是指发电机组的出线端送出的功率

也就是我们前面所讲的N

保证出力指水电站(群)在与设计保证率相应的

不利水文时段(如枯水年)的平均出力

那么什么是设计保证率呢

它是指水电站运行过程中

正常工作不遭破坏的概率

即时段平均出力大于或等于保证出力的概率

水电站保证出力是水电站

最重要的技术指标之一

也是水电站能量的基础

在进行水电站规划设计时是按水电站的

保证出力进行电力平衡

确定容量效益的

这一点

等介绍了电力负荷之后

就会有一个更清楚的认识了

水电站保证出力的大小一般

与开发方式 水文特性

电站调节性能和调节方式有关

其中水文特性特别是来水量

及来水过程非常关键

再好的机组

枯水期来水偏少

其保证出力呢

不可能很大

那么它能上网的电量也就极为有限

效益无法发挥

由上述可知

水电站的出力主要取决于

落差和流量两个因素

那么为了充分利用这两个因素

我们在水能的开发方式

或者电站类型上也主要遵循这两点来开展设计

按照调节流量和集中水头两个层面

可以将我们现行的水电站进行分类

第一种

按调节流量的方式分可以分为蓄水式电站

和径流式电站

蓄水式电站一般需要修建大坝

形成水库

壅高水头

而径流式电站

则主要利用天然流量来发电

第二种一般按集中水头方式来分

可分为坝式水电站

引水式水电站和混合式水电站

其中

坝式水电站一般在河道中修建拦河坝

抬高上游水位

形成坝上下游的水位差

我们又可以将其细化为坝后式和河床式

坝后式一般适用于山区

具有高水头

大调节库容

比如我们国家的丹江口 新安江等

就是坝后式水电站

而河床式水电站一般修建于河流中下游

比较平缓的河段

这些地方一般容易产生更多的淹没损失

所以一般将厂房和低坝联合挡水

主要借助大水流发电

因此它具有低水头大流量的特点

比如富春江 葛洲坝就是这种类型

引水式水电站一般分布在河流上游

坡度比较陡峻的河段上

筑一低坝

通过引水建筑物(如明渠 隧洞 管道等)

