颜家河水电站设计——水利水能规划课程设计.doc

目 录第一章 流域基本情况和资料21.1流域概况21.2水文资料31.3电站基本情况3第二章 水文分析计算32.1设计年径流分析计算32.2分析计算过程及成果52.3设计洪水分析10第三章 电站分析153.1 尾水断面水位流量关系153.2 电站水能分析计算163.3 电站动能指标与电能参变数分析18附表19第二章附表19第三章附表22参考文献24第一章 流域基本情况和资料1.1流域概况颜家河水电站位于宝鸡市颜家河乡，是渭河干流陕西境内最上游的水资源开发工程，坝址控制流域面积29348 km2。电站站址控制流域面积29950 km2。渭河发源于甘肃渭源县乌鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三省26个县（市），全长818km，总流域面积6.24万km2。渭河由宝鸡风阁岭流入陕西境内，于陕西潼关港口东汇入黄河，陕西境内河长502km，流域面积3.32万km2，分别占渭河全长和总流域面积的61.4%和53.2%，是关中地区的主要地表水资源。颜家河水电站以上渭河横跨甘肃、宁夏、陕西三省（区）的天水、定西、平凉、武都、固原、宝鸡六个地区共二十个县（市）。其中甘肃省有渭源、陇西、武山、甘谷、通渭、天水市、天水县共十六个县（市），总流域面积25708km2，占林家村以上总流域面积87.59%；宁夏省有西吉、固原、隆德三县，流域面积3250km2，占总面积11.07%；陕西省有宝鸡县几个乡镇，流域面积390km2，占总面积1.3%。该电站以上渭河全长389km，平均比降3.1。1.2水文资料渭河林家村站于1934年1月设立，原名称太寅站，1959年7月改名为林家村站。测站变动情况为1945年1月太寅站基本断面上迁100m，同年11月又上迁l00m，到1948年又上迁100m，直到1965年元月下迁300m至今。因控制流域面积受基本断面变迁影响不大，故水文资料均可合并统计。至今有不连续68年径流、洪水、泥沙资料(19342001年)。（水文站的控制流域面积为30661 km2）该站上游干流有南河川水文站，位于甘肃省天水县南河川乡刘家庄，于1944年设立，控制渭河流域面积23385km2，至今不连续的59年径流、泥沙系列。下游有省水文总站设立的魏家堡、黄委会设立的咸阳水文站，它们分别设于1937年、1931年。魏家堡站仅有1946年以后的径流泥沙整编成果。咸阳站控制流域面积37006km2，有19342001年不连续的68年径流泥沙系列。由于颜家河水电站无实测资料，根据上述情况，本次水文分析拟以林家村水文测站为参证站，对颜家河水电站进行水文分析。林家村水文站历年逐月径流量资料如表5，历年最大洪峰流量如表6。另调查到1933年林家村站发生了一次大洪水，洪峰流量为6890 m3/s。相邻各站历次年最大洪峰流量分析计算成果如表7。1.3电站基本情况颜家河水电站是一个低坝引水式的发电站，坝址设计洪水标准为30年一遇，校核标准为300年一遇；站址设计洪水标准为20年一遇，校核标准为100年一遇。电站设计保证率为75%。拦河坝至压力前池之间用无压引水隧洞输水。拦河坝坝顶高程为742.00m，无压引水隧洞在引取设计流量情况下的水头损失0.65m。压力前池电站至尾水断面河道的水头损失为0.57m。初选的水轮机效率为0.94；发电机效率为0.92。实测站址处的横断面如图1，该河段的纵比降I=3.407，糙率n取0.036。第二章 水文分析计算2.1设计年径流分析计算2.1.1三性审查水文资料是水文分析计算的依据，它直接影响工程设计的精度，当要使用参政站的径流资料时，更需要对径流资料进行慎重地审查。这里所谓审查就是鉴定实测年径流系列的可靠性，一致性和代表性。林家村水文站具有1941-2001年（30年以上）的实测资料，属于长系列资料，故应对资料进行可靠性、一致性、代表性进行审查，若合理则可应用于颜家河水电站的水文计算。2.1.1.1可靠性径流资料是通过采集和处理取得的。由于林家村水文站的水文资料的测验、采集及处理均符合有关规范，资料精度较高，系列较长，系列完整，水文资料来自水文站故质量较好，其整体具有较高可靠性。2.1.1.2 一致性应用数理统计法的前提是要求统计系列具有一致性。一致性是建立在气候条件和下垫面条件的稳定性上的。当气候条件或下垫面条件有显著的变化时，资料的一致性就遭到破坏。经调查发现，林家村水文站从建立到2001年期间，人类活动影响很小，故其下垫面条件可以认为没有改变，另外气候条件的变化可以认为是极其缓慢的。根据林家村实测径流资料可以绘制其径流量单累积曲线，如图2-1所示的林家村水文站流量单累计曲线由图可看出该资料的流量累计点线性相关性良好，说明该站流域的气候条件及流下垫面条件基本稳定，所以流量资料具有良好的一致性可以满足要求。2.1.1.3 代表性应用数理统计法进行水文计算时，计算成果的精度取决于样本对总体的代表性，代表性高，抽样误差越小。因此，资料代表性的审查对衡量频率计算成果的精度具有重要意义。由数理统计原理可知，样本越大，其与总体的接近程度也越大。林家村本水文站资料具有61年连续径流资料，属于长系列。采用滑动平均值曲线和年径流量差积曲线来评价其代表性。如图2-2,2-3。滑动均值Q=80.06 m3/s从滑动平均值曲线可以看出最后趋于稳定。从顺序差积曲线图中可以看出，曲线有明显的上升、下降及相对平缓阶段，说明资料中有丰水年，枯水年，平水年。因此，资料代表性良好。综上可知，径流系列资料“三性”审查合格，故可用于水文分析计算。