水利水能综合规划优秀课程设计优质报告.doc

《水利水能计划》
课程设计

学生姓名：
学 号：
专业班级：
指导老师：
年 月 日

目录

3
5
6

7
10
15
15
18

26
29

1.概述
一、工程特征表 ……………………………………………………………
二、流域自然地理情况（包含社会经济概况…………………………………
三、工程概况 ………………………………………………………………
2.设计过程及设计结果
一、设计年径流………………………………………………………………
二、设计洪水 ………………………………………………………………
三、正常蓄水位选择 ………………………………………………………
四、死水位选择 ……………………………………………………………
五、水能设计 ……………………………………………………………
（1）确保出力、确保电能计算
（2）装机容量选择和多年平均发电量计算
六、设计洪水位、校核洪水位确定 ……………………………………………
3. 汇报总结 ………………………………………………………………

水位、校核洪水位确

一、工 程 特 性 表

一、河流特征

序号
项 目
单位
数量
备 注
1
坝址以上流域面积
km2
52438

2
主河道长度
km
541

3
主河道比降
‰
0.58

4
多年平均气温
oC
19.6

5
多年平均降水量
mm
1758

6
多年平均流量
m3/s
1728

7
多年平均径流量
亿m3
545

8
多年平均径流深
mm
1039

9
CV

0.24

10
CS

0.48

11
枯水期平均流量
m3/s
870.5

12
CV

0.29

13
CS

0.58

14
实测最大流量
m3/s
30200

15
实测最小流量
m3/s
117

16
年最大洪峰流量均值
m3/s
17457.24

17
CV

0.302

18
CS

0.906

19
年最大三天洪量均值
亿m3
33.17

20
CV

0.32

21
CS

0.96

22
年最大七天洪量均值
亿m3
58.15

23
CV

0.31

24
CS

0.93

25
设计洪峰流量
m3/s
39830

26
校核洪峰流量
m3/s
46752

27
设计三天洪量
亿m3
77.595

28
校核七天洪量
亿m3
156.479

二、水库特征

序号
项 目
单位
数量
备 注
1
正常蓄水位
m
65

2
死水位
m
53.52

3
淤沙水位
m
27

4
汛期限制水位
m
61

5
设计洪水位
m
65.1

6
校核洪水位
m
67.46

7
堰顶高程
m
43

8
坝顶高程
m
70

9
总库容
亿m3
25.977

10
兴利库容
亿m3
9.38

11
死库容
亿m3
14

12
库容系数
%
1.72

13
水库调整性能

差

14
拦河坝坝型

混凝土重力坝

15
最大坝高
m
100

16
坝顶长度
m
783

17
溢洪道型式

坝顶溢洪道

18
溢洪道孔数

12

19
闸门尺寸（宽×高）、形式
m
15*22

20
消能方法
m
鼻坎挑流

21
泄水底孔孔数

2

22
闸门尺寸（宽×高）、形式
m
5*8

23
最大下泄流量
m3/s
37393
设计
24
最大下泄流量
m3/s
43569
校核

三、电站特征

序号
项 目
单位
数量
备 注
1
装机容量
万kW
140

2
机组台数

7

3
单机容量（水轮机）
万kW
20

4
多年平均发电量
万kW-h
52.8

5
装机年利用小时数
h
3800

6
确保出力
万kW
23.6

7
水轮机型式型号

ZZ-LJ-800

8
发电机型式型号

Sf200-56/11950

9
第一台机组发电日期

1993.6.30

10
七台机组全部发电日期

1995.5.31

11
最大水头
m
57.4

12
最小水头
m
46.825

13
平均水头
m
15.99

14
设计水头
m
51.1

15
设计流量
m3/s
3598

16
引水建筑物型式

埋藏式压力管道

17
引水管数量

7

18
钢管内径
m
11.44

19
厂房型式

坝后式地面厂房

20
水量利用系数
%
0.75

二.流域自然地理情况（包含社会经济概况）
自然地理情况：闽江流域形状呈扇形，支流和干流多直交成方格状水系。水量丰富，年径流量621亿立方米，水力蕴藏量632万瓩。 　　南平以下是关键水运通道，马尾是福州内河港。 闽江支流众多，水量丰富，多年平均径流量为1980立方米/秒，流域面积在中国关键河流中居第十二位，年平均径流量居全国第七位。流域面积比闽江大11倍多黄河，水量只及闽江92％。　
