CN106320256A - 一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，该方法通过建立平面二维非恒定流水沙数学模型，模拟计算得到抽水蓄能电站运行过程中每年的库区地形。在每年库区地形基础上，采用水沙数学模型建立入库含沙量和抽水时取水口含沙量之间的关系。采用理论分析建立抽水蓄能电站蓄水库的含沙量变化模型，并建立发电时取水口含沙量与抽水时取水口含沙量的关系。根据抽水蓄能电站过机泥沙通量的定义，结合上述两关系式，综合建立抽水蓄能电站过机泥沙通量的计算方法，采用该方法可以确定抽水蓄能电站的过机泥沙通量，为抽水蓄能电站水轮机型号的选择、抽水发电过程中的泥沙的促淤措施的制定以及抽水时机的选择提供依据。

Description

一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法

技术领域

本发明涉及一种水库泥沙的计算方法，特别是涉及一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法。

背景技术

电力的生产、输送和使用是同时发生的，难以储存。日常生活中用电量一般存在着峰、谷差异，如：白天时用电量大，子夜后用电量小。用电负荷的不同导致发电设备在用电高峰时需满发，在用电低谷时需减少发电机组，给电网的安全、经济、稳定带来负面影响。因此，需要采取一系列的措施减少用电峰谷差异带来的影响。抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾的重要工程措施，其工作原理是：在用电低谷期，采用水泵水轮机将水库的水抽到高处的蓄水库，抽水所用的电量为超发的电量；在用电峰值期，则用蓄水库的水发电，该过程类似于将电能储存起来，对解决电网调峰填谷、调频调相有重要的作用。

近年来，一批抽水蓄能电站在我国各地相继兴修，以实现改善电网的运行状况的目标。抽水蓄能电站的水头一般都很高，通过电站水轮机的水流流速很大，水流中携带泥沙，水流和泥沙共同作用于水轮机，对水轮机产生巨大的破坏作用，因而抽水蓄能电站对过机泥沙控制的要求特别高。过机泥沙通量的大小是多沙河流抽水蓄能电站设计和控制运用的关键参数。它涉及到抽水蓄能电站水轮机型号的选择、抽水发电过程中泥沙的促淤措施的制定以及抽水时机的选择。

过机泥沙通量是指在抽水过程中的过机沙量与发电过程中的过机沙量的总和。在设计抽水蓄能电站时就要对过机泥沙的质和量有比较准确的预报，笔者曾采用物理模型试验方法建立了入库含沙量和过机泥沙的关系，该方法预测效果较好，可为水轮机的选取提供参考，但预测过程中需要建立物理模型试验，较为复杂，需要花费较多的人力物力。此外，也有科技工作者采用一维恒定流数学模型模拟预测抽水时的过机含沙量以及含沙量的级配，事实上抽水蓄能电站在抽水过程具有明显的非恒定性，沿程的流量并非恒定，若采用恒定流计算，难以反映水库的非恒定变化状态。一维数学模型只能给出河道断面的平均含沙量、平均流量，无法给出取水口附近的含沙量，采用一维水沙数学模型确定取水口含沙量存在理论上的不足。数学模型研究抽水蓄能电站过机泥沙还存在另一难点，当水体由水库抽到高处的蓄水库，水体中含有泥沙，经过一段时间后部分泥沙会逐渐沉降，水体中的含沙量将减少，如何确定蓄水库发电时的含沙量目前尚无较好的计算方法。现有的过机泥沙量主要物理模型来确定，但物模的研究费用和研究周期都较长，并且抽水蓄能电站修建后难以实时预测实际的过机泥沙量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，考虑水库运用过程中库区地形的变化，建立抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系，以及发电时取水口含沙量与抽水时取水口含沙量的关系，提出了预测过机泥沙通量的一种简单可行的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，包括如下步骤：

步骤1，建立抽水蓄能电站库区平面二维非恒定流水沙数学模型，对该数学模型进行验证，使验证结果满足精度要求；

步骤2，确定步骤1数学模型计算的边界条件，利用数学模型模拟计算水库运用不同年份后的水库地形；根据不同年份的水库地形，采用数学模型模拟分析不同频率洪水作用下水库的水流、泥沙运动过程，并记录入库含沙量、抽水时取水口含沙量；

步骤3，针对抽水蓄能电站的不同运行年份，建立抽水蓄能电站抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系式S_1i＝f(S_0i)，其中，S_1i表示抽水蓄能电站运行第i年抽水时取水口含沙量，S_0i表示抽水蓄能电站运行第i年的入库含沙量，f表示函数；