2. 2分析计算过程及成果包括：年径流频率曲线、年径流统计参数、不同频率（25，50，75）年径流量及其年内分配过程、日平均流量频率（历时）曲线。2. 2.1计算年径流频率曲线根据水文站所给年平均流量资料，选取皮尔逊型线型进行年径流频率曲线分析计算，计算过程见表2-1。表2-1 林家村水文站频率分析计算表年份Q均值（m3/s）年份排序后的Q（m3/s）序号（Qi-Q均值）2P=m/(n+1)*100%（%）1941-194285.03 1964-1965155.19 1 7125.20 1.61 1942-194374.77 1967-1968154.24 2 6965.73 3.23 1943-1944135.18 1943-1944135.18 3 4147.69 4.84 1944-194563.37 1968-1969127.75 4 3245.50 6.45 1945-194672.53 1984-1985116.28 5 2069.73 8.06 1947-194883.03 1970-1971107.30 7 1333.66 11.29 1998-199929.33 1972-197328.13 58 1818.80 93.55 1999-200033.28 1996-199725.42 59 2057.90 95.16 2000-200128.65 1995-199618.98 60 2682.97 96.77 2001-200230.64 1997-199812.22 61 3429.75 98.39 均值Ex =70.78 m3/sCv= =0.45Cs=1Cv=0.45频率曲线结果如图2-4：将计算得出和最终配线结果所得出的Q均值，Cv，Cs/Cv值及由频率曲线求出的不同频率的年径流量QP记录于表2-2表2-2 林家村水文站频率分析成果表( m3/s)不同频率的年径流量QP(m3/s)计算采用计算采用20%25%30%50%70%75%80%85%90%70.7870.780.450.45196.6190.9985.7068.3752.3348.0043.5137.9031.482. 2.2不同频率年径流的其年内分配过程计算已知25%、50%、75%频率下的设计流量QP后，根据所给三个代表年（枯水年、平水年、丰水年）流量资料，算出三个代表年各自的倍比 K年=Q年，p/Q年，代，从而可以得出设计年水文站站址处年径流量的分配情况。最后将站址的成果用公式 由于坝址，站址面积相差不到5%，故可将坝址的流量年内分配结果运用于站址。如表2-3、2-4、2-5：表2-3 林家村水文站同倍比法 P=25% 设计丰水年年径流量的年内分配 单位：m3/s月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月全年代表年（1985-1986）48.082.679.070.7133.4302.8135.081.938.632.036.539.61080.1倍比系数K1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0设计年Q月（站址）48.483.479.771.4134.6305.6136.382.739.032.336.840.01090.2设计年Q月（坝址）48.483.479.771.4134.6305.6136.382.739.032.336.840.01090.2典型年55.530.3295.9171.7192.175.763.032.921.022.024.326.21010.5倍比系数K1.11.11.11.11.11.11.11.11.11.11.11.1设计年Q月59.832.7319.3185.2207.281.668.035.522.623.726.228.21090.2表2-4 林家村水文站同倍比法 P=50% 设计丰水年年径流量的年内分配 单位：m3/s月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月全年代表年（1945-1946）90.5036.3015.9049.60128.10224.10129.7070.0033.1024.2026.3042.50870.30倍比系数K0.940.940.940.940.940.940.940.940.940.940.940.94设计年Q月(站址)85.3434.2314.9946.77120.80211.32122.3166.0131.2122.8224.8040.08820.68设计年Q月（坝址）85.3434.2314.9946.77120.80211.32122.3166.0131.2122.8224.8040.08820.68典型年46.7060.2360.64154.23208.4563.3095.1944.7423.5213.0015.2629.83815.09倍比系数K1.011.011.011.011.011.011.011.011.011.011.011.01设计年Q月47.0260.6461.06155.29209.8863.7395.8445.0523.6813.0915.3630.03820.68表2-5 林家村水文站同倍比法 P=75% 设计丰水年年径流量的年内分配 单位：m3/s月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月全年代表年（1974-1975）42.7064.323.720.9022.795.7124.0060.325.420.302535.9560.90 