1.3　水电站基本公式及技术术语

1.3.1　水电站出力基本公式

1.3.1.1　出力公式

1.3.1.2　发电量公式

如装机1万kW的水电站,连续满负荷发电24h,则发电量为10000×24=24万kW·h。

1.3.1.3　装机年利用小时

装机容量年利用小时数(annual operation hours of installed capacity)以水电站多年平均年发电量与装机容量的比值表示电站装机容量利用程度的指标。单位为小时(h)。

多年平均年发电量(average annual energy output)水电站在多年期间各年发电量的算术平均值。

1.3.2　水电站的调节性能

水电站的调节性能分为无调节和有调节。

1.3.2.1　无调节(径流式水电站)

无调节能力,或由于综合利用要求,水电站不能进行调节运行,发电流量完全由天然径流决定,一般利用小时较低。

1.3.2.2　有调节(调蓄式水电站)

其调节性能分为日调节(周调节)、年调节(季调节、不完全年调节)、多年调节。年(季)调节和多年调节是将年和年际间分配不均匀的入库径流通过调节,以适应年内和年际变化相对稳定的负荷过程,达到减少弃水、扩大水电站电力电量效益的目的。

一座水电站的调节能力常用库容系数(调节库容占多年平均入库径流量的比重)来判别。当库容系数β在30%以上时,为多年调节水电站;8%≤β<30%时,为年调节水电站;当3%≤β<8%时,为不完全年调节。

(1)日调节。是指一昼夜内进行的径流重新分配,即调节周期为24h。具有日(周)调节能力的水库电站称为日调节水电站。日调节库容较小,一般仅需设计枯水年枯水期日平均流量乘以10h的库容,周调节所需库容为日调节库容的1.15～2.0倍,β<3%。

(2)周调节。在枯水季节里,河流中的天然流量往往变化不大,但系统中一周内双休日的平均负荷常小于其他日的平均负荷,因此水电站可把双休日多余的水量储存起来,用以增加其他各工作日的平均出力,即为周调节。这种调节所需的库容不大,获得的电站容量效益较小,因为储存两天的多余水量,需分配至5d内用。日(周)调节是将较均匀的入库径流通过调节成急剧变化的径流下泄(发电),以适应日(周)负荷急剧变化的要求,目的是扩大水电站的容量效益,调节周期为一周(7d)。

(3)年调节(季调节、不完全年调节)。一般可将年调节、季调节、不完全调节统称年调节。将汛期多余水量的一部分储存于水库中,以补给枯水期的发电水量,即为年调节,因又是丰、枯季的水量调节,又称季调节。仅具有年(季)调节能力的水电站,只能容纳汛期的部分多余水量,并于枯水期末全部放空,因此又称不完全年调节。

若能将设计枯水年不均匀的来水量调节成按电力系统需要的流量排放,同时不产生弃水则称完全年调节。

(4)多年调节水电站。将丰水年或丰水年组的多余水量储存在水库里,用于增加以后一个或几个枯水年的供水量,称多年调节。多年调节水库在枯水年份可进行完全年调节,在一般来水年份可进行年(季)调节,在汛期也常进行调节,多数年枯水期末水库往往并不放空,只有遇到连续枯水年时才放到死水位,在丰水年份的丰水期水库蓄满后才可能弃水。可承担电力系统的调峰任务,对规模较大的水电站,常设计负荷备用,承担系统的调频任务。

多年调节水电站同时承担年调节和日(周)调节功能,年调节水电站也承担日(周)调节功能,因此两者与日调节水电站相比,增加了枯水季水量,更扩大了容量效益,并减少了丰水年(年、季)弃水量,还增加了电量效益。

1.3.3　水电站工程等别及防洪标准

1.3.3.1　水电站等别、级别

根据《防洪标准》(GB 50201—94)、《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000),水利水电枢纽工程,根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。我国规定一般把装机容量5万kW以下的水电站定为小型水电站,30万～5万kW为中型水电站,30万kW以上为大型水电站。其中装机容量大于120万kW为一等大(1)型水电站,120万～30万kW为二等大(2)型水电站,30万～5万kW为三等中型水电站,5万～1万kW为四等小(1)型水电站,小于1万kW为五等小(2)型水电站。水利水电枢纽工程的分等指标见表1.3.1。

根据水工建筑物的等别,按照表1.3.2来确定建筑物的级别,根据级别按照表1.3.3来确定防洪标准。

1.3.3.2　水库和水电站工程防洪标准

防洪标准(flood control standard),是指根据防洪保护对象的重要性和经济合理性而由国家确定的防御洪水的标准。《防洪标准》(GB 50201—94)、《水利水电枢纽工程等级划分和洪水标准》(SL 252—2000)是确定工程建筑物防洪标准的依据,根据其级别按表1.3.3确定。