把集中落差利用起来

形成发电水头来发电

这种电站一般有较高的水头

但没有或仅有很小的调节库容

它呢

在我国南方许多省份比较常见

根据管道输水特点可以分为无压引水式

和有压引水式两种

一般这种电站都有三部分组成

即首部枢纽

包括包括拦河坝 泄水建筑物 冲沙建筑物

和进水建筑物

引水建筑物

包括引水道 调压室及压力管道

第三个是它的厂房枢纽

包括主厂房 副厂房 变配电站及尾水建筑物

最后一个类型是混合式水电站

顾名思义

就是前两种开发方式的结合

也就是水头由坝和引水建筑物共同形成

比如向江西龙潭水电站 天生桥二级水电站

就是这种形式

了解了水电站的情况

那么他的下游

电力系统是个什么样子

怎么才能让水电站利用水能发出来的电

输入到我们的电网中

被千家万户来使用呢

这就需要我们先了解一下电力系统

其实电力系统很简单就是一个

把若干电站(包括水电站 火电站

及其他类型的电站)联合起来

共同满足各类用户需电要求的这样一个网络

他建立了各电站之间

及电站与用户之间的关系

由于电力系统一个多类型电源站点的集合体

那么我们在规划设计水电站时

必须要了解电力系统中各类用户的需电要求

以及其他电站组成等情况

也就是知道系统的买家是谁

他有多大的需求

什么样的需求

另外除了自身外

还有哪些卖家再向外兜售产品

电力系统中的买家

也就是我们的用电户

大类上来讲

包括工业 农业 交通 生活等

不同买家的要求与特点不同

但由于需求的物品单一

也就是电

因此可以将其整合起来

形成一个对电力系统的需求

也就是我们在电力行业中所提到的负荷图

负荷图就是将系统内所有用户的

负荷变化过程迭加起来

再加上线路损失和本厂用电

所得到的系统负荷变化过程线

这个就是我们的负荷图

一日的负荷变化过程线称日负荷图

一年的负荷变化过程线称年负荷图

左上图为一般大中型电力系统的日负荷图

这里有三个特征值

即日最大负荷 最小负荷和平均负荷

利用这三个特征值

我们可以将整个日负荷图划分成三个部分

即基荷 腰荷和峰荷

水电站可以选择不同的位置负荷去承担

但不同位置对水电站的电力输出要求也不同

下面是一张年负荷图

它表示一年内负荷的变化过程

年最大负荷反映系统负荷对各电站最大出力

或发电设备容量的要求

年平均负荷图所包含的面积相当于

系统用户的年需电量

也是系统内各电站年发电量的总和

负荷其实就是电力系统的买家需求

那卖家是什么样子的呢

整个卖家其实就是

我们的电力系统的容量组成

前面我们讲了

电力系统中的卖家不仅仅有水电

还有火电

风电 太阳能等其他类型

不同类型的总的装机容量

就是我们的电力系统的容量组成

一般情况下

我们的电力系统对容量

也就是卖家的出货和存货量有两点要求

① 电力系统中各电站当天

能够随时投入运行的机电设备容量

不小于该天最大的日负荷

② 电力系统中各电站每天储备的水量

以及燃料所能发出的电能

必须不小于日负荷图所要求的电量

年复合也是如此

这两个条件的专业术语分别叫做

容量平衡和电量平衡

通常情况下

年负荷图是确定电力系统中

各电站装机容量的主要依据之一

也可以看作是我们卖家所说的

行业潜力分析报告

当负荷无法满足时

就意味着必须要新建电源

上面所说的容量是一个正常值

但在电力系统中

为了维持稳定

不仅包括正常容量

还会有一些其他的容量设定

比如负荷备用容量

它在工作容量也就是正常负荷需求之外的

需增设的一定数量的容量

主要用来应付突然的负荷跳动

比如像冶金工厂中大型轧钢机的启动和停机

都会产生大的负荷跳动

还有事故备用容量

主要是为了避免因机组发生故障

而影响系统正常供电

而在电力系统中设置的一定数量的

事故备用容量

还有检修备用容量

主要应对在停机检修时

为了代替检修机组工作而专门设置的容量

还有一个水电站特有的容量

叫重复容量

它是指水电站因为丰水期需要弃水

这部分水所能发出的电是没有被电网购买的

但是浪费又可惜

因此

可以利用这部分弃水来发电

产生的电可以替换等量的火电

从而减少燃料消耗和温室气体排放

这也是我们水电被称为清洁能源的

最有力的体现

那么水电还有那些与火电不一样的特点呢

让我们细细道来

第一

水电站出力和发电量

一般会随天然径流情况而变化

一般变化较大

因此其保证程度易破坏

而火电站不一样

只要有充足的燃料

他的供电可靠性一般都较高

第二

水电站由于受地形 地质 水文等

自然条件的限制

站址和规模常受到制约

而火电站没有这些问题

可直接兴建在负荷中心或燃料产地

第三

水电站一般工程投资较大

施工期较长

而火电站不同

他的投资都较少

收效也较快

第四

水电站的能源是天然可再生能源

不像火电站那样需要燃料

水电站厂内用电也比较少

运行费较低

而且几乎与生产的电能数量无关

火电这方面是没有办法比的

第五

水电站水轮发电机组启动和停机迅速

增减负荷灵活

一般从启动到满负荷工作只需几分钟

而火电站从启动到满负荷运行

一般要2~3小时

且发电机组“惯性”很大

不易适应负荷的急速变化

因此水电站在电力系统中比较适应担负

峰荷 负荷备用和调节周波等任务

最后一点就是我们上一张提到的

水电站对环境没有污染

而火电站存在温室气体排放和热污染

本节就到此结束了

谢谢大家的观看与学习

水文水利计算课程列表:

第一章 绪论

-1.1 水资源开发利用及洪水灾害治理

--1.1 水资源开发利用及洪水灾害治理

--1.1 水资源开发利用及洪水灾害治理

--1.1 小节测试

--1.1 课后讨论

-1.2 水文水利计算的任务与内容

--1.2 水文水利计算的任务与内容

--1.2 水文水利计算的任务与内容

--1.2 小节测试

--1.2 课后讨论

-1.3 水文水利计算的主要研究方法

--1.3 水文水利计算的主要研究方法

--1.3 水文水利计算的主要研究方法

--1.3 小节测试

--1.3 课后讨论

第二章 洪峰流量及时段洪量的频率分析

-2.1 洪水资料的分析处理

--2.1 洪水资料的分析处理

--2.1 洪水资料的分析处理

--2.1 小节测试

-2.2 历史洪水的调查和考证

--2.2 历史洪水的调查和考证

--2.2 历史洪水的调查和考证

--2.2 小节测试

-2.3 考虑历史洪水资料信息的洪水频率计算方法

--2.3 考虑历史洪水资料信息的洪水频率计算方法(上)

--2.3 考虑历史洪水资料信息的洪水频率计算方法(下)