倍比系数K1.031.031.031.031.031.031.031.031.031.031.031.03设计年Q月（站址）43.85 66.03 24.3421.46 23.3198.28127.34 61.92 26.08 20.85 25.6736.87 576.00设计年Q月（坝址）43.85 66.03 24.3421.46 23.3198.28127.34 61.92 26.08 20.85 25.6736.87 576.00典型年4642228349183654822192227628.00 倍比系数K0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 设计年Q月42.19 38.64 20.24 76.36 45.08 168.36 59.80 44.16 20.24 17.48 20.24 24.84577.04 依据水文比拟法，考虑到坝址，站址面积相差不到5%，故可将坝址的频率分析成果表运用于站址。如表2-6表2-6 林家村水电站频率分析成果表（m3/s）不同频率的年径流量WP（m3/s）计算采用计算采用20%25%30%50%70%75%80%85%90%70.7870.780.450.45196.6190.9985.7068.3752.3348.0043.5137.9031.482.2.3计算日流量频率历时曲线根据典型年日流量资料，按一定流量区间分组后计算各区间内平均流量，统计出现次数后计算累计频率，计算结果如下表2-7。表2-7 林家村水文站日流量频率历史表格组号分组区间流量组均值出现次数频率累积频率11070-915983.12540.360.362810-157295.46958.659.02396-154.1119.34635.7414.75480.8-95.2986.78413.7318.49568.2-80.774.56716.4724.95660.7-68.165.06484.3729.33753.6-60.556.83696.2835.61843.7-53.548.07958.6544.26936-43.539.75635.7450.001031.5-35.933.57514.6454.641129.4-31.3630.46433.9258.561227-29.327.9413.7362.301324.27-26.7425.3706.3868.671422.4-24.2623.35625.6574.321520.94-22.0621.39605.4679.781619.9-20.8820.19544.9284.701717.99-19.8317.99595.3790.071815.95-17.8816.4353.1993.261913.35-15.8513.38373.3796.632010.7-13.3512.3363.2899.91由表中数据，作出日流量频率历时曲线如图2-52.3设计洪水分析2.3.1三性审查2.3.1.1可靠性林家村水文站有19412000年共60年实测洪水资料，资料精度较高，来源可靠，完整性较好，系列较长，系列完整，故资料具有较高的可靠性。2.3.1.2一致性应用数理统计的前提是要求统计系列具有一致性，即要求组成系列的每个资料具有一致成因。不同成因的资料不得作为一个统计系列。将资料按年份整理并且逐年累计得到逐年累计洪峰流量，即可作出洪峰流量累积曲线(如图2-6)进行一致性审查。由流量资料作出洪峰流量的单累积曲线,由图知点与直线拟合较好，符合线性规律，且实测期内下垫面条件和自然条件可认为不变，故认为其一致性较好。2.3.1.3代表性由数理统计原理可知，样本越大，其与总体的接近程度也越大。本水文站资料具有60年连续洪峰资料。采用洪峰流量差积分过程线来评价其代表性，绘制林家村水文站洪峰流量滑动平均曲线和洪峰流量差积曲线。如图2-7,2-8滑动均值Q=1631.57 m3/s从滑动累积曲线中可以看出曲线最后趋于稳定值，从差积曲线图中可以看出，曲线有明显的上升、下降及相对平缓阶段。说明每年的洪峰有大有小，资料代表性较好。综上可知，径流系列资料“三性”审查合格，故可用于水文分析计算。2.3.2洪峰流量频率曲线计算及图将（1933-2000年）68年不连序洪水流量资料进行经验频率分析计算，首先用矩法估计的方法得出计算过程如下:1.计算经验频率 将实测系列与特大值系列共同组成一个不连序系列，作为代表总体的一个样本，不连序系列各项可在历史调查期N年内同一排位。在历时调查期N年中有特大洪水a=3项，其中有l项发生在n年实测系列之内；N年中的a项特大洪水的经验频率用下式计算。式中 PM特大洪水第M序号的经验频率；M特大洪水由大至小排列的序号； N自最远的调查考证年份迄今的年数。实测系列中其余的（n-l）项，则均匀分布在1-PMa 频率范围内，PMa 为特大洪水第末项Ma的经验频率。实测系列第m项的经验频率计算公式为： 式中 Pm实测系列第m项的经验频率； m 实测系列由大至小排列的序号；n 实测系列年数。；其中a=3,N=68,n=60,l=22.用矩法计算统计参数。