寶泉抽水蓄能電站避沙調度運行方案研究

尹文俊

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453600）

0 引言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市薄壁鎮大王廟以上2.5 km 的峪河上，主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站構成。下水庫總庫容6 850 萬m3，上水庫總庫容782.5 萬m3，總裝機規模1 200 MW，年發電量20.1 億kW·h，屬大（一）型工程，為解決河南電力調峰問題發揮了重要作用，同時兼顧灌溉和防洪任務。

電站機組技術供水取自下庫進/出水口，機組技術供水主軸密封過濾器的過濾精度為0.1 mm[1]。2016 年“7·19”洪水最大入庫洪峰流量達2 034 m3/s，最大含沙量達24.0 kg/m3，機組技術供水過濾器發生了堵塞，造成機組停機。因此，解決電站泥沙問題是避免大洪水期間機組技術供水過濾器堵塞的關鍵問題。本文結合峪河洪水泥沙特性，提出了一種可有效減少總過機沙量，避免供水過濾器堵塞的避沙調度方案。

1 過機泥沙含量計算方法

泥沙懸浮是水流紊動擴散和泥沙重力綜合作用的結果。泥沙在隨水流流動過程中，在同一斷面的不同水深處含量不同，水流表層含沙量較小，底層含沙量較大[2]。因此，電站過機含沙量與進/出水口高程密切相關。寶泉水庫上、下庫庫長均較短，來洪水時易形成渾水水庫。經實測資料分析，寶泉水庫入庫懸移質中數粒徑為0.033 mm，懸沙垂線分布符合勞斯公式：

式中：Z——為懸浮指標，Z=ω/KU*；

ω——為沉速，ω=0.081 7 cm/s；

K——為卡門常數，K=0.3；

U*——為摩阻流速；

Sa——為y=a 處的含沙量，a=0.05 h。

y——為垂線點高程與河底高程之差；

h——為水深；

Sy——垂線點含沙量。

由圖1 可知，按公式（1）采用寶泉水庫參數計算的含沙量沿垂線分布與寶泉水庫2018 年7 月25 日實測資料相差不大，所以，采用上述公式計算寶泉水庫含沙量是合理的。計算時中數粒徑d50取0.033 mm，水溫T取20℃，ω=0.081 7 cm/s，K=0.3。

圖1 寶泉水庫2018 年7 月25 日含沙量垂線分布圖

計算進/出水口高程含沙量與進/出水口斷面含沙量比值時，下庫進/出水口高程取進/出水口底板高程加進/出水口洞徑的一半，即下庫進/出水口高程為（207 m+6.5 m/2）=210.25 m，上庫進/出水口高程取進/出水口攔沙坎坎頂高程和進/出水口頂部高程的平均值，即上庫進/出水口高程為750.75 m。

2 過機泥沙含量影響因素分析

影響過機含沙量的主要因素有入庫水沙條件、水庫運用方式、庫區地形、抽水及發電流量、進/出口高程等[3]。在假定其它因素一定的條件下，分析某一因素對過機含沙量的影響。寶泉抽水蓄能電站經濟壽命期為50 年，自建成投入運用以來已經歷10 多年時間，因此選取后40 年（2018 年~2058 年）為計算時段進行過機泥沙分析研究。

2.1 入庫含沙量對過機含沙量的影響

維持水庫運用方式不變，在相同地形條件下，計算不同入庫含沙量時的過機含沙量，分析入庫含沙量對過機含沙量的影響。

按上述原則，對比分析某一水平庫區地形條件下，不同頻率洪水不同入庫含沙量對過機含沙量的影響，結果見表1 和圖2。由表1 和圖2 可知，相同地形條件、相同運用方式下，隨著入庫含沙量的增加，進/出水口斷面平均含沙量增加，過機含沙量相應增加。

表1 不同入庫含沙量下相應過機含沙量單位：kg/m3

圖2 相同地形條件、相同運用方式過機含沙量與入庫含沙量關系

2.2 庫區地形對過機含沙量的影響

維持水庫運用方式不變，在入庫含沙量一定的條件下，計算不同運用年限下相應庫區地形時的過機含沙量，分析庫區地形（有效庫容）對過機含沙量的影響。

按上述原則，對比分析某一頻率洪水下，不同淤積水平對過機含沙量的影響，見表2 和圖3。由表2和圖3 可知，相同入庫含沙量、相同運用方式下，隨著庫區淤積量的增加，進/出水口斷面河底高程增加，過機含沙量相應增加。