步骤4，通过理论分析，确定抽水蓄能电站运行第i年发电时取水口含沙量与抽水时取水口含沙量的关系；

步骤5，抽水蓄能电站运行第i年时，过机泥沙通量为发电工况下的过机沙量与抽水工况下的过机沙量之和；发电工况下的过机沙量为发电时取水口含沙量、发电流量及发电时间三者之积；抽水工况下的过机沙量为抽水时取水口含沙量、抽水流量及抽水时间三者之积。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述数学模型计算的边界条件的确定方法为：选取水库设计过程中的长系列入库水沙资料作为进口边界条件，根据水库运用方式确定下边界的控制条件。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系式的建立方法为：

步骤31，根据抽水蓄能电站的设计寿命，采用步骤1数学模型模拟计算抽水蓄能电站运行后每一年的库区地形；

步骤32，将计算得到的每一年库区地形作为地形边界条件，采用数学模型计算不同入库水沙条件下水沙在库区的运动特征，提取抽水时取水口处的含沙量；

步骤33，根据步骤32的数据，绘制每一年地形条件下抽水时取水口处平均含沙量与入库含沙量的关系曲线；

步骤34，根据步骤33中的关系曲线，拟合每一年地形条件下取水口处平均含沙量与入库含沙量的关系式，将该式作为该年度入库含沙量与抽水时取水口含沙量的代表关系式。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述关系的表达式为：

$S_{2i}=S_{1i}(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)$

其中，S_2i表示抽水蓄能电站运行第i年发电时取水口含沙量，S_1i表示抽水蓄能电站运行第i年抽水时取水口含沙量，ω为泥沙的静水沉速，H为蓄水库的垂线水深，Δt为泥沙在蓄水库的沉降时间。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述过机泥沙通量的表达式为：

$G_i=f\left(S_{0i}\right)*Q_1*{\mathrm{\Δt}}_1+f\left(S_{0i}\right)*(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)*Q_2*{\mathrm{\Δt}}_2$

其中，G_i表示抽水蓄能电站运行第i年过机泥沙通量，S_0i表示抽水蓄能电站运行第i年的入库含沙量，f表示函数，Q₁表示抽水流量，Δt₁表示抽水时间，Q₂表示发电流量，Δt₂表示发电时间，ω为泥沙的静水沉速，H为蓄水库的垂线水深，Δt为泥沙在蓄水库的沉降时间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明采用数学模型建立入库含沙量与抽水时含沙量的关系，建立概化模型得到抽水时含沙量与发电时含沙量的关系，综合建立抽水蓄能电站过机泥沙通量与入库含沙量的关系式，采用建立的关系式能够快速计算设计阶段以及后期抽水蓄能电站的实时过机泥沙通量。

2、本发明方法可以较为准确地确定抽水蓄能电站的过机泥沙通量，为抽水蓄能电站水轮机型号的选择、抽水发电过程中的泥沙的促淤措施的制定以及抽水时机的选择提供了依据。

附图说明

图1是本发明多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法的流程图。

图2是本发明实施例中计算区域数模计算网格划分图。

图3是本发明水电站运行1年后抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系。

图4是本发明水电站运行5年后抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系。

图5是本发明水电站运行15年后抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系。

图6是本发明水电站运行30年后抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系。

图7是本发明水电站运行50年后抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法的流程图，包括如下步骤：

(1)建抽水蓄能电站库区平面二维非恒定流水沙数学模型，对数学模型进行验证，验证满足精度要求后，可以采用该模型进行模拟计算。

(2)确定计算条件：进口边界采取水库设计过程中的长系列入库水沙资料，出口的水位条件以及抽蓄水流量采用水库的运用方式确定。

(3)按照确定的水沙系列年资料，采用数学模型模拟水库运用1年、2年、3年、…、50年后水库的地形、取水口断面的累计淤积厚度。

(4)选取典型入库水沙条件，并根据水库运用方式确定下边界的控制条件。

(5)根据步骤(3)中计算的不同年份的水库地形，采用数学模型模拟分析步骤(4)中不同频率洪水作用下水库的水流、泥沙运动过程，并记录入库流量、入库含沙量、取水口断面的含沙量。

(6)针对抽水蓄能电站的不同运用年份，建立抽水蓄能电站运行第i年抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系式S₁＝f(S_0i)。

(7)建立抽水蓄能电站抽水时取水口含沙量与发电时取水口含沙量间的关系。当水体由下库抽到蓄水库后，水体基本不发生流动，可认为此时流速为0，不考虑扩散的影响，可建立含沙量变化方程：

