宝泉抽水蓄能电站避沙调度方案研究

尹文俊

河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡 453600

摘要：抽水蓄能电站机组启停频繁，过机泥沙不利于机组的安全运行，电站进出水口前河道泥沙淤积抬升和洪水期入库水流含沙量大，是增大过机含沙量的两大主因。本文结合宝泉电站运行实际，根据实测资料分析、数学模型计算等研究成果，分析了机组停机避沙方式和时机，提出了一种电站避沙调度方案。结果表明，与原电站运用方式相比，总过机沙量最多可减少13.5%，可避免技术供水过滤器发生堵塞而导致机组非停，有利于保障电站正常运行。

关键词：抽水蓄能电站；避沙调度；过机含沙量；供水过滤器

0引言

宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁镇大王庙以上2.5km的峪河上，主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站构成。下水库总库容6850万m³，上水库总库容782.5万m³，总装机规模1200MW，年发电量20.1亿度，属大（一）型工程，为解决河南电力调峰问题发挥了重要作用，同时兼顾灌溉和防洪任务。

电站机组技术供水取自下库进/出水口，机组技术供水主轴密封过滤器的过滤精度为0.1mm^[1]。2016年“7•19”洪水最大入库洪峰流量达2034m³/s，最大含沙量达24.0kg/m³，机组技术供水过滤器发生了堵塞，造成机组停机。因此，解决电站泥沙问题是避免大洪水期间机组技术供水过滤器堵塞的关键问题。本文结合峪河洪水泥沙特性，提出了一种可有效减少总过机沙量，避免供水过滤器堵塞的避沙调度方案。

1 过机泥沙含量计算方法

泥沙悬浮是水流紊动扩散和泥沙重力综合作用的结果。泥沙在随水流流动过程中，在同一断面的不同水深处含量不同，水流表层含沙量较小，底层含沙量较大^[2]。因此，电站过机含沙量与进/出水口高程密切相关。宝泉水库上、下库库长均较短，来洪水时易形成浑水水库。经实测资料分析，宝泉水库入库悬移质中数粒径为0.033mm，悬沙垂线分布符合劳斯公式：

式中：Z——为悬浮指标， ； ——为沉速；K——为卡门常数； ——摩阻流速；S_a——为y=a处的含沙量，a=0.05h。

由图1可知，按上述公式采用宝泉水库参数计算的含沙量沿垂线分布与宝泉水库2018年7月25日实测资料相差不大，所以，采用上述公式计算宝泉水库含沙量是合理的。计算时中数粒径d₅₀取0.033mm，水温T取20℃，ω=0.0817cm/s，k=0.3。

图1 宝泉水库2018年7月25日含沙量垂线分布图

计算进/出水口高程含沙量与进/出水口断面含沙量比值时，下库进/出水口高程取进/出水口底板高程加进/出水口洞径的一半，即下库进/出水口高程为（207m+6.5m/2）=210.25m，上库进/出水口高程取进/出水口拦沙坎坎顶高程和进/出水口顶部高程的平均值，即上库进/出水口高程为750.75m。

2 过机泥沙含量影响因素分析

影响过机含沙量的主要因素有入库水沙条件、水库运用方式、库区地形、抽水及发电流量、进/出口高程等^[3]。在假定其它因素一定的条件下，分析某一因素对过机含沙量的影响。宝泉抽水蓄能电站经济寿命期为50年，自建成投入运用以来已经历10多年时间，因此选取后40年（2018年～2058年）为计算时段进行过机泥沙分析研究。

2.1 入库含沙量对过机含沙量的影响

维持水库运用方式不变，在相同地形条件下，计算不同入库含沙量时的过机含沙量，分析入库含沙量对过机含沙量的影响。

按上述原则，对比分析某一水平库区地形条件下，不同频率洪水不同入库含沙量对过机含沙量的影响，结果见表1和图2。由表1和图2可知，相同地形条件、相同运用方式下，随着入库含沙量的增加，进/出水口断面平均含沙量增加，过机含沙量相应增加。

表1 不同入库含沙量下相应过机含沙量（kg/m³）

注：1963年洪水相当于30年一遇洪水。

图2 相同地形条件、相同运用方式过机含沙量与入库含沙量关系

2.2 库区地形对过机含沙量的影响

维持水库运用方式不变，在入库含沙量一定的条件下，计算不同运用年限下相应库区地形时的过机含沙量，分析库区地形（有效库容）对过机含沙量的影响。

按上述原则，对比分析某一频率洪水下，不同淤积水平对过机含沙量的影响，见表2和图3。由表2和图3可知，相同入库含沙量、相同运用方式下，随着库区淤积量的增加，进/出水口断面河底高程增加，过机含沙量相应增加。

