关于抽水蓄能电站设计中过机含沙量计算问题的思考

陈含墨，林丹彤

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650000；2.兰州大学，资源环境学院，甘肃省兰州市 730000；3.清华大学水利系，水圈科学与水利水电工程国家重点实验室，北京市 100084）

0 引言

化石燃料提供了全球80%以上的能源，然而随着世界人口的增长和经济的发展，化石能源的储备处于逐渐枯竭的状态，化石能源不断燃烧导致大量的二氧化碳气体被排入大气，人类逐渐面临着海平面上升、全球气候变暖等全球性气候问题，可以说人类目前面临着能源危机和气候变化的双重威胁[1]。目前，世界各国积极地参与到减少碳排放的行动中来，欧洲议会批准《欧洲气候法》提出于2050 年之前欧盟各成员国实现气候中和，日本通过2050 年碳中和目标的法案，我国于2020 年提出了“双碳”目标，力争于2030 年实现“碳达峰”与2060 年实现“碳中和”的目标，倡导绿色、环保、低碳的生活方式，加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，提高产业和经济的全球竞争力[2]。

实现“双碳”目标的重要途径之一是大力开发清洁能源，优化能源结构[3]。然而，如风能和太阳能等能源通常具有地域及时间的依赖性，难以保证电网的稳定运行，在这样的背景下，发展高效可控的储能方式迫在眉睫，其中抽水蓄能电站是目前应用最广泛的储能方式。抽水蓄能电站作为一种可控储能方式，是我国重要的能源基础设施，对我国能源战略及生态环境保护均具有重要的意义[4]。与常规水电站不同，抽水蓄能电站的机组同时具水轮机和水泵两种运行方式，其工作原理为“低吸高发”，即在电力负荷高峰时机组以水轮机模式运行进行发电，在电力负荷低谷时机组以水泵模式运行进行抽水蓄能[5]。目前，抽水蓄能电站是我国电力系统中应用最为广泛、寿命周期最长、最为经济可靠的大型储能系统[6]。

在以往的工程实践中发现，抽水蓄能电站的运行效率受到泥沙问题的制约，目前有关抽水蓄能电站允许过机含沙量尚无明确的规范要求，在行业内通常采用过机含沙量小于50g/m3这一参考值。本文结合工程实践经验，从考虑泥沙沉降、泥沙垂向分布、上游水库运行方式、泥沙级配等角度探讨抽水蓄能电站设计阶段过机含沙量计算的改进方法，为工程实际提供参考。

1 泥沙问题对抽水蓄能电站的影响

过机泥沙是指随水流引入水轮机流道中的岩土颗粒[7]。由于抽水蓄能电站“低吸高发”的工作模式，其机组兼具水轮机及水泵的工作模式，相比于常规水电站其在运行过程中的启动与停机更频繁、负荷变化更大[8]，此外由于抽水蓄能电站通常水头较高，通过机组的水流流速较大，进出水口的水流和泥沙流态复杂，机组更易受到泥沙的磨损[9]。此外，过多的泥沙淤积将对电站调节库容产生影响，降低抽水蓄能电站的调节作用[10]。因此，抽水蓄能电站对过机泥沙的控制要求通常很高。

2 解决抽水蓄能电站泥沙问题的思路

目前在抽水蓄能电站设计阶段针对过机含沙量尚无明确的计算方法，常用的方法有以下三种：

一是根据侵蚀模数图，估算入河沙量，结合多年平均径流量估算水流平均含沙量来代表过机含沙量。二是根据水文站实测泥沙数据及多年平均径流量，推算下水库坝址多年平均悬移质输沙量，再依据推悬比估计推移质输沙量，从而求得多年平均输沙总量，最后结合多年平均径流量估算水流平均含沙量来代表过机含沙量。三是若下水库至水文站之间存在水库，则通过布伦公式估算上游水库的排沙比，计算出上游水库的排沙量，叠加通过侵蚀模数图计算出的区间沙量作为多年平均输沙总量，最后结合多年平均径流量估算水流平均含沙量来代表过机含沙量。上述三种方法的区别主要在于对多年平均输沙总量的计算。

目前，有关抽水蓄能电站允许过机含沙量尚无明确的规范要求，在行业内通常采用过机含沙量小于0.05kg/m3这一参考值。上述计算方法对水库泥沙特征进行了简化，并且未考虑泥沙沉降作用及抽水蓄能电站的运行特征，计算结果较大。针对上述问题，本文提出了如下思路对抽水蓄能电站过机泥沙计算过程进行优化和改进。

