尹文俊

（河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453600）

0 引言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市薄壁鎮(zhèn)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(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站構(gòu)成。下水庫總庫容6 850 萬m3，上水庫總庫容782.5 萬m3，總裝機(jī)規(guī)模1 200 MW，年發(fā)電量20.1 億kW·h，屬大（一）型工程，為解決河南電力調(diào)峰問題發(fā)揮了重要作用，同時兼顧灌溉和防洪任務(wù)。

電站機(jī)組技術(shù)供水取自下庫進(jìn)/出水口，機(jī)組技術(shù)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(dá)2 034 m3/s，最大含沙量達(dá)24.0 kg/m3，機(jī)組技術(shù)供水過濾器發(fā)生了堵塞，造成機(jī)組停機(jī)。因此，解決電站泥沙問題是避免大洪水期間機(jī)組技術(shù)供水過濾器堵塞的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合峪河洪水泥沙特性，提出了一種可有效減少總過機(jī)沙量，避免供水過濾器堵塞的避沙調(diào)度方案。

1 過機(jī)泥沙含量計算方法

泥沙懸浮是水流紊動擴(kuò)散和泥沙重力綜合作用的結(jié)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(jī)含沙量與進(jìn)/出水口高程密切相關(guān)。寶泉水庫上、下庫庫長均較短，來洪水時易形成渾水水庫。經(jīng)實測資料分析，寶泉水庫入庫懸移質(zhì)中數(shù)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(biāo)，Z=ω/KU*；

ω——為沉速，ω=0.081 7 cm/s；

K——為卡門常數(shù)，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(diǎn)高程與河底高程之差；

h——為水深；

Sy——垂線點(diǎn)含沙量。

由圖1 可知，按公式（1）采用寶泉水庫參數(shù)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(shù)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(jìn)/出水口高程含沙量與進(jìn)/出水口斷面含沙量比值時，下庫進(jìn)/出水口高程取進(jìn)/出水口底板高程加進(jìn)/出水口洞徑的一半，即下庫進(jìn)/出水口高程為（207 m+6.5 m/2）=210.25 m，上庫進(jìn)/出水口高程取進(jìn)/出水口攔沙坎坎頂高程和進(jìn)/出水口頂部高程的平均值，即上庫進(jìn)/出水口高程為750.75 m。

2 過機(jī)泥沙含量影響因素分析

影響過機(jī)含沙量的主要因素有入庫水沙條件、水庫運(yùn)用方式、庫區(qū)地形、抽水及發(fā)電流量、進(jìn)/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(jī)含沙量的影響。寶泉抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)壽命期為50 年，自建成投入運(yùn)用以來已經(jīng)歷10 多年時間，因此選取后40 年（2018 年~2058 年）為計算時段進(jìn)行過機(jī)泥沙分析研究。

2.1 入庫含沙量對過機(jī)含沙量的影響

維持水庫運(yùn)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(jī)含沙量，分析入庫含沙量對過機(jī)含沙量的影響。

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

表1 不同入庫含沙量下相應(yīng)過機(jī)含沙量單位：kg/m3

圖2 相同地形條件、相同運(yùn)用方式過機(jī)含沙量與入庫含沙量關(guān)系

2.2 庫區(qū)地形對過機(jī)含沙量的影響

維持水庫運(yùn)用方式不變，在入庫含沙量一定的條件下，計算不同運(yùn)用年限下相應(yīng)庫區(qū)地形時的過機(jī)含沙量，分析庫區(qū)地形（有效庫容）對過機(jī)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(jī)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(yùn)用方式下，隨著庫區(qū)淤積量的增加，進(jìn)/出水口斷面河底高程增加，過機(jī)含沙量相應(yīng)增加。

表2 不同淤積水平、相同入庫含沙量下相應(yīng)過機(jī)含沙量單位：kg/m3

圖3 相同入庫含沙量、相同運(yùn)用方式過機(jī)含沙量與庫區(qū)地形關(guān)系

2.3 運(yùn)用方式對過機(jī)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(yùn)用水位時的過機(jī)含沙量，分析運(yùn)用方式對過機(jī)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(yùn)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(yùn)用水位分析水庫不同運(yùn)用方式對過機(jī)含沙量的影響[4]。

按上述原則，根據(jù)擬定的7~8 月主汛期不同運(yùn)用水位，利用一級灌溉洞排沙，經(jīng)計算，不同運(yùn)用水位下不同時段下庫進(jìn)/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(yùn)用水位的降低，下庫進(jìn)/出水口斷面淤積速率減緩，2018 年~2058 年間進(jìn)/出水口斷面平均淤積高程在244.0 m 和230.5 m，運(yùn)用水位較現(xiàn)狀運(yùn)用方式分別降低1.55 m 和3.10 m，且隨著水庫運(yùn)用年限的增加，效果越明顯。

表3 主汛期壩前不同運(yùn)用水位下庫進(jìn)/出水口斷面平均淤積高程比較

圖4 主汛期壩前不同運(yùn)用水位下庫進(jìn)/出水口斷面淤積高程變化過程

分析不同運(yùn)用方式對過機(jī)含沙量的影響，結(jié)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(yùn)用水位的降低，泥沙往壩前輸移，水庫排沙比增加，進(jìn)/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(jìn)/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(jī)含沙量的影響遠(yuǎn)大于排沙引起的河床降低對過機(jī)含沙量的影響，從而造成過機(jī)含沙量相應(yīng)增加。由表4 可知，開啟一級灌溉洞排沙，隨著主汛期運(yùn)用水位的降低，主汛期多年平均過機(jī)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(yùn)用水位2018 年~2058 年平均過機(jī)沙量對比