表2 不同淤积水平、相同入库含沙量下相应对过机含沙量（kg/m³）

注：1963年洪水相当于30年一遇洪水。

图3 相同入库含沙量、相同运用方式过机含沙量与库区地形关系

2.3 运用方式对过机含沙量的影响

在入库含沙量与地形一定的条件下，分析不同运用水位时的过机含沙量，分析运用方式对过机含沙量的影响。

宝泉下库汛限水位257.5m，灌溉限制水位228.7m，而下库实际灌溉限制水位按230.5m控制。研究中取汛限水位257.5m、实际运用灌溉限制水位230.5m和中间水位244.0m来拟定7～8月主汛期不同运用水位分析水库不同运用方式对过机含沙量的影响^[4]。

按上述原则，根据拟定的7～8月主汛期不同运用水位，利用一级灌溉洞排沙，经计算，不同运用水位下不同时段下库进/出水口断面平均淤积高程变化见表3和图4。由表3和图4可知，随着主汛期运用水位的降低，下库进/出水口断面淤积速率减缓，2018年～2058年间进/出水口断面平均淤积高程在244.0m和230.5m运用水位较现状运用方式分别降低1.55m和3.10m，且随着水库运用年限的增加，效果越明显。

表3 主汛期坝前不同运用水位下库进/出水口断面平均淤积高程比较

图4 主汛期坝前不同运用水位下库进/出水口断面淤积高程变化过程

分析不同运用方式对过机含沙量的影响，结果见表4。在相同入库水沙条件下，开启一级灌溉洞排沙，随着主汛期运用水位的降低，泥沙往坝前输移，水库排沙比增加，进/出水口断面平均含沙量增加。在水库排沙期间电站处于抽水工况时，虽然进/出水口断面淤积高程降低了，但断面平均含沙量增加对过机含沙量的影响远大于排沙引起的河床降低对过机含沙量的影响，从而造成过机含沙量相应增加。由表4可知，开启一级灌溉洞排沙，随着主汛期运用水位的降低，主汛期多年平均过机含沙量分别为34.4 g/m³、39.0 g/m³、42.7 g/m³，呈增长趋势。

表4 不同运用水位2018年～2058年平均过机沙量对比

3 避沙优化调度分析与方案

3.1 停机避沙方式分析

宝泉抽水蓄能电站额定水头为510m，多年平均过机含沙量应该不大于80g/m³。因此，宝泉电站只需控制年平均过机含沙量不大于80g/m³即可，否则需停机避沙。

由《电站运行规程 第23分册：供排水系统》中所列供水过滤器规范参数可知，电站供水过滤器最小过滤精度为0.1mm。为防止电站供水过滤器堵塞，应尽可能避免洪水期间粒径大于0.1mm的泥沙进入电站供水系统。当泥沙粒径不满足要求时，需要分析停机避沙时机。

3.2 停机避沙时机分析

宝泉水库来沙集中在洪水时期，根据峪河流域洪水泥沙特性分析，峪河流域水沙基本同步。根据1963年典型洪水分析，峪河洪水历时1天，分为涨水段、洪峰段、落水段三个时段，涨水段历时4小时，洪峰段历时4.5个小时，落水段历时15.5个小时。根据洪水阶段划分，统计不同阶段特征值，见表5。

表5 宝泉水库入库洪水过程不同阶段特征值表

由表5可知，1963年典型洪水（近30年一遇）涨水段、洪峰段、落水段最大含沙量分别为14.00kg/m³、31.97 kg/m³、13.07 kg/m³，平均含沙量分别为9.96 kg/m³、22.36 kg/m³、9.32 kg/m³，最小含沙量也在5 kg/m³以上。其它频率洪水水沙变化趋势跟1963年典型洪水类似。

由主轴密封过滤器参数可知，允许进入引水系统大于0.1mm的泥沙含沙量不大于5g/m³。经分析影响过机含沙量的因素可知，电站抽水时过机含沙量受入库洪水含沙量和取水口处淤积面高程影响。研究过程中通过库区不同淤积水平遭遇不同频率洪水条件下电站供水系统引入的粒径大于0.1mm的泥沙含沙量来分析电站抽水时的避沙时机，见图5～图8。

