CN111027226A - 一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法 - Google Patents

一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，包括上水库计算模式、下水库计算模式及上、下水库水沙交换联算、上、下水库坝前水位计算、虚拟分汇流流量修正过程。本发明提供一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，针对抽水蓄能电站运行工况和水沙特点，模拟上下水库泥沙淤积、枢纽区冲淤状况及过机含沙量和级配。

Description

一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法
技术领域
本发明特别涉及一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法。
背景技术
近年来，我国抽水蓄能电站发展迅速，全国大部分省(市、区)陆续开展了抽水蓄能电站选点规划和前期工作，河南天池、湖南平江、重庆蟠龙等大型抽水蓄能电站均已开工建设。据统计，截至2018年底，全国已建抽水蓄能电站总装机规模2999万kW，在建抽水蓄能电站总装机规模4421万kW，规划至2025年全国抽水蓄能电站新增投产规模将达到9000万kW。抽水蓄能电站进入了蓬勃发展期，泥沙问题一直是工程前期设计和后期运行中重点关注的问题，尤其是在多泥沙河流，很多抽水蓄能电站采取了大量的拦排沙工程措施，花费了巨大的代价。
抽水蓄能电站运行工况复杂(有静水、抽水、发电、2个水库联合运行等工况)，水沙条件多变(水沙在2个水库交换、进出水口附近流态复杂、存在倒流等)，水沙数值模拟难度很大，国内尚没有较为成熟的数值模拟算法。因此迫切需要一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法。
根据抽水蓄能电站工程泥沙问题，水沙数值模拟需实现以下功能：
1、需实现上、下水库水流和泥沙联算
2、需计算模拟抽水、发电、停机多种工况
3、需计算模拟进出水口处水沙运动情况
4、需计算模拟上下水库冲淤演变情况、库容淤损情况、排沙比
5、需计算模拟进出水口、坝前等枢纽区泥沙冲淤情况
6、需计算模拟抽水和发电工况中的过机含沙量和级配
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中没有成熟的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法的不足，提供一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，针对抽水蓄能电站运行工况和水沙特点，模拟上下水库泥沙淤积、枢纽区冲淤状况及过机含沙量和级配。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特点是包括：
上水库计算模式采用如下方法：
a)计算水库水深H：水库水深H＝上水库水位-上水库进/出水口底板高程；
b)计算各粒径组泥沙的沉速ωK；
c)计算各粒径组泥沙的沉降水深，其中，第K组泥沙的沉降水深HK＝ωK×静水持续时间；
d)计算各粒径组泥沙的沉降量：若HK＞H，则该粒径组泥沙全部沉降；否则，抽到上水库的该粒径组泥沙的沉降比例为HK/H，计算泥沙落淤量，按上水库库容～水位关系曲线修正上水库库底高程；
e)抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙扣除静水阶段的沉降量所剩下的部分含沙量的加权平均值即为放水时的过机含沙量。
作为一种优选方式，在计算出的水库水深H低于库底高程时，取H为库底高程。
作为一种优选方式，各粒径组泥沙的沉速ωK由张瑞瑾泥沙沉速通用公式计算得到。
进一步地，还包括：
下水库计算模式中，下水库干流上边界条件为径流来水来沙，下边界条件为下水库坝前水位，在进出水口上下游附近虚拟分汇流节点，以沿程分汇流的方式近似模拟抽放水时下水库进出水口附近水沙运动；抽放水时进出水口口门水沙运动特性近似模拟方法如下：
通过进出水口附近区域平面二维或三维计算，选定进/出水口左右两侧平均流速较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态，进出水口上游设沿程汇流节点，下游设沿程分流节点。进出水口处先分流后汇流，其入汇流量值以及分出流量值按二维模拟结果视具体问题确定。
作为一种优选方式，静水工况下无分汇流，将分汇流量及含沙量取为0。
