關(guān)于抽水蓄能電站設(shè)計中過機含沙量計算問題的思考

陳含墨，林丹彤

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650000；2.蘭州大學(xué)，資源環(huán)境學(xué)院，甘肅省蘭州市 730000；3.清華大學(xué)水利系，水圈科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京市 100084）

0 引言

化石燃料提供了全球80%以上的能源，然而隨著世界人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，化石能源的儲備處于逐漸枯竭的狀態(tài)，化石能源不斷燃燒導(dǎo)致大量的二氧化碳?xì)怏w被排入大氣，人類逐漸面臨著海平面上升、全球氣候變暖等全球性氣候問題，可以說人類目前面臨著能源危機和氣候變化的雙重威脅[1]。目前，世界各國積極地參與到減少碳排放的行動中來，歐洲議會批準(zhǔn)《歐洲氣候法》提出于2050 年之前歐盟各成員國實現(xiàn)氣候中和，日本通過2050 年碳中和目標(biāo)的法案，我國于2020 年提出了“雙碳”目標(biāo)，力爭于2030 年實現(xiàn)“碳達(dá)峰”與2060 年實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式，加快降低碳排放步伐，有利于引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的全球競爭力[2]。

實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一是大力開發(fā)清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[3]。然而，如風(fēng)能和太陽能等能源通常具有地域及時間的依賴性，難以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，在這樣的背景下，發(fā)展高效可控的儲能方式迫在眉睫，其中抽水蓄能電站是目前應(yīng)用最廣泛的儲能方式。抽水蓄能電站作為一種可控儲能方式，是我國重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，對我國能源戰(zhàn)略及生態(tài)環(huán)境保護均具有重要的意義[4]。與常規(guī)水電站不同，抽水蓄能電站的機組同時具水輪機和水泵兩種運行方式，其工作原理為“低吸高發(fā)”，即在電力負(fù)荷高峰時機組以水輪機模式運行進行發(fā)電，在電力負(fù)荷低谷時機組以水泵模式運行進行抽水蓄能[5]。目前，抽水蓄能電站是我國電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛、壽命周期最長、最為經(jīng)濟可靠的大型儲能系統(tǒng)[6]。

在以往的工程實踐中發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能電站的運行效率受到泥沙問題的制約，目前有關(guān)抽水蓄能電站允許過機含沙量尚無明確的規(guī)范要求，在行業(yè)內(nèi)通常采用過機含沙量小于50g/m3這一參考值。本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，從考慮泥沙沉降、泥沙垂向分布、上游水庫運行方式、泥沙級配等角度探討抽水蓄能電站設(shè)計階段過機含沙量計算的改進方法，為工程實際提供參考。

1 泥沙問題對抽水蓄能電站的影響

過機泥沙是指隨水流引入水輪機流道中的巖土顆粒[7]。由于抽水蓄能電站“低吸高發(fā)”的工作模式，其機組兼具水輪機及水泵的工作模式，相比于常規(guī)水電站其在運行過程中的啟動與停機更頻繁、負(fù)荷變化更大[8]，此外由于抽水蓄能電站通常水頭較高，通過機組的水流流速較大，進出水口的水流和泥沙流態(tài)復(fù)雜，機組更易受到泥沙的磨損[9]。此外，過多的泥沙淤積將對電站調(diào)節(jié)庫容產(chǎn)生影響，降低抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用[10]。因此，抽水蓄能電站對過機泥沙的控制要求通常很高。

2 解決抽水蓄能電站泥沙問題的思路

目前在抽水蓄能電站設(shè)計階段針對過機含沙量尚無明確的計算方法，常用的方法有以下三種：

一是根據(jù)侵蝕模數(shù)圖，估算入河沙量，結(jié)合多年平均徑流量估算水流平均含沙量來代表過機含沙量。二是根據(jù)水文站實測泥沙數(shù)據(jù)及多年平均徑流量，推算下水庫壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量，再依據(jù)推懸比估計推移質(zhì)輸沙量，從而求得多年平均輸沙總量，最后結(jié)合多年平均徑流量估算水流平均含沙量來代表過機含沙量。三是若下水庫至水文站之間存在水庫，則通過布倫公式估算上游水庫的排沙比，計算出上游水庫的排沙量，疊加通過侵蝕模數(shù)圖計算出的區(qū)間沙量作為多年平均輸沙總量，最后結(jié)合多年平均徑流量估算水流平均含沙量來代表過機含沙量。上述三種方法的區(qū)別主要在于對多年平均輸沙總量的計算。

目前，有關(guān)抽水蓄能電站允許過機含沙量尚無明確的規(guī)范要求，在行業(yè)內(nèi)通常采用過機含沙量小于0.05kg/m3這一參考值。上述計算方法對水庫泥沙特征進行了簡化，并且未考慮泥沙沉降作用及抽水蓄能電站的運行特征，計算結(jié)果較大。針對上述問題，本文提出了如下思路對抽水蓄能電站過機泥沙計算過程進行優(yōu)化和改進。