$\frac{\∂S}{\∂t}=-\frac{\mathrm{\α}\mathrm{\ω}}{H}(S-S_{*})---\left(1\right)$

式中，S、S_*分别为垂线平均含沙量和挟沙力；α为恢复饱和系数；ω为泥沙的静水沉速，与泥沙粒径相关；H为蓄水库的垂线水深。对式(1)进行积分，可以得到沉降后的水体含沙量：

$S_2=S_1(1-\frac{\mathrm{\α}\mathrm{\ω}}{H}\mathrm{\Δ}t)---\left(2\right)$

式中，S₁为抽水时取水口含沙量；S₂为发电时取水口含沙量；Δt为泥沙在蓄水库的沉降时间。

式(2)中分组恢复饱和系数α采用下式计算：

α＝0.001/ω^0.3 (3)

将式(3)代入式(2)，则抽水蓄能电站蓄水库的含沙量(即发电时取水口含沙量)与抽水时取水口含沙量的关系式为：

$S_2=S_1(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)---\left(4\right)$

(8)根据步骤(7)建立的关系式(4)，可以得到某一时段内水库过机泥沙通量的计算式：

$G=S_1*Q_1*{\mathrm{\Δt}}_1+S_1*(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)*Q_2*{\mathrm{\Δt}}_2---\left(5\right)$

式中，G代表过机泥沙通量，等于抽水工况下的过机沙量和发电工况下的过机沙量的总和，抽水时取水口含沙量为S₁，抽水时间为Δt₁，抽水流量为Q₁，发电时取水口含沙量为S₂，发电时间为Δt₂，发电流量为Q₂。

(9)结合上述步骤(6)～(8)，可得到过机泥沙通量与入库含沙量的关系：

$G=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[f\left(S_{0i}\right)*Q_1*{\mathrm{\Δt}}_1+f\left(S_{0i}\right)*(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)*Q_2*{\mathrm{\Δt}}_2\]---\left(6\right)$

式中，S_0i表示抽水蓄能电站运行第i年的入库含沙量。

下面以黄河支流典型抽水蓄能电站，应用本发明提出的多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙确定方法进行计算，实施步骤如下：

1、建立平面二维水沙数学模型并验证

本次选取的抽水蓄能电站设计抽水流量为212m³/s，总装机容量为1200Mw，年发电量为20.1亿kw·h，年抽水耗电量为26.42亿kw·h，电站建成并网后，主要承担调峰、填谷及事故备用等任务。

建立水库平面二维水沙数学模型，计算网格如图2所示，计算区域采用三角形网格，共4513个网格，网格尺度为5～20m，可以满足地形变化要求。表1为数学模型计算的水库运行10年后冲淤量与物理模型冲淤量的对比，由表可知计算值与物模试验值较为接近，可以采用该模型模拟计算。

表1不同河段淤积量计算值与实测值对比

不同河段	物模试验冲淤体积(m3)	数模计算冲淤体积(m3)	误差
				0-194m	140340.6	144247.1	2.8％
194-480m	536621.5	534067.8	-0.5％
				480-706m	119471.5	136587.4	14.3％
706-918m	268234.7	275434	2.7％
				918-1340m	169573.6	164088.8	-3.2％
1340-1678m	109607.1	102814.1	-6.2％
				1678-2058m	-70889.1	-72183.6	1.8％
2058-4042m	-135502	-168931	24.7％

2、建立入库含沙量与抽水时取水口含沙量的关系

采用平面二维水沙数学模型，模拟计算水库运行1年、2年、…、50年后库区的地形，针对每一年，开展不同频率洪水的模拟计算，可以得到水电站运行过程中每一年入库含沙量与抽水时取水口含沙量的数值，表2给出了水库1年、5年、15年、30年、50年后的计算结果。根据表2中的计算结果，可绘制图3～图7，得到对应的入库含沙量与抽水时取水口含沙量的关系式：

1年：S₁＝0.0289S₀+0.0347

5年：S₁＝0.0335S₀+0.0936

15年：S₁＝0.0387S₀+0.2032

30年：S₁＝0.0372S₀+0.3387

50年：S₁＝0.0381S₀+0.6046

表2抽水时取水口处含沙量与入库含沙量

3、确定抽水蓄能电站的过机沙量与抽水时取水口含沙量的关系

将计算得到的第n年的入库含沙量与抽水时取水口含沙量的关系式代入式(5)，可得到第n+1年过机含沙量的计算式，如第二年的过机含沙量计算式为：

$G=(0.0289S_0+0.0347)\[Q_1*{\mathrm{\Δt}}_1+(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)*Q_2*{\mathrm{\Δt}}_2\]$