表2 不同淤積水平、相同入庫含沙量下相應過機含沙量單位：kg/m3

圖3 相同入庫含沙量、相同運用方式過機含沙量與庫區地形關系

2.3 運用方式對過機含沙量的影響

在入庫含沙量與地形一定的條件下，分析不同運用水位時的過機含沙量，分析運用方式對過機含沙量的影響。

寶泉下庫汛限水位257.5 m，灌溉限制水位228.7 m，而下庫實際灌溉限制水位按230.5 m 控制。研究中取汛限水位257.5 m、實際運用灌溉限制水位230.5 m 和中間水位244.0 m 來擬定7~8 月主汛期不同運用水位分析水庫不同運用方式對過機含沙量的影響[4]。

按上述原則，根據擬定的7~8 月主汛期不同運用水位，利用一級灌溉洞排沙，經計算，不同運用水位下不同時段下庫進/出水口斷面平均淤積高程變化見表3 和圖4。由表3 和圖4 可知，隨著主汛期運用水位的降低，下庫進/出水口斷面淤積速率減緩，2018 年~2058 年間進/出水口斷面平均淤積高程在244.0 m 和230.5 m，運用水位較現狀運用方式分別降低1.55 m 和3.10 m，且隨著水庫運用年限的增加，效果越明顯。

表3 主汛期壩前不同運用水位下庫進/出水口斷面平均淤積高程比較

圖4 主汛期壩前不同運用水位下庫進/出水口斷面淤積高程變化過程

分析不同運用方式對過機含沙量的影響，結果見表4。在相同入庫水沙條件下，開啟一級灌溉洞排沙，隨著主汛期運用水位的降低，泥沙往壩前輸移，水庫排沙比增加，進/出水口斷面平均含沙量增加。在水庫排沙期間電站處于抽水工況時，雖然進/出水口斷面淤積高程降低了，但斷面平均含沙量增加對過機含沙量的影響遠大于排沙引起的河床降低對過機含沙量的影響，從而造成過機含沙量相應增加。由表4 可知，開啟一級灌溉洞排沙，隨著主汛期運用水位的降低，主汛期多年平均過機含沙量分別為34.4 g/m3、39.0 g/m3、42.7 g/m3，呈增長趨勢。

表4 不同運用水位2018 年~2058 年平均過機沙量對比

3 避沙優化調度分析與方案

3.1 停機避沙方式分析

寶泉抽水蓄能電站額定水頭為510 m，多年平均過機含沙量應該不大于80 g/m3。因此，寶泉電站只需控制年平均過機含沙量不大于80 g/m3即可，否則需停機避沙。

由《電站運行規程 第23 分冊：供排水系統》中所列供水過濾器規范參數可知，電站供水過濾器最小過濾精度為0.1 mm。為防止電站供水過濾器堵塞，應盡可能避免洪水期間粒徑大于0.1 mm 的泥沙進入電站供水系統。當泥沙粒徑不滿足要求時，需要分析停機避沙時機。

3.2 停機避沙時機分析

寶泉水庫來沙集中在洪水時期，根據峪河流域洪水泥沙特性分析，峪河流域水沙基本同步。根據1963 年典型洪水分析，峪河洪水歷時1 d，分為漲水段、洪峰段、落水段3 個時段，漲水段歷時4 h，洪峰段歷時4.5 h，落水段歷時15.5 h。根據洪水階段劃分，統計不同階段特征值，見表5。

表5 寶泉水庫入庫洪水過程不同階段特征值表

由表5 可知，1963 年典型洪水（近30 年一遇）漲水段、洪峰段、落水段最大含沙量分別為14.00 kg/m3、31.97 kg/m3、13.07 kg/m3，平均含沙量分別為9.96 kg/m3、22.36 kg/m3、9.32 kg/m3，最小含沙量也在5 kg/m3以上。其它頻率洪水水沙變化趨勢跟1963 年典型洪水類似。

