基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化分析.pdf
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1、第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2022-12-07作者简介 李保虎(1982-),男,山东禹城人,工程师,研究方向为水利工程.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.015基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化分析李保虎(华北电力大学,北京 100096)摘 要蓄能电站的水库建设需进行基于安全和性能的改进,针对水库常用的共用底流消力池的分布不利于泄洪消能,先对水库进行物理模
2、型优化,并将结果用于水库建设的改进;针对出现的消力池水流紊乱和偏离问题,将池底板高程设置为 154m。在优化的基础上,对蓄能电站的下游河道水利特性进行防护,满足最高强度洪水进行消能,下游河道最大流速在右岸护坡末,速度为 6.38m/s,表明该物理模型与改进设计能够满足蓄能水库下游河道的水利特性需求。关键词水利特性;下游河道;优化分析;消力池;物理模型中图分类号 TV653 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0072-06Optimization Analysis of Hydraulic Characteristics of Downstream River Bas
3、ed on Pumped Storage Power StationLI Bao-hu(North China Electric Power University,Beijing 100096,China)Abstract:The reservoir construction of the storage power station needs to be improved based on safety and performance.As the distribution of common underflow stilling basin is not conducive to floo
4、d discharge and energy dissipation,the physical model of the reservoir is optimized first,and the results will be used for the improvement of reservoir construction;aiming at the problem of water flow disorder and deviation in stilling basin,the bottom plate elevation of stilling basin is set as 154
5、m.On the basis of optimization,protect the hydraulic characteristics of the downstream channel of the storage power station to meet the energy dissipation requirements of the highest intensity flood.The maximum velocity of the downstream channel is 6.38m/s at the end of the right bank revetment.This
6、 shows that the physical model and the improved design can meet the demand of the hydraulic characteristics of the downstream channel of the storage reservoir.Key words:hydraulic characteristics;downstream channel;optimization analysis;stilling basin;physical model27李保虎:基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化分析第 9 期0 引
7、 言现实地质条件的限制会促使抽水蓄能电站的布置形式发生变化,其设计布局通常会影响到下游河道的水流冲刷等1-2。同时,下水库建成后,与下游河段的水位相差很大,若不采取相应的防护措施,可能会对水工建筑物和下游河道造成严重的损害3-4。为此,许多学者进行了相关研究。周望武5对梅州的抽水蓄能电站进行了深入分析,并对消能率进行了探讨,为降低下游河道冲刷提供了帮助。Alfredsen K 等6将巴西、加拿大等国家的水电开发进行了比较分析,为减少水电发展中的生态破坏提供了建设性意见。孟健7对泄洪隧洞的消能特性进行了分析,从而有效提升了泄洪洞的消能效率。在此背景下,本文对抽水蓄能电站的下游河道水力特性进行研究
8、与优化,旨在减少下游水流流态紊乱、偏转等不利情况的出现,降低对下游河道的破坏,并改进水库的建设。1 基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化研究1.1 抽水蓄能电站的水库水利特性分析针对设计与运行偏差导致的泄洪道下泄水流流态紊乱的问题,本研究在物理模型的基础上,对抚宁抽水蓄能电站的下游河道水利特性进行研究优化分析,并通过实验验证其有效性。抽水蓄能电站是指在电网处于低谷时,将电力输送至上游水库,在高峰时段将其排入下游发电的电站。其可以在电网负荷较低的情况下,在高峰期间把多余的电力转化为高附加价值的电力,并可用于调频、稳态周波、电压等,同时可作为应急备用以及提高火力发电厂和核动力装置的工作效率8-9