闽江上游有三支：北源建溪，中源富屯溪，正源沙溪。三大溪流蜿蜒于武夷山和戴云山两大山脉之间，最终在南平周围相会始称闽江，以下又分为中游剑溪尤溪段和下游水口闽江段。上游水系发达，流域面积占整个闽江流域70％，水量占整个闽江水量75％。
支流 　　南平以上：沙溪、富屯溪、崇阳溪、南浦溪、松溪、建溪。 　
　南平以下：尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪。 中、上游滩多水急，水力资源丰富，理论蕴藏量641.8万千瓦，占全省河流水力资源理论蕴藏量60%。可开发水力装机容量约468万千瓦。现在闽江流域已建成大中型水电站 23个，装机容量达316万千瓦。
社会经济概况：　闽江是本省最长河流，闽江流域历史悠久，文化繁荣，经济发达，是本省关键经济区之一。不过，闽江流域环境污染和生态破坏正日益加剧，已经威胁到流域人民生活条件和身体健康，影响流域改革开放形象和流域经济连续发展。闽江流域拥有全省二分之一国土，三分之一人口，五分之二经济总量和大量资源。闽江流域经济和社会发展，对全省经济和社会发展有决定性影响。闽江流域自然资源丰富。森林蓄积量2.86亿立方米，占全省66.5%。毛竹蓄积量5.9亿根，约占全省毛竹总积蓄量8.40亿根3/4。关键矿产有煤、铁、石灰石、硫铁矿、重晶石及钨、铌、钽等有色、稀有金属。闽江水系可供发电装机容量468万千瓦，已开发有古田溪水电站、沙溪口水电站和水口水电站，后者装机容量为140万千瓦。闽江系山区型河流，航道滩多流急，航槽窄，弯曲半径小，航运能力较低。闽江上游及关键支流只能通行小型机帆船。南平至水口通60吨客货轮，莪洋至马尾通300吨顶推船队，马尾以下通6000吨海轮。
三、工程概况
1. 概述
水口水电站是福建闽江干流上一座大型水电站，是国家“七五”关键建设项目，是以发电为主，兼有航运等综合效益大型水利水电工程。
闽江是福建省最长河流，起源于闽赣交界武夷山脉，上游有建溪﹑富屯溪和沙溪三大支流，于南平周围汇合后称为闽江。南平以下沿程纳尤溪﹑古田溪﹑梅溪﹑大樟溪等支流，最终流经福州马尾入海。干支流流经32个县市，流域面积60992km2，河长541km。
水口水电站在闽清县上游14km处，坝址上游距南平市94km，下游距福州市84km。
2．水文和气象
坝址以上集水面积52438km2，全流域多年平均降水量1758mm，坝址处多年平均流量1728m3/s，年径流总量545亿m3，实测最大流量30200m3/s，实测最小流量117m3/s。多年平均气温19.6OC，极端最高气温40.3OC，极端最低气温-5.0OC。多年平均相对湿度78%。
坝址断面下游竹岐水文站，集水面积54500km2，含有1934 ~ 1977年实测年、月径流和洪水资料，并含有1900、1877、1750、16调查考证洪水资料。
3．地形和地质
① 地形 坝址两岸地形基础对称，山体雄厚。常水位河面宽约380m。左岸岸坡20O，右岸岸坡在70m高程以下为30O，以上略平缓。两岸山坡大部分基岩裸露，河床基岩面存在两个深槽，砂卵石冲击层通常厚5~10m，最深达29m。库区为狭长河道型库区。
② 地质 坝址处基岩关键为黑云母花岗岩，岩性致密，坚硬，完整。因为后期岩浆活动，有少许岩脉侵入。岩脉关键为细晶花岗岩，花岗斑岩，辉绿岩等。全部岩脉和黑云母花岗岩接触紧密，胶接良好。坝址区在结构上属于相对稳定区，未发觉较大断层，仅有较小断裂及挤压破碎带，倾角陡。
4．枢纽部署及关键建筑物
电站枢纽由大坝、发电厂房、三级船闸、升船机和开关站组成。大坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高100m，坝顶长度783m。溢洪道部署在河中，为坝顶溢洪道，共12孔，设弧形闸门，尺寸（宽×高）为：15×22m，消能方法为鼻坎挑流。两侧各设置一个泄水底孔，设弧形闸门，尺寸（宽×高）为：5×8m。发电厂房在坝后河床，为坝后式地面厂房，主厂房尺寸（长×宽）304.2×34.5。水轮机型式型号为轴流转桨ZZ-LJ-800，发电机型式型号为伞式SF200-56/11950。引水建筑物采取埋藏式压力钢管，每台机组单独一条引水钢管。500T级三级船闸和500T垂直升船机部署靠右岸，船闸闸室尺寸（长×宽×水深）135×12×3m，升船机承船箱尺寸（长×宽×水深）124×12×2.5m。220千伏开关站和预留500千伏变电站部署在左岸发电厂房下游山坡上。
工程于1987年3月9日开工建设，第一台机组于1993年6月30日发电，全部机组于1995年5月31日建成并网发电。