2.1 考慮泥沙粒徑級配

在現(xiàn)行的過機泥沙含量計算方法中，對于過機泥沙的計算通?？紤]全部粒徑的泥沙含量。然而，已有研究表明泥沙的粒徑級配對于機組磨蝕有顯著的影響，例如張廣和魏顯著[11]的數(shù)值模擬結(jié)果表明小粒徑（0.01mm）的泥沙對葉片的磨蝕程度較低且磨蝕均勻，而大粒徑（0.5mm）對葉片前緣及出水邊等位置有較強的磨損。長期的工程觀察和計算分析表明，小粒徑泥沙對于機組的損耗較低，在過機泥沙計算中可不考慮，然而目前在工程設(shè)計中對于小粒徑泥沙的范圍界定尚未達(dá)成共識。

2.2 考慮泥沙的垂向分布

目前通常采用取水口斷面的平均含沙量代表過機含沙量，實際上泥沙在垂直斷面上是不均勻分布的，泥沙含量自水面到河底逐漸增加，呈現(xiàn)出上清下渾的濃度分布[12]，并且濃度分布依賴于泥沙顆粒粒徑，通常小粒徑泥沙沿垂線的分布較為均勻，而大顆粒泥沙的分布則不均勻，因此斷面平均含沙量用于評價過機含沙量可能存在偏差，選取取水口高程及抽水影響范圍的含沙量與實際更為貼切。

2.3 考慮泥沙沉降作用

目前通用的方法中，上游水庫來沙的計算均未考慮泥沙沉降作用。實際情況中，從上游水庫或水文站到達(dá)下水庫之前，部分泥沙會發(fā)生沉降，忽略泥沙沉降過程會造成過機含沙量的取值偏大。同時，抽水蓄能電站為間歇性運行，機組關(guān)機時常較長，在非汛期的機組關(guān)機過程中，庫區(qū)基本可以等同于靜水狀態(tài)，泥沙將發(fā)生沉降，計算此階段的過機含沙量時應(yīng)充分考慮泥沙的沉降作用，進而合理計算過機含沙量。

2.4 考慮上游水庫調(diào)度方式

抽水蓄能電站下水庫通常在河流上，部分河流上游建有水庫，由于水庫的攔沙作用，天然來沙過程受到影響，在計算過機含沙量時選用上游水庫下泄水流含沙量作為計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更為合理。根據(jù)實際水庫的調(diào)度情況，位于底部的泄洪沖沙底孔附近水流含沙量高，但年開啟次數(shù)非常有限；經(jīng)常開啟的泄流表孔則由于所處高程較高，水流含沙量低，帶入下游河段的泥沙也有限。在上述情況下，計算下水庫過機含沙量時需考慮上游水庫的調(diào)度方式，在上水庫開啟泄洪沖沙底孔時，關(guān)閉抽水蓄能機組，進行避沙運行?？紤]上游水庫調(diào)度和抽水蓄能電站避沙運行，計入過機含沙量計算的泥沙總量不應(yīng)包括泄洪沖砂底孔排出的高含沙量水流中所攜帶的泥沙。

2.5 工程措施和投資預(yù)算

在評價抽水蓄能電站時需要客觀看待泥沙問題，對于泥沙問題非常突出的抽水蓄能電站工程，必要時需增設(shè)攔沙壩，經(jīng)濟評價的時候需要考慮更換機組的費用，客觀評價項目經(jīng)濟可行性。

3 案例分析

某抽水蓄能電站上下游均已建成水電站，所處河段泥沙問題突出。依據(jù)上游水文站泥沙資料，計算得到多年平均輸沙量為600 萬t。采用布倫公式計算上游水庫1、水庫2 的排沙比分別為80%、50%。經(jīng)計算，下水庫的多年平均入庫沙量為240 萬t，水體平均含沙量為0.33kg/m3，遠(yuǎn)超過機含沙量0.05kg/m3的閾值，泥沙問題已成為制約該抽水蓄能電站推進的關(guān)鍵性因素。

經(jīng)調(diào)查，該抽水蓄能電站上游水庫2 的泄洪沖沙底孔多年平均開啟時長低于1 天，溢流表孔多年平均開啟時長約為12 天，且下泄水流含沙量低于0.02kg/m3?？紤]水庫2 調(diào)度方式及下泄水流至下水庫取水口之間泥沙的沉降作用后，再次計算水體平均含沙量（未考慮抽水蓄能電站避沙運行）為0.088kg/m3，下水庫取水口平均含沙量為0.46kg/m3，滿足過機含沙量0.05kg/m3的要求（相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)過處理，非原始數(shù)據(jù)，僅為證明方法可行）。

4 結(jié)論

過機含沙量是抽水蓄能電站設(shè)計規(guī)劃過程中的重要因素，本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，對過機含沙量的評估過程提出改進思路，建議在過機含沙量的計算中綜合考慮泥沙粒徑級配、泥沙垂向分布、泥沙沉降作用、上游水庫運行方式，在工程角度建議必要時增設(shè)攔沙坎，經(jīng)濟評價時分析更換機組費用，從而更全面、合理、經(jīng)濟地考量抽水蓄能電站的泥沙問題。