进一步地，还包括：
上下水库水沙交换联算模式：
抽水时，为模拟水流向进/出水口汇集以及进入输水发电系统的含沙量情况，用上一个发电放水工况下的分出总沙量除以该抽水工况下的总抽出水量作为汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；抽水时的过机沙量等于分流节点以及进/出水口处分出的沙量之和，抽水时过机含沙量为过机沙量除以该时段的抽水量；
泥沙抽入上水库后在静水阶段沉降，上水库淤积量为该部分沉降泥沙和上水库径流泥沙在静水阶段的沉降量；经沉降后的含沙水流在放水发电时汇入下水库，参入下水库冲淤计算；
发电放水时，为模拟进/出水口附近区域出水壅高水库水位、泥沙在进/出水口附近落淤的情况，汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量均为发电放水时的过机含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；放水时段过机含沙量为抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙分别扣除静水阶段的沉降量后，水体中所含泥沙的加权平均值。
进一步地，还包括按照下述方法进行上下水库坝前水位计算：
按调度原则，每个计算时间步长内计算一次下水库坝前水位，计算方法为：根据下水库径流来水量和抽/放水量，计算时段末的库容；再根据下水库库容曲线计算出下水库时段末的水位；将时段初与时段末水位的平均值作为该时段下水库坝前水位的计算值；
因下水库淤积高程可能在死水位以上，考虑泥沙淤积对库容的影响，每年更新一次下水库的水位～库容关系；上水库水位计算方法与下水库水位计算方法相同，考虑上水库来沙量较少，泥沙大部分淤积在死水位以下，暂不更新上水库的库容曲线；
计算水位若超过正常蓄水位，则为正常蓄水位(因为有泄流设施)，相应库容赋值正常蓄水位所对应的库容；若计算水位低于死水位，则取死水位，相应库容赋值为死库容。
进一步地，还包括：按照下述方法进行虚拟分汇流流量修正：
通过进/出水口附近区域平面二维水流流态计算，分析抽水、发电工况时对流速影响较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态；
经二维水流流态模拟计算初步分析，进出水口附近的断面抽、放水时流速影响较大，因此，按照上述分析作分汇流节点处理，各断面处分汇流节点的流量分配系数根据二维水流流态计算模拟，流量根据下列公式计算：
QB＝(0.5×Q抽/发－Q1)×δ；
其中，QB为节点流量，Q抽/发为抽水或者发电流量；Q1为进口断面流量，δ为流量分配系数。
与现有技术相比，本发明提供一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，针对抽水蓄能电站运行工况和水沙特点，模拟上下水库泥沙淤积、枢纽区冲淤状况及过机含沙量和级配。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
图2为水库河道不同运行年限泥沙淤积后深泓高程对比图。
具体实施方式
一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，包括：
1、上水库计算模式
根据抽水蓄能电站的特点分析，上水库的泥沙包含两部分，一是上水库入库径流泥沙，二是从下水库抽水挟带到上水库的泥沙。经一段时间的沉淀，一部分泥沙沉降到库底淤积，另一部分泥沙仍悬浮于水中随发电水流放入下水库。
抽水蓄能电站上水库一般为盆状形水库，因此，上水库泥沙淤积按静水沉降计算。具体计算方式如下：
a)计算水库水深H：水库水深H＝上水库水位-上水库进/出水口底板高程；在计算出的水库水深H低于库底高程时，取H为库底高程；
b)由张瑞瑾泥沙沉速通用公式计算得到各粒径组泥沙的沉速ωK；
c)计算各粒径组泥沙的沉降水深，其中，第K组泥沙的沉降水深HK＝ωK×静水持续时间；
d)计算各粒径组泥沙的沉降量：若HK＞H，则该粒径组泥沙全部沉降；否则，抽到上水库的该粒径组泥沙的沉降比例为HK/H，计算泥沙落淤量，按上水库库容～水位关系曲线修正上水库库底高程；
e)抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙扣除静水阶段的沉降量所剩下的部分含沙量的加权平均值即为放水时的过机含沙量。
2、下水库计算模式及上、下水库水沙交换联算