由图5～图8可知，当发生2年一遇洪水时，进入供水系统粒径大于0.1mm泥沙最大含沙量约为1.5g/ m³，满足过滤器参数要求，电站可以正常运行。当发生5年一遇洪水、10年一遇洪水、1963年典型洪水时，涨水期间当入库流量分别大于450m³/s、500 m³/s、550 m³/s时，进入供水系统粒径大于0.1mm泥沙含沙量大于5g/ m³，电站应停机避沙；落水期间当入库流量分别小于270m³/s、240 m³/s、180 m³/s时，进入供水系统粒径大于0.1mm泥沙含沙量小于5g/ m³，电站可以开机运行。为便于操作，确定洪水涨水期间当下库入库流量大于450 m³/s时电站停机避沙，洪峰过后当入库流量降至180 m³/s时，电站可开机运行。

图5 1963年典型洪水不同淤积状态下过机含沙量过程

图6 10年一遇洪水不同淤积状态下过机含沙量过程

图7 5年一遇洪水不同淤积状态下过机含沙量过程

图8 2年一遇洪水不同淤积状态下过机含沙量过程

3.3 避沙调度效果分析

根据拟定的停机避沙时机，利用数学模型^[5]进行计算，与原运用方式成果对比，分析停机避沙在过机沙量方面的效果。

根据避沙调度运用方式，2018年～2058年40年间三个水沙系列电站分别共停机避沙11天、12天、14天，年均0.28天、0.30天、0.35天。三个水沙系列避沙调度年均减少抽水过机沙量分别为0.14万t、0.12万t、0.12万t；年均减少发电过机沙量0.12万t、0.10万t、0.11万t；年均减少总过机沙量0.27万t、0.22万t、0.23万t，较原运用方式减少12.1%、12.9%、13.5%，效果显著。主汛期过机含沙量分别减小3.0g/m³、2.5g/m³、2.7g/m³，较原运用方式减小8.6%、9.5%、10.4%，效果同样明显，见表6。

表6 2018年～2058年避沙调度与原运用方式过机沙量比较

3.4 避沙调度方案

针对每年非汛期和汛期库区含沙量不同，提出了两种不同的避沙调度方案，即非汛期调度方案和汛期调度方案。

（1）非汛期调度方案

在当年10月至次年5月期间，宝泉水库上游来水为清水，机组正常运行。

（2）汛期调度方案

① 在6月和9月：宝泉水库上游来水为清水，机组正常运行。

② 在7月和8月：平水期，机组正常运行；洪水期，涨水期间当下库入库流量大于450 m³/s时电站停机避沙，洪峰过后当入库流量降至180 m³/s时，电站可开机运行。

4 结论

（1）洪水期间机组技术供水过滤器堵塞是电站存在的主要问题。供水过滤器过滤精度为0.1mm，粒径大于0.1mm泥沙含沙量应不大于5g/m³。经分析不同频率洪水粗泥沙过机含沙量，确定了汛期电站运行状态，即洪水涨水期间当下库入库流量大于450 m³/s时电站应停机避沙，洪峰过后当入库流量降至180 m³/s时，电站可开机运行。

（2）根据避沙调度运用方式，2018年～2058年40年间电站年均停机避沙0.28～0.35天，减少总过机沙量0.22～0.27万t，较原运用方式减少12.1%～13.5%。

（3）电站避沙调度是确保电站安全运行和充分发挥工程效益的重要前提。应加强下库进/出水口河床淤积高程监测，跟踪分析电站避沙调度实施效果，及时总结避沙调度管理经验，结合电站运行情况进一步深入研究和优化电站避沙调度方案，为充分发挥工程效益提供技术支撑。

参考文献

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[2] 涂启华，杨赉斐. 泥沙设计手册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006:133-155.

[3] 汪顺生.抽水蓄能技术发展与应用研究[M].北京：科学出版社，2016:8-21.

[4] 王欣宏，龚立尧，吴巍，等.高含沙河流供水水库运用方式研究：以王瑶水库为例[J].泥沙研究，2018,43（2）：33-39.

[5] 蔡荨，魏国梁，史汉忠.考虑排沙运用的巴家咀水库兴利调度研究[J].人民黄河，2021,43（2）：13-16,40.

作者简介：尹文俊（1989-），男，汉族，湖北麻城人，研究生，工程师，从事水库大坝安全运行及监测管理。