關于抽水蓄能電站設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計研究院有限公司，云南省昆明市 650000；2.蘭州大學，資源環境學院，甘肅省蘭州市 730000；3.清華大學水利系，水圈科學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濟的發展，化石能源的儲備處于逐漸枯竭的狀態，化石能源不斷燃燒導致大量的二氧化碳氣體被排入大氣，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《歐洲氣候法》提出于2050 年之前歐盟各成員國實現氣候中和，日本通過2050 年碳中和目標的法案，我國于2020 年提出了“雙碳”目標，力爭于2030 年實現“碳達峰”與2060 年實現“碳中和”的目標，倡導綠色、環保、低碳的生活方式，加快降低碳排放步伐，有利于引導綠色技術創新，提高產業和經濟的全球競爭力[2]。

實現“雙碳”目標的重要途徑之一是大力開發清潔能源，優化能源結構[3]。然而，如風能和太陽能等能源通常具有地域及時間的依賴性，難以保證電網的穩定運行，在這樣的背景下，發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設施，對我國能源戰略及生態環境保護均具有重要的意義[4]。與常規水電站不同，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”，即在電力負荷高峰時機組以水輪機模式運行進行發電，在電力負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中應用最為廣泛、壽命周期最長、最為經濟可靠的大型儲能系統[6]。

在以往的工程實踐中發現，抽水蓄能電站的運行效率受到泥沙問題的制約，目前有關抽水蓄能電站允許過機含沙量尚無明確的規范要求，在行業內通常采用過機含沙量小于50g/m3這一參考值。本文結合工程實踐經驗，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”的工作模式，其機組兼具水輪機及水泵的工作模式，相比于常規水電站其在運行過程中的啟動與停機更頻繁、負荷變化更大[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復雜，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節庫容產生影響，降低抽水蓄能電站的調節作用[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：

一是根據侵蝕模數圖，估算入河沙量，結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。二是根據水文站實測泥沙數據及多年平均徑流量，推算下水庫壩址多年平均懸移質輸沙量，再依據推懸比估計推移質輸沙量，從而求得多年平均輸沙總量，最后結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，疊加通過侵蝕模數圖計算出的區間沙量作為多年平均輸沙總量，最后結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。上述三種方法的區別主要在于對多年平均輸沙總量的計算。

目前，有關抽水蓄能電站允許過機含沙量尚無明確的規范要求，在行業內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化和改進。

2.1 考慮泥沙粒徑級配

在現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]的數值模擬結果表明小粒徑（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，然而目前在工程設計中對于小粒徑泥沙的范圍界定尚未達成共識。

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下水庫之前，部分泥沙會發生沉降，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，機組關機時常較長，在非汛期的機組關機過程中，庫區基本可以等同于靜水狀態，泥沙將發生沉降，計算此階段的過機含沙量時應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數據更為合理。根據實際水庫的調度情況，位于底部的泄洪沖沙底孔附近水流含沙量高，但年開啟次數非常有限；經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度方式，在上水庫開啟泄洪沖沙底孔時，關閉抽水蓄能機組，進行避沙運行?？紤]上游水庫調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，必要時需增設攔沙壩，經濟評價的時候需要考慮更換機組的費用，客觀評價項目經濟可行性。

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鍵性因素。

經調查，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（相關數據已經過處理，非原始數據，僅為證明方法可行）。

4 結論

過機含沙量是抽水蓄能電站設計規劃過程中的重要因素，本文結合工程實踐經驗，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攔沙坎，經濟評價時分析更換機組費用，從而更全面、合理、經濟地考量抽水蓄能電站的泥沙問題。