由主軸密封過濾器參數可知，允許進入引水系統大于0.1 mm 的泥沙含沙量不大于5 g/m3。經分析影響過機含沙量的因素可知，電站抽水時過機含沙量受入庫洪水含沙量和取水口處淤積面高程影響。研究過程中通過庫區不同淤積水平遭遇不同頻率洪水條件下電站供水系統引入的粒徑大于0.1 mm 的泥沙含沙量來分析電站抽水時的避沙時機，見圖5~圖8。

圖5 1963 年典型洪水不同淤積狀態下過機含沙量過程

圖6 10 年一遇洪水不同淤積狀態下過機含沙量過程

圖7 5 年一遇洪水不同淤積狀態下過機含沙量過程

圖8 2 年一遇洪水不同淤積狀態下過機含沙量過程

由圖5~圖8 可知，當發生2 年一遇洪水時，進入供水系統粒徑大于0.1 mm 泥沙最大含沙量約為1.5 g/m3，滿足過濾器參數要求，電站可以正常運行。當發生5 年一遇洪水、10 年一遇洪水、1963年典型洪水時，漲水期間當入庫流量分別大于450 m3/s、500 m3/s、550 m3/s 時，進入供水系統粒徑大于0.1 mm 泥沙含沙量大于5 g/m3，電站應停機避沙；落水期間當入庫流量分別小于270 m3/s、240 m3/s、180 m3/s 時，進入供水系統粒徑大于0.1 mm 泥沙含沙量小于5 g/m3，電站可以開機運行。為便于操作，確定洪水漲水期間當下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站停機避沙，洪峰過后當入庫流量降至180 m3/s時，電站可開機運行。

3.3 避沙調度效果分析

根據擬定的停機避沙時機，利用數學模型[5]進行計算，與原運用方式成果對比，分析停機避沙在過機沙量方面的效果。

根據避沙調度運用方式，2018 年~2058 年40年間3 個水沙系列電站分別共停機避沙11 d、12 d、14 d，年均0.28 d、0.30 d、0.35 d。3 個水沙系列避沙調度年均減少抽水過機沙量分別為0.14 萬t、0.12 萬t、0.12 萬t；年均減少發電過機沙量0.12 萬t、0.10 萬t、0.11 萬t；年均減少總過機沙量0.27 萬t、0.22 萬t、0.23 萬t，較原運用方式減少12.1%、12.9%、13.5%，效果顯著。主汛期過機含沙量分別減小3.0 g/m3、2.5 g/m3、2.7 g/m3，較原運用方式減小8.6%、9.5%、10.4%，效果同樣明顯，見表6。

表6 2018 年~2058 年避沙調度與原運用方式過機沙量比較

3.4 避沙調度方案

針對每年非汛期和汛期庫區含沙量不同，提出了2 種不同的避沙調度方案，即非汛期調度方案和汛期調度方案。

（1）非汛期調度方案

在當年10 月至次年5 月期間，寶泉水庫上游來水為清水，機組正常運行。

（2）汛期調度方案

1）在6 月和9 月：寶泉水庫上游來水為清水，機組正常運行。

2）在7 月和8 月：平水期，機組正常運行；洪水期，漲水期間當下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站停機避沙，洪峰過后當入庫流量降至180 m3/s 時，電站可開機運行。

4 結論

（1）洪水期間機組技術供水過濾器堵塞是電站存在的主要問題。供水過濾器過濾精度為0.1 mm，粒徑大于0.1 mm 泥沙含沙量應不大于5 g/m3。經分析不同頻率洪水粗泥沙過機含沙量，確定了汛期電站運行狀態，即洪水漲水期間當下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站應停機避沙，洪峰過后當入庫流量降至180 m3/s 時，電站可開機運行。

（2）根據避沙調度運用方式，2018 年~2058年40 年間電站年均停機避沙0.28~0.35 d，減少總過機沙量0.22~0.27 萬t，較原運用方式減少12.1%~13.5%。

（3）電站避沙調度是確保電站安全運行和充分發揮工程效益的重要前提。應加強下庫進/出水口河床淤積高程監測，跟蹤分析電站避沙調度實施效果，及時總結避沙調度管理經驗，結合電站運行情況進一步深入研究和優化電站避沙調度方案，為充分發揮工程效益提供技術支撐。