二.设计过程及设计结果
1.设计年径流
依据实测年径流资料，用同倍比法推求设计丰水年和设计中水年，用同频率法推求设计枯水年。设计确保率P=90%。
步骤：
对年平均流量系列和枯水期平均流量系列（10~3月）进行频率分析，求出符合设计确保率设计年径流量和设计枯水期流量
设计年径流及枯水期平均流量频率分析后可得年平均径流分析

图（1）
枯水期平均流量分析可得
图（二）

选择代表年，用同倍比法和同频率法推求设计代表年年内分配：
设计中水年、丰水年（同倍比法）：
设计枯水年（同频率法）：
枯水期：

汛期： 将缩放倍比分别乘以对应代表年各月流量，即为设计代表年。

计算时段
均值
Cv
Cv/Cs
P=10%
P=50%
P=90%
12个月
1728
0.24
2
2276.22
1694.94
1222.36
枯水期六个月
870.5
0.29
2

566.67

丰水年
中水年
枯水年

枯水年代表年年总和 枯水年代表年 设计枯水年
16011 543.67 566.67
设计枯水年 K枯=Q枯P/Q枯D=566.67/543.67=1.042
K讯=12*QP-Q枯P*T枯/12*QD-Q枯D*T枯
=1222.36*12-566.67*6/（16011-543.67*6）=0.884
K枯=1.042 K汛=0.884

丰水年代表年平均 设计丰水年
2280 2276.22
K丰=QP/QD=2280*12/2276.22*12=1.002 K丰=1.002

中水年代表年平均 设计中水年
1730 1694.4
K中=QP/QD=1730*12/1694.4*12=1.021 K中=1.021
枯水、中水、丰水年缩放后以下

K枯=1.042

枯水年
(*)K讯=0.884
中水年
K中=1.021
丰水年
K丰=1.002
四
2060
*1821.04
2160
2205.36
3600
3607.2
五
2800
*2475.2
3150
3216.15
6720
6733.44
六
4090
*3615.56
4890
4992.69
6550
6563.1
七
1070
*945.88
3300
3369.3
1720
1723.44
八
1820
*1608.88
1460
1490.66
1280
1282.56
九
909
*803.556
994
1014.874
1210
1212.42
十
549
572.058
1100
1123.1
491
491.982
十一
458
477.236
1020
1041.42
402
402.804
十二
436
454.312
509
519.689
371
371.742
一
551
574.142
434
443.114
686
687.372
二
340
354.28
386
394.106
1330
1332.66
三
928
966.976
1290
1317.09
2960
2965.92

2、设计洪水
设计洪水标准：设计标准 P = 0.1% 校核标准 P = 0.01%
步骤： 对竹岐水文站实测及调查洪水资料（洪峰流量、三天洪量、七天洪量）进行频率分析（需作特大值处理），求出洪水统计参数： 及对应CV 、CS 值 ，
并推求符合设计洪水标准设计值：
进行洪水频率分析时有五个特大洪水
序号 实测值 PMa 洪峰流量PⅢ配线结果
Ⅰ 41600 .00270 均值: 17457.241
Ⅱ 34200 .00541 Cv: .302
Ⅲ 30200 .00811 Cv/Cs: 3.0
Ⅳ 30200 .01081
Ⅴ 29400 .01351 对洪峰流量分析
图（三）

《枯水期三天洪量频率计算》计算结果

样本均值 Ex=33.17
变差系数 Cv=0.32
偏态系数 Cs=0.96
倍比系数 Cs/Cv=3

三天洪量分析

图（四）

七天洪量分析
《七天洪量频率计算》计算结果

样本均值 Ex=58.15
变差系数 Cv=0.31
偏态系数 Cs=0.93
倍比系数 Cs/Cv=3

图（五）

推求出
洪峰 三天洪量 七天洪量
设计(0.1%) 40601.702 80.66 138.03
校核（0.01%） 47666.298 95.43 162.66