抽水蓄能电站下水库一般为河道型水库，作一维分汇流水库泥沙数学模型计算。下水库干流上边界条件为径流来水来沙，下边界条件为下水库坝前水位，在进出水口上下游附近虚拟分汇流节点，以沿程分汇流的方式近似模拟抽放水时下水库进出水口附近水沙运动；抽放水时进出水口口门水沙运动特性近似模拟方法如下：
通过进出水口附近区域平面二维或三维计算，选定进/出水口左右两侧平均流速较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态，进出水口上游设沿程汇流节点，下游设沿程分流节点。进出水口处先分流后汇流，其入汇流量值以及分出流量值按二维模拟结果视具体问题确定。
静水工况下无分汇流，将分汇流量及含沙量取为0。
上、下水库水沙交换联算模式如下：
抽水时，为模拟水流向进/出水口汇集以及进入输水发电系统的含沙量情况，用上一个发电放水工况下的分出总沙量除以该抽水工况下的总抽出水量作为汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；抽水时的过机沙量等于分流节点以及进/出水口处分出的沙量之和，抽水时过机含沙量为过机沙量除以该时段的抽水量；
泥沙抽入上水库后在静水阶段沉降，上水库淤积量为该部分沉降泥沙和上水库径流泥沙在静水阶段的沉降量；经沉降后的含沙水流在放水发电时汇入下水库，参入下水库冲淤计算；
发电放水时，为模拟进/出水口附近区域出水壅高水库水位、泥沙在进/出水口附近落淤的情况，汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量均为发电放水时的过机含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；放水时段过机含沙量为抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙分别扣除静水阶段的沉降量后，水体中所含泥沙的加权平均值。
3、上、下水库坝前水位计算
按调度原则，每个计算时间步长内计算一次下水库坝前水位，计算方法为：根据下水库径流来水量和抽/放水量，计算时段末的库容；再根据下水库库容曲线计算出下水库时段末的水位；将时段初与时段末水位的平均值作为该时段下水库坝前水位的计算值；
因下水库淤积高程可能在死水位以上，考虑泥沙淤积对库容的影响，每年更新一次下水库的水位～库容关系；上水库水位计算方法与下水库水位计算方法相同，考虑上水库来沙量较少，泥沙大部分淤积在死水位以下，暂不更新上水库的库容曲线；
计算水位若超过正常蓄水位，则为正常蓄水位(因为有泄流设施)，相应库容赋值正常蓄水位所对应的库容；若计算水位低于死水位，则取死水位，相应库容赋值为死库容。
4、虚拟分汇流流量修正
通过进/出水口附近区域平面二维水流流态计算，分析抽水、发电工况时对流速影响较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态；
经二维水流流态模拟计算初步分析，进出水口附近的断面抽、放水时流速影响较大，因此，按照上述分析作分汇流节点处理，各断面处分汇流节点的流量分配系数根据二维水流流态计算模拟，流量根据下列公式计算：
QB＝(0.5×Q抽/发－Q1)×δ；
其中，QB为节点流量，Q抽/发为抽水或者发电流量；Q1为进口断面流量，δ为流量分配系数。
下面给出一具体的应用实例：
如图1所示为本发明的方法流程示意图：
步骤1，准备计算所需的基础资料，包括入库流量、输沙量、水库库容曲线、调度运行过程、河道实测断面等；
步骤2，确定计算时间步长，根据运行调度方式，计算每个时间段的抽水、发电流量；
步骤3，计算抽水发电过程中进出口附近各断面分汇流流量和含沙量；
步骤4，对上水库进行静水沉降计算，主要包括：库水位计算、泥沙沉速ωK计算、静水沉降量J计算、发电过机含沙量计算、淤积后的库容计算；
步骤5，下水库泥沙冲淤计算，主要包括：库水位计算、悬移质含沙量和推移质输沙率计算、淤积后河床变形计算、过机含沙量和级配计算；
步骤6，结果统计计算，主要包括：统计各断面泥沙冲淤情况、排沙比、各计算时段过机含沙量和级配等。
实施例计算成果如表1～表4和图2所示。
表1梅州上、下水库不同运行年限泥沙淤积量及排沙比计算成果表
Figure BDA0002335579710000071
表2不同运行时段内过机含沙量统计表
Figure BDA0002335579710000081
表3抽水工况平均过机含沙量对应级配表
Figure BDA0002335579710000082
注：百分数指小于该粒径所占重量百分比，下同。
表4发电工况平均过机含沙量对应级配表
Figure BDA0002335579710000091
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，包括：