河床式水电站厂房作为挡水建筑物时,其防洪标准与挡水建筑物的防洪标准相一致。嘉陵江宁强巨亭水电站装机容量4万kW,总库容2300万m3,为河床式电站,按装机容量工程为Ⅳ等小(1)型工程,按库容为Ⅲ等中型工程,由于为河床式电站,综合确定巨亭水电站为Ⅲ等中型工程,按50年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。

2015年5月1日起实施的《防洪标准》(GB 50201—2014)中规定,装机容量小于5万kW(不含5万)的水电站为小型水电站,不再分小(1)型和(2)型。小于1万kW的水电站为Ⅴ等工程,大于等于1万kW,小于5万kW的为Ⅳ等工程。

工程规模决定工程等别,等别决定工程级别,级别决定工程防洪标准及安全系数。一般是工程级别越高,防洪标准越高,安全系数越高。如装机小于1万kW的水电站厂房为Ⅴ等小(2)型工程,防洪标准30年一遇洪水设计,50年一遇洪水校核;而大于1万kW小于5万kW的水电站厂房为Ⅳ等小(1)型工程,防洪标准为50年一遇洪水设计,100年一遇洪水校核。

1.3.4　水电站常用技术术语

1.3.4.1　水文

(1)流域面积。流域分水线与河口断面之间所包围的集水或汇水面积。单位km2。

(2)流量(discharge or flow rate)。单位时间内通过过水断面的流体体积。单位m3/s。

水电站引用流量(quotative discharge of hydropower station)。通过水电站引水系统进入各台水轮机的流量之和。

(3)坝址多年平均年径流量。通过坝址的多年平均水量,单位万m3或亿m3。

(4)坝址多年平均流量。通过坝址多年流量的平均值,单位m3/s。

(5)河道生态基流。维持河床基本形态、保障河道输水能力、防止河道断流、保持水体一定的自净能力的最小流量,是维系河流的最基本环境功能不受破坏,必须在河道中常年流动的最小水量阈值。《建设项目水资源论证导则(试行)》(SL/Z 322—2005)中关于生态基流有三种计算方法:

1)多年平均径流量的百分数。北方地区取10%～20%,南方地区取20%～30%。陕西省在2007年规定,小水电站下泄的生态基流不能小于坝址断面多年平均流量的10%。

2)近10年最小月平均流量(或90%保证率最小月平均流量)。

3)典型年法(未断流又未出现较大环境问题的最枯月平均流量,年径流量最好与多年平均径流量接近)。

(6)河道比降(河道纵比降gradient)。分为水面比降和河床比降,用某河段顺水流方向的水面或河床底面落差除以水平距离表示。

1.3.4.2　水库

1.特征水位

(1)正常蓄水位(正常高水位,设计蓄水位,兴利水位)(normal pool level,normal high water level)。水库在正常运用情况下,为满足设计的兴利要求在供水期开始时应蓄到的最高水位,又称正常高水位、兴利水位。它决定水库的规模、效益和调节方式,也在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库的淹没损失,是水库最重要的一项特征水位。当采用无闸门控制的泄洪建筑物时,它与泄洪堰顶高程相同;当采用有闸门控制的泄洪建筑物时,它是闸门关闭时允许长期维持的最高蓄水位,也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。

(2)死水位(minimum pool level,dead water level)。水库在正常运用情况下,允许消落到的最低水位。日调节水库在枯水季节水位变化较大,每24h内将有一次消落到死水位。年调节水库一般在设计枯水年供水期末才消落到死水位。多年调节水库只在多年的枯水段末才消落到死水位。水库正常蓄水位至死水位之间的深度叫消落深度(工作深度drawdown depth)。

(3)设计洪水位(design flood level)。设计洪水时在坝前达到的最高水位,它是水库在正常运用(设计)情况下允许达到的最高水位,也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。

(4)校核洪水位(非常洪水位check flood level)。校核洪水时在坝前达到的最高水位,它是水库在非常运用(校核)情况下,允许临时达到的最高水位,一般情况下(校核洪水位不一定是工程最高水位)是确定大坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。

当工程泄洪规模较大,设计洪水位、校核洪水位也可能低于正常蓄水位。

(5)防洪限制水位(汛前限制水位,limiting level during flood season)。水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库汛期防洪运用时的起调水位。防洪限制水位的拟定关系到防洪和兴利的结合问题,如汛期内不同时段的洪水特性有明显差别时,可分期采用不同的防洪限制水位。