式中，S₀为入库含沙量，Δt₁为抽水时间，Q₁为抽水流量，Δt₂为发电时间，Q₂为发电流量，在计算过程中均为已知值。如此类推，可以得到水库运行过程中每一年的过机含沙量的计算式。

4、抽水蓄能电站的过机泥沙通量的确定

表3为不同年份的平均过机含沙量，运用式(6)将每一年计算得到的过机沙量累加即可得到抽水蓄能电站运用过程中得的过机泥沙通量，本例得到该抽水蓄能电站运行50年总的过机沙量为75.3万t。

表3不同年份发电和抽水时平均过机含沙量

运行年份	发电(kg/m3)	抽水(kg/m3)
			第2年	0.0024	0.0028
第6年	0.0028	0.0032
			第16年	0.0032	0.0036
第31年	0.0036	0.0042
			第51年	0.0052	0.0060

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立抽水蓄能电站库区平面二维非恒定流水沙数学模型，对该数学模型进行验证，使验证结果满足精度要求；

步骤2，确定步骤1数学模型计算的边界条件，利用数学模型模拟计算水库运用不同年份后的水库地形；根据不同年份的水库地形，采用数学模型模拟分析不同频率洪水作用下水库的水流、泥沙运动过程，并记录入库含沙量、抽水时取水口含沙量；

步骤3，针对抽水蓄能电站的不同运行年份，建立抽水蓄能电站抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系式S_1i＝f(S_0i)，其中，S_1i表示抽水蓄能电站运行第i年抽水时取水口含沙量，S_0i表示抽水蓄能电站运行第i年的入库含沙量，f表示函数；

步骤4，通过理论分析，确定抽水蓄能电站运行第i年发电时取水口含沙量与抽水时取水口含沙量的关系；

步骤5，抽水蓄能电站运行第i年时，过机泥沙通量为发电工况下的过机沙量与抽水工况下的过机沙量之和；发电工况下的过机沙量为发电时取水口含沙量、发电流量及发电时间三者之积；抽水工况下的过机沙量为抽水时取水口含沙量、抽水流量及抽水时间三者之积。

2.根据权利要求1所述多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，其特征在于，步骤2所述数学模型计算的边界条件的确定方法为：选取水库设计过程中的长系列入库水沙资料作为进口边界条件，根据水库运用方式确定下边界的控制条件。

3.根据权利要求1所述多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，其特征在于，步骤3所述抽水时取水口含沙量与入库含沙量的关系式的建立方法为：

步骤31，根据抽水蓄能电站的设计寿命，采用步骤1数学模型模拟计算抽水蓄能电站运行后每一年的库区地形；

步骤32，将计算得到的每一年库区地形作为地形边界条件，采用数学模型计算不同入库水沙条件下水沙在库区的运动特征，提取抽水时取水口处的含沙量；

步骤33，根据步骤32的数据，绘制每一年地形条件下抽水时取水口处平均含沙量与入库含沙量的关系曲线；

步骤34，根据步骤33中的关系曲线，拟合每一年地形条件下取水口处平均含沙量与入库含沙量的关系式，将该式作为该年度入库含沙量与抽水时取水口含沙量的代表关系式。

4.根据权利要求1所述多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，其特征在于，步骤4所述关系的表达式为：

$S_{2i}=S_{1i}(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)$

其中，S_2i表示抽水蓄能电站运行第i年发电时取水口含沙量，S_1i表示抽水蓄能电站运行第i年抽水时取水口含沙量，ω为泥沙的静水沉速，H为蓄水库的垂线水深，Δt为泥沙在蓄水库的沉降时间。

5.根据权利要求1所述多沙河流抽水蓄能电站过机泥沙通量的确定方法，其特征在于，步骤5所述过机泥沙通量的表达式为：

$G_i=f\left(S_{0i}\right)*Q_1*{\mathrm{\Δt}}_1+f\left(S_{0i}\right)*(1-\frac{0.001{\mathrm{\ω}}^{0.7}}{H}\mathrm{\Δ}t)*Q_2*{\mathrm{\Δt}}_2$

其中，G_i表示抽水蓄能电站运行第i年过机泥沙通量，S_0i表示抽水蓄能电站运行第i年的入库含沙量，f表示函数，Q₁表示抽水流量，Δt₁表示抽水时间，Q₂表示发电流量，Δt₂表示发电时间，ω为泥沙的静水沉速，H为蓄水库的垂线水深，Δt为泥沙在蓄水库的沉降时间。