（1）计算洪峰流量的均值 (1)（2）计算变差系数Cv： (2)计算过程如下表2-8：（具体见附表）序号年份流量排序PmPm（Qa-Q均值）2（Qi-a-Q均值）21193368900.0128977939.222195450300.0312412347.243195948400.0411109663.1141966420011.9852499949.577252874.46751973367021.974679071.37461970330031.953215265.44591982271561.051527408.951601995170571.031787258.493611997128581.021901320.739求和76478求和47109574.74Q均值a=31506.88得到洪峰流量频率曲线见下图2-9计算结果如下见表9，表10表9 林家村水文站洪峰流量分析成果表（m3/s）不同频率洪峰流量QP（m3/s）计算采用计算采用0.10.20.330.5123.35101506.881507.50.840.842.59155.95 8256.88 7573.08 7041.23 6142.16 5217.76 4609.94 4040.10 3141.03 站址的成果用公式运用在站址上表10 林家村水电站洪峰流量分析成果表（m3/s）不同频率洪峰流量QP（m3/s）计算采用计算采用0.10.20.330.5123.35101486.62 1487.20.84 0.84 2.5 9032.85 8145.86 7471.25 6946.56 6059.57 5147.60 4547.95 3985.78 3098.79 2.3.3结果合理性分析由结果林家村水电站洪峰流量分析成果表（表10）和其临近各水文站洪峰流量成果表（表11）比较可知，洪峰流量均值，Cv，Cs/Cv的值接近，所以成果合理。表11 各水文站洪峰流量成果表站 名(m3/s)不同频率洪峰流量QP(m3/s)备 注0.10.20.512南河川17060.902.511260101008600743063001972年甘肃省渭河治理规划林家村16400.92.51083097208250714060401996年宝鸡峡加闸加坝设计成果17800.83.511627103408670744062101991年“宝鸡市实用水文手册”14840.84.01030090007450635052001958年宝鸡峡引渭工程设计成果咸 阳34700.532133001225010790970086701988年黄委会渭洛河治理规划第三章 电站分析3.1 尾水断面水位流量关系根据图3-1颜家河水电站尾水处河道横断面图，用几何方法计算出不同水位下的相对应的水断面面积A和湿周L，求出水力半径R=A/X，再由曼宁公式:距离（m）高程（m）左岸山体坡角右岸路边河槽最低点图3-1 颜家河水电站尾水河流横断面图V=(R2/3S1/2) 求的V，进而求得不同水位下的流量，计算过程如表3-1（后有具体附表）：表3-1水位断面分析计算高程H（m)水位Z（m）底面宽D（m）湿周L(m)面积A（m2)部分面积s7190.000.000.000.000.007201.0024.8225.3212.4112.417212.0037.8338.8343.7331.327223.0066.1267.6295.7051.977234.0077.9479.94167.7372.037245.0090.8893.38252.1484.417256.0098.01101.01346.5994.457267.00103.88107.38447.53100.947278.00106.22110.22552.58105.057289.00108.63113.13660.01107.4372910.00112.12117.12770.39110.3873011.00115.71121.21884.30113.9273112.00118.04124.041001.18116.87最后绘出尾水断面水位流量关系曲线（如图3-2）3.2电站水能分析计算3.2.1日平均出力频率（历时）曲线根据以算出的颜家河水文站处3个代表年（枯水年、平水年、丰水年）的日平均流量频率计算表数据和水位流量关系曲线，用内差法计算不同流量下对应的下游水位关系，计算结果如上表3-2。计算过程如表3-2：(后有具体附表)表3-2 日平均流量-出力计算表日平均流量值Q（m3/s)频率p（%）水位(m)下游高程（m)净高（m）出力值N（kW）出力差（kW）983.150.364.65723.6517.13142.8896.81295.469.013.4722.418.3846.0726.94119.3414.752.5721.519.2819.134.8665.0629.331.88720.8819.910.761.3556.8335.611.85720.8519.939.421.3921.3979.781.35720.3520.433.630.1920.1984.701.26720.2620.523.440.3717.9990.071.2720.220.583.080.2616.493.261.1720.120.682.820.5113.3896.63172020.782.310.1512.399.910.6719.621.182.172.17计算水电站出力的基本公式包含流量和水头两个主要因素。计算公式如下出力计算： N = 9.81Q电H净式中 Q电发电日平均流量； 水电站效率。净净水头，等于上下游位差扣除水头损失；最后绘制平均出力频率曲线如图3-33.2.2出力多年平均发电量关系曲线多年平均年发电量是指水电站在多年工作时期内，平均每年所能生产的电量。出力差N=Ni-Ni-1。