利用竹岐水文站经典洪水过程推求经典洪水过程线

图（六）
利用竹岐经典洪水过程线，用同频率法推求设计洪水过程线，放大倍比：

上述求出是竹岐水文站放大倍比，还需换算到坝址断面：

洪峰 ： F坝= 52438km2
F竹= 54500km2
n= 0.5

洪量：

经缩放后校核、设计洪水过程
图（七）

3、正常蓄水位 Z蓄 选择
Z蓄 = 65 m
4、死水位 Z死 选择（消落深度 h消 选择）
死水位选择需考虑以下原因：
① 动能最优
判别调整类型
① 水电为主电网年调整：设计枯水年；多年调整：设计枯水系列

② 火电为主电网
年调整：设计中水年；多年调整：设计中水系列

下流流量水位曲线

图（八）
水库面积容积特征曲线
图（九）
使用简算法：

序号
1
2
3
4
Z蓄（m）
65
65
65
65
h消（m）
5
10
15
20
Z死（m）=
60
55
50
45
V兴（m3/s）=
4.69
8.36
11.61
14.23
B兴(%)=
0.
1.
2.
2.
QH（m3/s）=
511.7456654
558.26024081
599.45162231
632.65821293
Z下（m）
8.
8.
8.
8.
V死+V兴/2亿m3
21.035
19.2
17.575
16.265
Z上（m）
62.5
60.6
58.5
56.3
N（Kw）
236494.72492
248505.13707
255694.38196
257647.91047
E供（KW·h）
.38
.19
.5
.93

求得E供～h消

图（十）

H消=14m Z死1=65-14=51m

② 水轮机正常运行对消落深度限制
h消 = （20 ~ 30）% Hmax
下游生态流量为300m/s 查表得下游最小水位为7.6m
Hmax=65-7.6=57.4 h消=57.4*0.2=11.48 Z死2=53.52m

③ 淤沙水位对取水口高程限制

Δh1 ：底槛厚度，取 0.5 ~ 1.0 m
Δh2 ：淹没水深，取 1.5 ~ 2.0 m
D ： 压力管经济管径
求D;设计流量（最大引用流量）：

确定压力管径时，水口电站采取每台机单独一条引水管，故计算时应采取单机最大引用流量。
装机容量用装机年利用小时数估算：
h装 = 3500h
多年平均发电量用下式估算：
E=0.000272*η利*W电*H=.7Kw·h η利=0.75
Ny=E/h装=1442247.619Kw
V经济=5m/s
D=11.44m
淤积水位确定：
水库使用T年后泥沙淤积总库容V总淤：V总淤=V年淤T V年淤=V悬移+V推移
式中 V总淤----水库使用T年后泥沙淤积总量，m3
V年淤----多年平均年淤沙容积，m3/a
V悬移----多年平均悬移质泥沙淤积容积，m3/a
V推移----多年平均推移质泥沙淤积容积，m3/a
T ----设计淤积年限为1
V悬移=（ρ0W0m）/[(1-P)γ] V推移=β V悬移
ρ0 ------多年平均悬移质含沙量，kg/m3 ，由实测资 料确定；
W0 ----多年平均径流量，m3
m -----悬移质泥沙沉积率，和库容大小相关，水库越大，下泄沙量越少。
P -----悬移质泥沙孔隙率，通常为0.3~0.4
γ -----悬移质泥沙干容重，2600~2700 kg/m3
β -----推移质和悬移质泥沙沉积量比值，一 般平原地域为0.01~0.05，丘陵 地域为 0.05~0.15，山区 0.15~0.30
ρ0=0.143kg/m3 W0=545亿m3 γ=2600kg/m3 m=0.5 β=0.2
V悬移= 0.02498 亿m3
V推移= 0.00500 亿m3
V年於=V推移 +V悬移=0.02998 亿m3
V总於=100*V年於=2.998 亿m3 查水位库容曲线可得 Z於=27m
Δh2= 1.5 m Δh1=0.5 m
Z死3=27+11.44+1.5+0.5=40.44 m
Z死=Max（Z死1、Z死2、Z死3）=Max（51m、53.52m、40.44m）=53.52m
5、确保出力 NP 和确保电能 EP 计算
等出力调整（图解法），需考虑水量损失和水头损失。
水量损失： （各月取一样）
渗漏： （按中等地质条件考虑）
蒸发：年蒸发水深

水头损失： ΔH损 = 0.04H毛 H净 = H毛 – ΔH损 = 0.96H毛

K
0.92
W损月=W渗月+W蒸月 （m3）
21725742.667
h水Max （mm）
1172.448
W渗=1%V （m3）
18690000
h陆=X-Y （mm）
718.78782562
Q损月 （m3/s）
8.
年降雨量X （mm）
1758