3 避沙優(yōu)化調(diào)度分析與方案

3.1 停機(jī)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(jī)含沙量應(yīng)該不大于80 g/m3。因此，寶泉電站只需控制年平均過機(jī)含沙量不大于80 g/m3即可，否則需停機(jī)避沙。

由《電站運(yùn)行規(guī)程 第23 分冊：供排水系統(tǒng)》中所列供水過濾器規(guī)范參數(shù)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(yīng)盡可能避免洪水期間粒徑大于0.1 mm 的泥沙進(jìn)入電站供水系統(tǒng)。當(dāng)泥沙粒徑不滿足要求時，需要分析停機(jī)避沙時機(jī)。

3.2 停機(jī)避沙時機(jī)分析

寶泉水庫來沙集中在洪水時期，根據(jù)峪河流域洪水泥沙特性分析，峪河流域水沙基本同步。根據(jù)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(jù)洪水階段劃分，統(tǒng)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(shù)可知，允許進(jìn)入引水系統(tǒng)大于0.1 mm 的泥沙含沙量不大于5 g/m3。經(jīng)分析影響過機(jī)含沙量的因素可知，電站抽水時過機(jī)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(qū)不同淤積水平遭遇不同頻率洪水條件下電站供水系統(tǒng)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(jī)，見圖5~圖8。

圖5 1963 年典型洪水不同淤積狀態(tài)下過機(jī)含沙量過程

圖6 10 年一遇洪水不同淤積狀態(tài)下過機(jī)含沙量過程

圖7 5 年一遇洪水不同淤積狀態(tài)下過機(jī)含沙量過程

圖8 2 年一遇洪水不同淤積狀態(tài)下過機(jī)含沙量過程

由圖5~圖8 可知，當(dāng)發(fā)生2 年一遇洪水時，進(jìn)入供水系統(tǒng)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(shù)要求，電站可以正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)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(dāng)入庫流量分別大于450 m3/s、500 m3/s、550 m3/s 時，進(jìn)入供水系統(tǒng)粒徑大于0.1 mm 泥沙含沙量大于5 g/m3，電站應(yīng)停機(jī)避沙；落水期間當(dāng)入庫流量分別小于270 m3/s、240 m3/s、180 m3/s 時，進(jìn)入供水系統(tǒng)粒徑大于0.1 mm 泥沙含沙量小于5 g/m3，電站可以開機(jī)運(yùn)行。為便于操作，確定洪水漲水期間當(dāng)下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站停機(jī)避沙，洪峰過后當(dāng)入庫流量降至180 m3/s時，電站可開機(jī)運(yùn)行。

3.3 避沙調(diào)度效果分析

根據(jù)擬定的停機(jī)避沙時機(jī)，利用數(shù)學(xué)模型[5]進(jìn)行計算，與原運(yùn)用方式成果對比，分析停機(jī)避沙在過機(jī)沙量方面的效果。

根據(jù)避沙調(diào)度運(yùn)用方式，2018 年~2058 年40年間3 個水沙系列電站分別共停機(jī)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(diào)度年均減少抽水過機(jī)沙量分別為0.14 萬t、0.12 萬t、0.12 萬t；年均減少發(fā)電過機(jī)沙量0.12 萬t、0.10 萬t、0.11 萬t；年均減少總過機(jī)沙量0.27 萬t、0.22 萬t、0.23 萬t，較原運(yùn)用方式減少12.1%、12.9%、13.5%，效果顯著。主汛期過機(jī)含沙量分別減小3.0 g/m3、2.5 g/m3、2.7 g/m3，較原運(yùn)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(diào)度與原運(yùn)用方式過機(jī)沙量比較

3.4 避沙調(diào)度方案

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

（1）非汛期調(diào)度方案

在當(dāng)年10 月至次年5 月期間，寶泉水庫上游來水為清水，機(jī)組正常運(yùn)行。

（2）汛期調(diào)度方案

1）在6 月和9 月：寶泉水庫上游來水為清水，機(jī)組正常運(yùn)行。

2）在7 月和8 月：平水期，機(jī)組正常運(yùn)行；洪水期，漲水期間當(dāng)下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站停機(jī)避沙，洪峰過后當(dāng)入庫流量降至180 m3/s 時，電站可開機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）洪水期間機(jī)組技術(shù)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(yīng)不大于5 g/m3。經(jīng)分析不同頻率洪水粗泥沙過機(jī)含沙量，確定了汛期電站運(yùn)行狀態(tài)，即洪水漲水期間當(dāng)下庫入庫流量大于450 m3/s 時電站應(yīng)停機(jī)避沙，洪峰過后當(dāng)入庫流量降至180 m3/s 時，電站可開機(jī)運(yùn)行。

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

（3）電站避沙調(diào)度是確保電站安全運(yùn)行和充分發(fā)揮工程效益的重要前提。應(yīng)加強(qiáng)下庫進(jìn)/出水口河床淤積高程監(jiān)測，跟蹤分析電站避沙調(diào)度實施效果，及時總結(jié)避沙調(diào)度管理經(jīng)驗，結(jié)合電站運(yùn)行情況進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化電站避沙調(diào)度方案，為充分發(fā)揮工程效益提供技術(shù)支撐。