(6)防洪高水位(top level of flood control)。水库遭遇下游防护对象的设计洪水时在坝前达到的最高水位。只有当水库承担下游防洪任务时,才需确定这一水位。

(7)汛期排沙水位。多沙河流上的水库为保持一定调节库容,减少淤积及库尾淹没损失,降低对上游梯级电站尾水水位影响,设置汛期排沙运行水位。当来流量达到一定流量(一般为造床流量,约为2～3年一遇洪水位时),降低到排沙水位运行。水库特征水位及库容示意图见图1.3.1。

2.库容

(1)兴利库容(有效库容,调节库容available storage,effective storage)。正常蓄水位至死水位之间的水库容积。

(2)总库容(total copacity of reservoir)。水库最高水位以下的水库静库容。它是一项表示水库工程规模的代表性指标,作为划分水库工程等别及建筑物等级,确定工程安全标准的重要依据。总库容100万m3以下时为小(2)型水库,100万～1000万m3为小(1)型水库;1000万m3～1亿m3以中型水库;1亿m3以上为大型水库。

(3)防洪库容(flood control storage)。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积。当汛期各时段分别拟定不同的防洪限制水位时,这一库容指其中最低的防洪限制水位至防洪高水位之间的水库容积。

(4)调洪库容(flood control storage)。设计洪水位至防洪限制水位之间的水库容积。

(5)共用库容(common storage)。正常蓄水位至防洪限制水位之间汛期用于蓄洪、非汛期用于兴利的水库容积,又称重复利用库容,结合库容。

(6)死库容(垫底库容dead storage)。死水位以下的水库容积。一般用于容纳水库淤沙、抬高坝前水位和库区水深。在正常运用中不调节径流,也不放空。只有因特殊原因,如在排沙、水工程建筑物检修和战备情况下,才考虑泄放这部分容积。

(7)库容曲线。它是以水位为纵坐标,以库容为横坐标绘制而成,是水库规划设计和管理调度的重要依据。在运行中,可以根据当前水位确定水库当前库容。图1.3.2为某工程库容曲线。

(8)泄流曲线。反映水电站枢纽溢流表孔、中孔、底孔单独及联合泄洪时,水位与泄洪流量关系的曲线。通过水位可以方便查取泄量。

1.3.4.3　调节

(1)库容系数(coefficient of storage)。调节库容占多年平均入库径流量的比重。β>30%属多年调节,8%≤β<30%属年调节,3%≤β<8%属不完全年调节,β<3%属日调节。

(2)补偿调节(compensative regulation)。对有水力联系或电力联系的水电站群,利用各电站的水库在水文要素及库容系数方面的差别而进行相互补偿的供水或蓄水,以提高全部水电站动能效益的调节。

(3)反调节(再调节re-regulation or counter regulation)。下游水库对上游水库下泄流量的重新调节。

(4)调节周期(period of regulation)。水库一次蓄泄循环的历时。

(5)水库调度(reservoir operation)。确定水库运用中决策变量(电站出力、供水量、弃水量、时段末库水位等)与状态变量(时段初库水位、入库流量、时间等)间的关系的工作。

1.3.4.4　装机

1.设计保证率(design dependability)

设计保证率规划设计中选用的在多年期间用水部门的正常用水得到保证的程度(常以保证正常用水的历时与计算总历时或保证正常用水的年数与计算总年数比值的百分数表示)。

2.尾水位(tail water lever)

尾水位是水电站尾水出口断面的水面高程。

(1)正常尾水位。水电站所有机组满载发电时的尾水位。

(2)最低尾水位。水电站单机最小流量发电时的尾水位,用于确定水电站安装高程。装机多于2台时,应满足1台机组在各种水头下最大出力运行时的吸出高度和相应尾水位的要求;装机1～2台时,应满足1台机组在各种水头下50%最大出力运行时的吸出高度和相应尾水位的要求;灯泡贯流式机组根据电站水头、流量、出力和转轮空蚀系数的实际组合工况进行计算确定,并满足尾水管出口顶部淹没0.5m以上的要求;冲击式水轮机的安装高程应满足排室和0.2～0.3m的通气高度要求;立轴式水轮机尾水管出口顶缘应低于最低尾水位0.5m;卧轴式水轮机尾水管出口的淹没水深应大于0.3m。

3.水头(water head)