Y （mm）
1039.21

h年蒸 （mm）
453.66

W蒸年 （m3）
36428912.00

W蒸月 （m3）
3035742.67

月份
Qe（m3/s）
Q净（m3/s）
月份
Qe（m3/s）
Q净（m3/s）
四
1821.04
1812.773
十
572.058
563.791
五
2475.2
2466.933
十一
477.236
468.969
六
3615.56
3607.293
十二
454.312
446.045
七
945.88
937.613
一
574.142
565.875
八
1608.88
1600.613
二
354.28
346.013
九
803.556
795.289
三
966.976
958.709

取六个月为供水期
计算Qh=590m3/s·月 查得下游水位Z下=8.298m Z上=60m
H毛=51.70m h净=49.633m
Np=AQ净H
简算Np=24.91万Kw
等出力调整计算确保出力 NP （图解法）：
先用简算法估算出 NP ，然后依据 NP 大小在其上下假定 3 各方案，
NP1=22万Kw
NP2=23万Kw
NP3=24万Kw。
① 取坐标系统及作水库工作曲线
② 作固定出力线假定：
图（十一）

图（十二）
图（十三）
求得死水位和确保出力关系

图（十四）
死水位53.52m =532.3 m3/s·月 故确保出力为23.6万Kw

6、装机容量及多年平均发电量计算

不供不蓄期Q净= Qe –ΔQ损月

列表法：
然后将36个月出力Ni 从大到小排列，作出力历时曲线。
Δt = 730h n = 3

图（十六）

作 关系图。
图（十七）

技术设计阶段：电力电量平衡Ny=N工+N备+N重
(1) 最大工作容量=N工
电力电量平衡原理，水口电站按负担峰荷确定。方法：试算法
① 假定 N工，划分水电、火电和其它电站工作范围
② 求水电站供水期各月峰荷工作容量（峰荷出力）

图（十八）
④ 求供水期系统峰荷总需电量E供需
供水期系统峰荷总需电量为：
⑤ 电量平衡确定最大工作容量
⑴ 假如 ，则即为所求；
⑵ 假如，重新假设，返回②。

图（十九）
解得 N工 E供需
150 1416.35 （100万Kw·h）
100 697.14 （100万Kw·h）
70 346.44 （100万Kw·h）
50 174.63 （100万Kw·h）
图（二十）

Np=23.6万Kw Ep=Np*T供=1034（100万Kw·h）
由图可得N工=120万Kw
(2) 备用容量
N备 = N负荷 + N事故 + N检修
N负荷系 = 5% N系” ，由靠近负荷中心，调整性能很好水电站负担；
N事故系 = 10% N系” ，但不得小于系统中最大单机容量（福建最大单机35万kW （设计时））。
N检修 ：在负荷图上平衡确定。
此次只考虑 N事故=0.1*120=12万Kw
N必 = N工” + N备=132万Kw
(3) 反复容量 N反复
反复容量用反复容量经济利用小时数 h经济 确定：
经验确定： 蓄水式: ~ 3000 h
径流式: 3000 ~ 4000 h

在出力连续曲线上，由 h经济 在 N必 之上确定 N反复 。

图（二十一）

(4) 求装机容量及多年平均发电量
Ny最终选择140万Kw 水电站共有七台机组则
单机容量20万Kw * 7=Ny=140万Kw
由关系曲线图（十七）可得 h装=3800h
多年平均发电量 E=52.8 亿Kw·h
7、设计洪水位 Z设 和校核洪水位 Z校 计算
水口电站溢洪道共12孔，B = 15 m，弧形闸门： H = 22 m。Z堰 = 43.0 m ，Z限 = 61.0 m ε= 0.90，m=0.502
q=εm（2g）2H3/2
推求出Z~V Z~q 曲线图（二十二）
求得设计洪水调洪过程
图（二十三）图（二十四）
图（二十五）
图（二十六）
设计洪水位为：65.1 m
设计洪水最大下泄量：37393 m3/s
出现在102小时一分钟

校核洪水位为：67.46m
校核洪水最大下泄量：43569 m3/s
出现在102小时10分钟

3. 汇报总结
经过一周多水利水能计划课程设计，其中有顺利，也有曲折，返工自是不在话下，即使返工很麻烦，不过不得不压迫自己继续下去，最终熬到了结束是时刻，经过课程设计，对以前所学工程水文学及水利水能计划全部有了一个清楚概念，大致了解了设计求解水电站基础参数所要经历步骤，总算没有白费所发时间。