9、。根据不同的情况,可以将抽水蓄能电站分为不同的类型,其内容见图 1。图 1 抽水蓄能电站分类类型内容 从图 1 可以看出,根据有无自然径流的存在,将抽水蓄能电站划分为纯抽水和混合抽水蓄能电站;根据调节能力的不同,可分为日调节、周调节、季节调节;根据所安装的抽水蓄能装置的种类,可划分为四机分置式、三机串联式和二机可逆式;按排列特征可将其划分为首部、中部、尾部;按照其运行工况,可以分为静止、发电、抽水、发电调相以及抽水调相;按照启动方式,可分为静止变频启动和背靠背启动。抽水蓄能电站在调整电网的运行过程中,主要依靠电站上下两个水库的流量进行交换,因此在设计中必须考虑到两个方向的流量。如果上水库漏水,
10、可造成大量的水资源流失、抽水以及电力损耗,因此在抽水蓄能电站上进行水库的防渗是十分必要的。抽水蓄能电站的特点与一般水电站有较大区别,它通过输水建筑物在上下两个水库之间进行流量的交换。电站上下水库的水位在正常水位和正常水位之间变化,如果在发电过程中遇到洪水,自然洪峰和发电站的水量就会相互影响,尤其是水库的调节能力不强,自然洪峰的流量又较大的情况下,其安全问题尤为突出。因此,与传统的水电站相比,蓄能电站的蓄水调整和排水结构的设置要复杂得多。在抽水蓄能电站下水库泄水建筑物的布局中,一般采用岸上溢洪道和小型泄洪洞相结合、坝体溢洪道和大流量泄洪洞结合、大型泄洪洞独立泄洪。另外,抽水蓄能电站的特点还有产能
11、增长大、发展速度快、发电系统中作用重要、技术成熟等。在实际水利工程中,抽水蓄能电站的作用主要是电力调动管理。首先是解决电网调峰问题日趋突出的情况;其次是充分发挥调压调相的功能,确保电网电压的稳定;最后则是保证电网的37第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023安全、稳定运行,充分发挥应急后备功能。此外,抽水蓄能电站的可逆水泵-电力电动机组运行工况、监控对象、自动化元件都比较多,信息量较大,其运行要求也较传统的水电站控制系统要高。
12、目前,已建成的抽水蓄能电站在运行和管理上均达到较高的水准,主要体现在人员精简,基本实现无人或少人工作;总体效率较高,总体综合效率约 75%;设备的可用率和启动成功率都比较高。1.2 物理模型实验理论方法研究为了直观地分析抽水蓄能电站下游河道的水利特性,本研究采用物理模型的方式来实现操作。在物理模型中,重要的泄洪建筑物分别为岸边侧槽溢洪道和泄洪放空洞。侧槽溢流设计方案为溢流式,包括溢流堰、消力池段等,其具体设计内容见图 2。图 2 侧槽溢流具体设计内容 从图 2 可以看出,溢洪道从溢流堰到消力池段总计 321.1m。其中,溢流堰总计 50m,高 5m;侧槽的首部底宽约 2.5m,高程约 218m
13、,底板厚度1.5m,而出口的底宽和高程分别为 5 和 213m。侧槽的底坡设置为 11%,侧槽内侧的坡比设定为1:0.6。溢洪道下泄最大流量 210.6m3/s。当处于全开工况时,其流量系数计算公式如下:m=PB2gH1.5(1)式中:m 为溢洪道全开时的流量系数;P 为泄量;B 为闸孔的宽度;g 为重力加速度;H 为溢流堰堰顶以上的水头。当处于局部打开时,其流量系数计算公式如下:=PBe2gH(2)式中:为溢流堰局部打开时的流量系数;e 为闸门的开启高度。工程导流阶段的泄洪放水孔是无压力的,而在操作阶段工作闸门前是有压力的10。泄洪洞为短压进口结构,包括导流段、底流消能段和护坦段等。具体设计
14、内容见图 3。从图3 可以看出,泄洪放空洞从进口闸室开始至消力池为止,全长总计 448.5m。其中,进口闸室选用岸塔式的方式进行布置,其闸室底部的高程总计 180m,段长总计 26m,底坡 4.7%,下泄最大流量图 3 泄洪放空洞具体设计内容743.6 m3/s。在物理模型数据中,洪水起始水位是在最低发电量与正常水位之间的任何一种可能水位。抚宁抽水蓄能电站在满足电网调峰需求的前提下,在调整时充分考虑到机组在不同的发电量和洪水之间的相互影响。同时,在天然洪水进入下游水库后,要及时开闸泄洪,将库水排出,并严格控制下库水位,以保证蓄能电站正常运行时的调蓄能力,防止发电量过多和人为洪峰。为了防止人为洪
15、灾,调整期间,洪峰前的下泄水量不得超过入库洪水;洪峰过后,下游的下泄水量不会超过最大的洪水。同时,要确保水库的发电量,防止出现过多的洪水。在考虑到洪峰和机组的出力时,应采取不同的操作模式。在出现超出设计标准 200 年或更高的特别洪水、下水库水位超出设计洪峰水位并有继续上升的趋势时,电站必须停止运行,利用泄洪设备进行泄洪。因此,抽水蓄能电站的特征水位和泄量见图 4。47李保虎:基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化分析第 9 期图 4 抽水蓄能电站的特征水位和泄量 从图 4 可以看出,物理模型实验工况总计 4个,分别为校验洪水并将泄洪洞闸门全开(工况1)、设计洪水并将泄洪洞闸门全开(工况 2)
16、、泄洪洞闸门的局开并设计防冲洪水(工况 3)以及洪水常遇并将泄洪洞闸门局开(工况 4)。在校验洪水并将泄洪洞闸门全开中,最大泄洪总量 954.2 m3/s。溢洪道为 210.6 m3/s,泄洪洞为 743.6m3/s,水库内最高水位 224.59m,而下游水位 168.04m。在设计洪水并将泄洪洞闸门全开中,最大泄洪总量 728.2 m3/s。溢洪道为 0m3/s,泄洪洞为 728.2m3/s,水库内最高水位 223m,而下游的水位 167.29m。泄洪洞闸门的局开并设计防冲洪水中,最大泄洪总量为 642m3/s。溢洪道为 0m3/s,泄洪洞为 642m3/s,水库内最高水位223m,而下游水
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