--2.3 考虑历史洪水资料信息的洪水频率计算方法

--2.3 小节测试

--2.3 课后讨论

-2.4 设计成果的合理性分析

--2.4 设计成果的合理性分析

--2.4 设计成果的合理性分析

--2.4 小节测试

-2.5 设计洪水值的抽样误差和安全修正值问题

--2.5 设计洪水值的抽样误差和安全修正值问题

--2.5 设计洪水值的抽样误差和安全修正值问题

--2.5 小节测试

--2.5 课后讨论

第三章 防洪安全设计与设计洪水

-3.1 防洪安全设计

--3.1 防洪安全设计

--3.1 防洪安全设计

--3.1 小节测试

-3.2 设计洪水概念

--3.2 设计洪水概念

--3.2 设计洪水概念

--3.2 小节测试

-3.3 设计洪水过程线的拟定

--3.3 设计洪水过程线的拟定

--3.3 设计洪水过程线的拟定

--3.3 小节测试

--3.3 课后讨论

-3.4 设计洪水的地区组成

--3.4 设计洪水的地区组成

--3.4 设计洪水的地区组成

--3.4 小节测试

-3.5入库设计洪水

--3.5 入库设计洪水

--3.5 入库设计洪水

--3.5 小节测试

--3.5 课后讨论

第四章 由暴雨推求设计洪水

-4.1 暴雨特性分析

--4.1 暴雨特性分析

--4.1 暴雨特性分析

--4.1 小节测试

-4.2 点暴雨量频率计算

--4.2 点暴雨量频率计算

--4.2 点暴雨量频率计算

--4.2 小节测试

-4.3 面暴雨量频率计算

--4.3 面暴雨量频率计算

--4.3 面暴雨量频率计算

--4.3 小节测试

--4.3 课后讨论

-4.4 设计暴雨量的时空分布计算

--4.4 设计暴雨量的时空分布计算

--4.4 设计暴雨量的时空分布计算

--4.4 小节测试

-4.5 由设计暴雨推求设计洪水

--4.5 由设计暴雨推求设计洪水(上)

--4.5 由设计暴雨推求设计洪水(下)