2.1 考虑泥沙粒径级配

在现行的过机泥沙含量计算方法中，对于过机泥沙的计算通常考虑全部粒径的泥沙含量。然而，已有研究表明泥沙的粒径级配对于机组磨蚀有显著的影响，例如张广和魏显著[11]的数值模拟结果表明小粒径（0.01mm）的泥沙对叶片的磨蚀程度较低且磨蚀均匀，而大粒径（0.5mm）对叶片前缘及出水边等位置有较强的磨损。长期的工程观察和计算分析表明，小粒径泥沙对于机组的损耗较低，在过机泥沙计算中可不考虑，然而目前在工程设计中对于小粒径泥沙的范围界定尚未达成共识。

2.2 考虑泥沙的垂向分布

目前通常采用取水口断面的平均含沙量代表过机含沙量，实际上泥沙在垂直断面上是不均匀分布的，泥沙含量自水面到河底逐渐增加，呈现出上清下浑的浓度分布[12]，并且浓度分布依赖于泥沙颗粒粒径，通常小粒径泥沙沿垂线的分布较为均匀，而大颗粒泥沙的分布则不均匀，因此断面平均含沙量用于评价过机含沙量可能存在偏差，选取取水口高程及抽水影响范围的含沙量与实际更为贴切。

2.3 考虑泥沙沉降作用

目前通用的方法中，上游水库来沙的计算均未考虑泥沙沉降作用。实际情况中，从上游水库或水文站到达下水库之前，部分泥沙会发生沉降，忽略泥沙沉降过程会造成过机含沙量的取值偏大。同时，抽水蓄能电站为间歇性运行，机组关机时常较长，在非汛期的机组关机过程中，库区基本可以等同于静水状态，泥沙将发生沉降，计算此阶段的过机含沙量时应充分考虑泥沙的沉降作用，进而合理计算过机含沙量。

2.4 考虑上游水库调度方式

抽水蓄能电站下水库通常在河流上，部分河流上游建有水库，由于水库的拦沙作用，天然来沙过程受到影响，在计算过机含沙量时选用上游水库下泄水流含沙量作为计算基础数据更为合理。根据实际水库的调度情况，位于底部的泄洪冲沙底孔附近水流含沙量高，但年开启次数非常有限；经常开启的泄流表孔则由于所处高程较高，水流含沙量低，带入下游河段的泥沙也有限。在上述情况下，计算下水库过机含沙量时需考虑上游水库的调度方式，在上水库开启泄洪冲沙底孔时，关闭抽水蓄能机组，进行避沙运行。考虑上游水库调度和抽水蓄能电站避沙运行，计入过机含沙量计算的泥沙总量不应包括泄洪冲砂底孔排出的高含沙量水流中所携带的泥沙。

2.5 工程措施和投资预算

在评价抽水蓄能电站时需要客观看待泥沙问题，对于泥沙问题非常突出的抽水蓄能电站工程，必要时需增设拦沙坝，经济评价的时候需要考虑更换机组的费用，客观评价项目经济可行性。

3 案例分析

某抽水蓄能电站上下游均已建成水电站，所处河段泥沙问题突出。依据上游水文站泥沙资料，计算得到多年平均输沙量为600 万t。采用布伦公式计算上游水库1、水库2 的排沙比分别为80%、50%。经计算，下水库的多年平均入库沙量为240 万t，水体平均含沙量为0.33kg/m3，远超过机含沙量0.05kg/m3的阈值，泥沙问题已成为制约该抽水蓄能电站推进的关键性因素。

经调查，该抽水蓄能电站上游水库2 的泄洪冲沙底孔多年平均开启时长低于1 天，溢流表孔多年平均开启时长约为12 天，且下泄水流含沙量低于0.02kg/m3。考虑水库2 调度方式及下泄水流至下水库取水口之间泥沙的沉降作用后，再次计算水体平均含沙量（未考虑抽水蓄能电站避沙运行）为0.088kg/m3，下水库取水口平均含沙量为0.46kg/m3，满足过机含沙量0.05kg/m3的要求（相关数据已经过处理，非原始数据，仅为证明方法可行）。

4 结论

过机含沙量是抽水蓄能电站设计规划过程中的重要因素，本文结合工程实践经验，对过机含沙量的评估过程提出改进思路，建议在过机含沙量的计算中综合考虑泥沙粒径级配、泥沙垂向分布、泥沙沉降作用、上游水库运行方式，在工程角度建议必要时增设拦沙坎，经济评价时分析更换机组费用，从而更全面、合理、经济地考量抽水蓄能电站的泥沙问题。