上水库计算模式采用如下方法：
a)计算水库水深H：水库水深H＝上水库水位-上水库进/出水口底板高程；
b)计算各粒径组泥沙的沉速ωK；
c)计算各粒径组泥沙的沉降水深，其中，第K组泥沙的沉降水深HK＝ωK×静水持续时间；
d)计算各粒径组泥沙的沉降量：若HK＞H，则该粒径组泥沙全部沉降；否则，抽到上水库的该粒径组泥沙的沉降比例为HK/H，计算泥沙落淤量，按上水库库容～水位关系曲线修正上水库库底高程；
e)抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙扣除静水阶段的沉降量所剩下的部分含沙量的加权平均值即为放水时的过机含沙量。
2.如权利要求1所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，在计算出的水库水深H低于库底高程时，取H为库底高程。
3.如权利要求1所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，各粒径组泥沙的沉速ωK由张瑞瑾泥沙沉速通用公式计算得到。
4.如权利要求1所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，还包括：
下水库计算模式中，下水库干流上边界条件为径流来水来沙，下边界条件为下水库坝前水位，在进出水口上下游附近虚拟分汇流节点，以沿程分汇流的方式近似模拟抽放水时下水库进出水口附近水沙运动；抽放水时进出水口口门水沙运动特性近似模拟方法如下：
通过进出水口附近区域平面二维或三维计算，选定进/出水口左右两侧平均流速较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态，进出水口上游设沿程汇流节点，下游设沿程分流节点。
5.如权利要求4所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，静水工况下无分汇流，将分汇流量及含沙量取为0。
6.如权利要求4所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，还包括：
上下水库水沙交换联算模式：
抽水时，为模拟水流向进/出水口汇集以及进入输水发电系统的含沙量情况，用上一个发电放水工况下的分出总沙量除以该抽水工况下的总抽出水量作为汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；抽水时的过机沙量等于分流节点以及进/出水口处分出的沙量之和，抽水时过机含沙量为过机沙量除以该时段的抽水量；
泥沙抽入上水库后在静水阶段沉降，上水库淤积量为该部分沉降泥沙和上水库径流泥沙在静水阶段的沉降量；经沉降后的含沙水流在放水发电时汇入下水库，参入下水库冲淤计算；
发电放水时，为模拟进/出水口附近区域出水壅高水库水位、泥沙在进/出水口附近落淤的情况，汇流节点以及进/出水口处汇流的含沙量均为发电放水时的过机含沙量，分流节点以及进/出水口处分流的含沙量取其相应上游断面的含沙量；放水时段过机含沙量为抽入上水库的泥沙及上水库径流泥沙分别扣除静水阶段的沉降量后，水体中所含泥沙的加权平均值。
7.如权利要求1至6任一项所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，还包括按照下述方法进行上下水库坝前水位计算：
按调度原则，每个计算时间步长内计算一次下水库坝前水位，计算方法为：根据下水库径流来水量和抽/放水量，计算时段末的库容；再根据下水库库容曲线计算出下水库时段末的水位；将时段初与时段末水位的平均值作为该时段下水库坝前水位的计算值；
每年更新一次下水库的水位～库容关系；不更新上水库的库容曲线；
计算水位若超过正常蓄水位，则为正常蓄水位，相应库容赋值正常蓄水位所对应的库容；若计算水位低于死水位，则取死水位，相应库容赋值为死库容。
8.如权利要求1至6任一项所述的抽水蓄能电站水沙数值模拟计算方法，其特征在于，还包括：按照下述方法进行虚拟分汇流流量修正：
通过进/出水口附近区域平面二维水流流态计算，分析抽水、发电工况时对流速影响较大的区域，在此区域内沿程设虚拟分汇流节点模拟抽放水时流态；
各断面处分汇流节点的流量分配系数根据二维水流流态计算模拟，流量根据下列公式计算：
QB＝(0.5×Q抽/发－Q1)×δ；
其中，QB为节点流量，Q抽/发为抽水或者发电流量；Q1为进口断面流量，δ为流量分配系数。
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