--4.5 由设计暴雨推求设计洪水

--4.5 小节测试

--4.5 课后讨论

第五章 小流域及城市设计洪水

-5.1 小流域设计暴雨

--5.1 小流域设计暴雨

--5.1 小流域设计暴雨

--5.1 小节测试

-5.2 由推理公式推求设计洪水

--5.2 由推理公式推求设计洪水

--5.2 由推理公式推求设计洪水

--5.2 小节测试

--5.2 课后讨论

-5.3 由地区经验公式推求设计洪水

--5.3 由地区经验公式推求设计洪水

--5.3 由地区经验公式推求设计洪水

--5.3 小节测试

-5.4 城市化对水文的影响

--5.4 城市化对水文的影响

--5.4 城市化对水文的影响

--5.4 小节测试

-5.5 城市排水管网设计流量计算

--5.5 城市排水管网设计流量计算

--5.5 城市排水管网设计流量计算

--5.5 小节测试

--5.5 课后讨论

第六章 可能最大暴雨与可能最大洪水

-6.1 可能最大暴雨的基础理论

--6.1 可能最大暴雨的基础理论

--6.1 可能最大暴雨的基础理论

--6.1 小节测试

-6.2 可能最大暴雨的估算

--6.2 可能最大暴雨的估算

--6.2 可能最大暴雨的估算

--6.2 小节测试

-6.3 可能最大洪水

--6.3 可能最大洪水

--6.3 可能最大洪水

--6.3 小节测试

--6.3 课后讨论1

--6.3 课后讨论2

第七章 设计年径流及其年内分配

-7.1 年径流及其表征指标

--7.1 年径流及其表征指标

--7.1 年径流及其表征指标

--7.1 小节测试

-7.2 影响年径流的要素

--7.2 影响年径流的要素

--7.2 影响年径流的要素

--7.2 小节测试

-7.3 具有长期实测资料时设计年径流量及年内分配的分析计算

--7.3 具有长期实测资料时的设计年径流量及年内分配计算与分析

--7.3 具有长期实测资料时的设计年径流量及年内分配计算与分析

--7.3 小节测试

--7.3 课后讨论

-7.4 具有短期实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算

--7.4 具有短期实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算

--7.4 具有短期实测径流资料时设计年径流量及年内分配的分析计算

--7.4 小节测试

--7.4 课后讨论

第八章 需水量计算与预测

-8.1 用水户分类及其层次结构

--8.1 用水户分类及其层次结构

--8.1 用水户分类及其层次结构

--8.1 小节测试

-8.2 工业需水量的计算与预测

--8.2 工业需水量的计算与预测

--8.2 工业需水量的计算与预测

--8.2 小节测试

--8.2 课后讨论

-8.3 灌溉用水量的计算与预测

--8.3 灌溉用水量的计算与预测

--8.3 灌溉用水量的计算与预测

--8.3 小节测试

-8.4 生态需水的计算与预测

--8.4 生态需水的计算与预测

--8.4 生态需水的计算与预测

--8.4 小节测试

--8.4 课后讨论

-8.5 其他用水的计算与预测

--8.5 其他用水的计算与预测

--8.5 其他用水的计算与预测

--8.5 小节测试

第九章 径流调节计算

-9.1 径流调节的定义及分类

--9.1 径流调节的定义及分类

--9.1 径流调节的定义及分类

--9.1 小节测试

--9.1 课后讨论

-9.2 水库特性

--9.2 水库特性

--9.2 水库特性

--9.2 小节测试

--9.2 课后讨论

-9.3 水库的水量损失

--9.3 水库的水量损失

--9.3 水库的水量损失

--9.3 小节测试

-9.4 设计保证率

--9.4 设计保证率

--9.4 设计保证率

--9.4 小节测试

-9.5 径流调节计算基本原理

--9.5 径流调节计算基本原理

--9.5 径流调节计算基本原理

--9.5 小节测试

--9.5 课后讨论

-9.6 根据用水过程确定水库的兴利库容

--9.6 根据用水过程确定水库的兴利库容(上)

--9.6 根据用水过程确定水库的兴利库容(下)

--9.6 根据用水过程确定水库的兴利库容

--9.6 小节测试

-9.7 根据兴利库容确定调节流量

--9.7 根据兴利库容确定调节流量

--9.7 根据兴利库容确定调节流量

--9.7 小节测试

-9.8 根据既定兴利库容和水库操作方案推求水库运用过程

--9.8 根据既定兴利库容和水库操作方案推求水库运用过程

--9.8 根据既定兴利库容和水库操作方案推求水库运用过程

--9.8 小节测试

--9.8 课后讨论

第十章 水电站水能计算

-10.1 水能利用与电力系统负荷

--10.1 水能利用与电力系统负荷

--10.1 水能利用与电力系统负荷

--10.1 小节测试

--10.1 课后讨论

-10.2 保证出力与多年平均发电量计算

--10.2 保证出力与多年平均发电量计算

--10.2 保证出力与多年平均发电量计算

--10.2 小节测试

--10.2 课后讨论

-10.3 水电站装机容量的选择

--10.3 水电站装机容量的选择

--10.3 水电站装机容量的选择

--10.3 小节测试

-10.4 正常蓄水位与死水位选择

--10.4 正常蓄水位与死水位选择

--10.4 正常蓄水位与死水位选择

--10.4 小节测试

--10.4 课后讨论

第十一章 灌溉工程水利计算

-11.1 灌溉工程水利计算概述

--11.1 灌溉工程水利计算概述

--11.1 灌溉工程水利计算概述

--11.1 小节测试

-11.2 引水灌溉工程水利计算

--11.2 引水灌溉工程水利计算

--11.2 引水灌溉工程水利计算

--11.2 小节测试

-11.3 蓄水灌溉工程水利计算

--11.3 蓄水灌溉工程水利计算

--11.3 蓄水灌溉工程水利计算

--11.3 小节测试

-11.4 提水灌溉工程水利计算

--11.4 提水灌溉工程水利计算

--11.4 提水灌溉工程水利计算

--11.4 小节测试

-11.5 地下水灌溉工程水利计算

--11.5 地下水灌溉工程水利计算

--11.5 地下水灌溉工程水利计算

--11.5 小节测试

第十二章 防洪工程水利计算

-12.1 水库调洪的任务

--12.1 水库调洪的任务

--12.1 水库调洪的任务

--12.1 小节测试

-12.2 水库调洪计算的原理

--12.2 水库调洪计算的原理

--12.2 水库调洪计算的原理

--12.2 小节测试

-12.3 水库调洪计算的列表试算法

--12.3 水库调洪计算的列表试算法

--12.3 水库调洪计算的列表试算法

--12.3 小节测试

--12.3 课后讨论

-12.4 水库调洪计算的半图解法

--12.4 水库调洪计算的半图解法

--12.4 水库调洪计算的半图解法

--12.4 小节测试

-12.5 其他情况下的水库调洪计算

--12.5 其他情况下的水库调洪计算

--12.5 其他情况下的水库调洪计算

--12.5 小节测试

10.1 水能利用与电力系统负荷笔记与讨论

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