保证历时T为每年的小时数与时段的累积频率之积。电量差E等于出力差与相应的保证历时的乘积。多年平均电量等于电量差从下向上依次的累加值，计算过程如表3-3表3-3 出力-多年平均发电量计算表出力值N（kW）出力差（kW）保证历时t=8760p电量差E （kW *h)多年平均电量（千kW*h)142.8896.8131.543052.8696125.1746.0726.94789.2821265.0593072.3119.134.861292.426278.8871807.2614.271.951619.533154.0665528.3812.321.562185.983408.5962374.3210.761.352568.933461.4058965.739.421.393119.424340.6955504.348.021.373877.345321.2751163.646.651.024379.974468.8445842.385.630.514786.852424.8741373.545.130.425129.912138.4038948.674.710.425457.012302.6836810.274.290.336015.481975.7934507.593.960.336510.132116.6832531.803.630.196988.821318.8630415.113.440.377419.642718.0929096.253.080.267890.352038.9226378.162.820.518169.584150.9124339.252.310.158464.771233.1120188.342.172.178751.9918955.2318955.23绘制出出力多年平均发电量关系曲线（如图3-4）。3.2.3装机装机年利用小时数关系曲线计算装机年利用小时数：h年=E/N，计算结果如表3-4表3-4装机装机年利用小时数关系曲线出力值N（kW）出力差（kW）保证历时t=8760p电量差E （kW *h)多年平均电量（千kW *h)装机年利用小时数h（小时）142.8896.8131.543052.8696125.17672.7846.0726.94789.2821265.0593072.312020.1919.134.861292.426278.8871807.263753.9114.271.951619.533154.0665528.384591.9012.321.562185.983408.5962374.325061.6510.761.352568.933461.4058965.735478.249.421.393119.424340.6955504.345894.558.021.373877.345321.2751163.646375.776.651.024379.974468.8445842.386891.205.630.514786.852424.8741373.547346.135.130.425129.912138.4038948.677599.084.710.425457.012302.6836810.277817.674.290.336015.481975.7934507.598050.053.960.336510.132116.6832531.808218.883.630.196988.821318.8630415.118371.803.440.377419.642718.0929096.258447.573.080.267890.352038.9226378.168569.922.820.518169.584150.9124339.258632.202.310.158464.771233.1120188.348733.892.172.178751.9918955.2318955.238751.99绘制装机装机年利用小时数关系曲线如图3-5：3.3电站动能指标与电能参变数分析装机容量是水电站的重要参数，它反应水电站的规模。水力资源利用程度.电站效益及供电可靠性等。装机容量的选择，应根据用电负荷要求，河流来水等条件经济合理的确定。颜家河水电站是一个低坝引水式的发电站，电站设计保证率为75%，倍比系数C选为3。查图3-3得该水电站的保证出力NP=3.67( 千kW)，年平均发电量E=31415.11(千kW*h)则其装机容量N装=CNP=3*3.67=11.01(千kW)。故选用三台4000kW的机组，故最后确定水电站的装机容量为N装=4000×31.2（万kW）。3.4结果合理性分析因为此水电站为引水式无调节水电站，其装机容量是工作容量的倍数，其倍数的取值范围为1.5-4.5。当其水量年内分配不均匀时，C值选取较大，当其水量年内分配均匀时，C值可取较小值。根据以上分析，故C值选稍大值。附表第二章附表附表2-1 洪峰流量累计计算表年份洪峰流量Qm（m3/s）累计值年份洪峰流量Qm（m3/s）累计值1941163016301974384599671942200036301975866608331943162052501976148062313194412306480197727606507319451340782019781680667531946848866819795356728819472670113381980142068708194811701250819812420711281949166014168198227171399195043014598198384072239