水电站进口断面与尾水出口断面之间的单位水体的机械能之差。常近似地用该两断面的水位差代替。

(1)毛水头(gross head)。水电站进口断面与尾水出口断面的水位差。

(2)净水头(net head)。水电站的毛水头减去发电水流在输水道内的全部水头损失后的水头。

(3)最大水头(maximum head)。水电站正常运行期间,水库(对坝式及混合式)或前池(对引水式)的正常蓄水位和相应的下游最低水位之差。

(4)最小水头(minimum head)。水电站正常运行期间,上游最低水位与相应的下游最高水位之差。

(5)设计水头(design head)。保证水电站水轮发电机组发出额定出力时的最小水头。

(6)平均水头(arithmetic average head)。在一定计算时期内各计算时段(日、旬、月等)的水头以算术平均计算得的水头。

(7)加权平均水头(weighted average head)。针对较长运行时期内以发电量为权重计算的平均水头。

(8)水轮机额定水头(rated head)。水轮机在额定转速下发出额定输出功率时的最低水头。

(9)水头损失(head loss)。以水柱高度表示的单位重量的水体在流动中所消耗的机械能。包括局部损失和沿程损失。流速、糙率越大一般沿程损失越大。

4.电站出力和发电量(power and energy output of hydropower station)

(1)水电站出力(power output of hydropower station)。水电站所有机组的发电机端母线上输出的功率之和。我国规定用kW为计量单位。

(2)水电站保证出力(firm power,firm output)。水电站在相应于设计保证率的供水时段内的平均出力。以水电站保证出力乘以相应的计算历时得出的电能量为保证电能(firm energy)。

(3)季节性电能(seasonal energy)。水电站多年平均年发电量减去保证电能所得的电能量。

(4)水电站装机容量(installed capacity of hydro power station)。一座水电站全部水轮发电机组额定出力之和。

1.3.4.5　洪水(flood)

由降雨或冰雪消融使河道水位在较短时间内明显上涨的大流量水流。江河、湖泊中每年季节性或周期性的涨水现象称为汛(seasonal flood)。江河、湖泊中每年出现汛水的时期称为汛期(flood season),黄河流域一般为5—10月,长江流域一般为4—10月。

1.重现期(recurrence interval)

不小于(不大于)一定量级的水文要素出现一次的平均时间间隔年数,以该量级频率的倒数计。在防洪、排涝研究暴雨或洪水时,频率P(%)和重现期N(年)存在下列关系,即

例如,某水库大坝校核标准洪水的频率P=0.1%,由上式得N为1000年,称1000年一遇洪水。即出现不小于P=0.1%的洪水,在长时期内平均1000年遇到一次,若遇到大于该标准的洪水时,允许其他建筑物受到损坏,但主体工程安全应不受影响。

2.洪水三要素

三要素是指洪峰流量Q、洪水总量W和洪水历时T(过程线),用来表示洪水峰、量、型。小水电站水库规模较小,设计中主要是洪峰流量控制着工程规模。

(1)洪峰流量。在一次洪水过程中,通过河道的流量由小到大,再由大到小,其中最大的流量称为洪峰流量Q。在岩石河床或比较稳定的河床,最高洪水位出现时间一般与洪峰流量出现的时间相同。大江大河由于流域面积大,接纳众多支流的洪水,往往现多峰;中小流域则大都为单峰;持续降雨往往出现多峰,单独降雨则一般为单峰。

(2)洪水总量W。洪水总量是指一次洪水通过河道某一断面的总水量。洪水总量按时间长度进行统计,如1日洪水总量、3日洪水总量、7日洪水总量等。

(3)洪水历时T。洪水历时是指在河道的某一断面上,一次洪水从开始涨水到洪峰出现然后回落至起涨水位这一过程所经历的时间。

(4)洪水传播时间。洪水传播时间是指自河流上游某断面洪峰出现到河流下游其断面洪峰出现所经历的时间。在防汛调度中,常利用洪水传播时间进行错峰调洪,或进行洪水预报。

(5)洪水过程线。以时间为横坐标,以流量(水位)为纵坐标,绘出从起涨到峰顶再到落尽的整个过程曲线,称为洪水过程线。

暴雨型洪水过程线,流域面积小、河槽汇流快、河网的调蓄能力低的山区河流,洪水多为陡涨陡落型。流域面积大,不同场次的暴雨在不同支流形成的多次洪峰先后汇集到大河时,各支流的洪水过程往往相互叠加,又由于河网、湖泊、水库的调蓄,洪峰的次数减少,而历时则加长,涨落较为平缓。设计中一般选择峰高量大,洪峰偏后的最不利的洪水过程线作为设计洪水过程线。

3.洪水等级按洪峰流量重现期划分为4级

(1)一般洪水5～10年一遇。

(2)较大洪水10～20年一遇。

(3)大洪水20～50年一遇。

(4)特大洪水大于50年一遇。