抽水蓄能电站水损备用库容计算方法探索_巫春平.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 抽水蓄能电站水损备用库容计算方法探索巫春平，潘加论（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁）摘 要：为提高抽水蓄能电站正常运行期设计发电库容的保证程度，在运行期补水不足时需要设置能够补偿水量损失的水损备用库容或采取补水措施。笔者主要研究水损备用库容的计算方法，通过梳理水损备用库容计算的边界条件，着重分析偏不利工况下的水库蒸发、渗漏损失，结合水量平衡方程，建立水损备用库容计算数学模型。经实际工程验证分析结果表明，计算成果在合理范围内，文中提出的数学模型可为抽水蓄能电站水损备用库容设置的必要性和设置规模提供重要参考。关键词：抽水蓄能电站；水损备用库容；计算方法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,):,:;引言抽水蓄能电站是一种能向上水库抽水蓄能的水电站，一般用于电网的调峰、调频、储能、调相及事故备用。当前，为实现碳达峰、碳中和目标，清洁能源大规模、高比例接入电力系统，对电力系统运行的灵活性、稳定性、安全性形成挑战，系统迫切需要抽水蓄能电站。截至 年底，我国抽水蓄能电站投产总规模达 万。根据国家能源局抽水蓄能中长期发展规划（年）：到 年，抽水蓄能电站投产总规模达到 万 以上；到 年，投产总规模达到 万 左右。抽水蓄能电站建设对地形地貌和地质条件要求相对较严苛；同时，为便于电站的管理，抽水蓄能电站的开发尽量不考虑承担其他综合利用等任务。我国大部分的抽水蓄能电站均为纯抽水蓄能电站，如广州抽水蓄能电站、河北丰宁抽水蓄能电站等。受 收稿日期：；修回日期：作者简介：巫春平（），男，江西赣州人，高级工程师，硕士，主要从事水利规划研究。：。巫春平，潘加论：抽水蓄能电站水损备用库容计算方法探索自然条件制约，部分抽水蓄能电站在正常运行期部分时间段内的天然来水可蓄水量不满足水库蒸发、渗漏损失水量的要求，因此，在相应保证率下年径流量满足总补水需求的项目，可设置一定的水损备用库容，调节丰枯期补水量，以提高电站正常运行期发电库容的保证程度。选择具备建设条件的抽水蓄能电站站址之后，借鉴区域内其他抽水蓄能电站的建设经验，综合项目地形地质条件，根据初步的水位面积曲线和水位库容曲线，基于地区电力系统对抽水蓄能电站规模和布局的需求，初拟合理的满发小时数和装机规模，初步拟定上、下水库的特征水位。基于以上边界条件，利用当地的蒸发资料和长系列径流资料，即可进行抽水蓄能电站水损备用库容计算。本文主要通过梳理水损备用库容计算的边界条件并建立数学模型，提出水损备用库容的计算新方法。概述抽水蓄能电站由上、下水库及其他枢纽工程组成。根据不同的选址条件，上、下水库的组合方式通常有以下 种：）上、下水库均新建；）上、下水库中一个利用天然河道、湖泊、海湾或已建水库；）利用废弃的矿井作为上水库或者下水库。当前，大部分抽水蓄能电站上、下水库均为新建，并且不考虑其他综合利用的开发。在我国南方地区，抽水蓄能电站站址正常运行期的天然来水可蓄水量不满足蒸发、渗漏损失补水量的要求，通常是由于年际、年内径流分配不均导致；而在我国西北、华北部分区域，由于气候干旱，抽水蓄能电站站址的天然径流往往不能满足水库初期蓄水和正常运行补水的要求，需要从具备补水条件的水源补水，当补水稳定且充足时，可不设水损备用库容。但在某些地方，例如我国西北区域的抽水蓄能电站，常常需要从黄河或其他已建成的提水工程抽水或引水，当含沙量过高不满足抽水蓄能电站运行要求或者与生产生活用水冲突时，电站将无法及时补水，抽水蓄能电站在补水不足、停止补水期间产生的蒸发、渗漏等损失水量，抽水蓄能电站设置的水损备用库容应满足上述水量损失补水需求。根据气候条件、水文条件、地质条件、补水条件以及电站本身的装机规模、水头条件等，以及部分抽水蓄能电站建设经验，确定水损备用库容与发电库容的比值为。水损备用库容自身的蒸发、渗漏损失等亦不宜忽略，并且随着水损备用水量增减、水位起伏，渗漏、蒸发也受到影响，因此，不能把每个计算时段内的蒸发、渗漏损失水量当作常量。数学模型抽水蓄能电站水损备用库容对水库库容、水库的蒸发和渗漏损失水量存在一定影响，如果采用的损失水量按常量进行估算，将会导致水损备用库容设置规模的计算结果产生偏差。根据影响程度分析，当电站需要设置的水损备用库容较小时，相关损失水量是否叠加考虑水损备用库容，对最终核算的水损备用库容结果影响不大，但若叠加考虑水损备用库容进行动态平衡分析，核算得到的水损备用库容结果将更精确；当需要设置的水损备用库容较大时，若损失水量按常量（即不叠加考虑水损备用库容的影响）估算，则会导致最终核算的水损备用库容计算结果存在较大偏差。因此，为提高计算精度，需考虑天然来水、蒸发、渗漏等因素随时间变化的规律，将考虑受上述因素影响后的水库总水量设为随时段变化而变化的变量。水库水量组成分析抽水蓄能电站蓄存水量分布于上水库、下水库及连接两者的输水管道之中，上、下水库水量又可划分为调节库容水量和死库容水量，其中调节库容水量一般包括发电库容水量、综合利用库容水量、水损备用库容水量和冰冻备用库容水量等。本节分析各类库容水量对水损备用库容设置的影响。死库容水量上、下水库死水位以下的库容，随着水库泥沙淤积，水库死库容逐渐减小；但出于安全考虑，选择偏不利工况进行计算的原则，上、下水库死库容按水库未淤积前考虑。死库容水量不能在上、下水库之间流动，因此，将死库容水量作为常量。上、下水库死库容水量分别记为、。输水管道充水量输水管道内的水在发电时向下水库流动，抽水时向上水库流动，但在正常运行期间始终充满输水管道，若忽略水自身的压缩，这部分水量也作为常量，记为。发电水量发电库容可根据上、下水库的水头条件，电站装机规模，电站承担电力系统的功能，以及设置的裕度来确定，抽水时从下水库流动到上水库，发电时从上水库流动到下水库。为了确保电站运行的稳定性、可靠性，正常运行期内这部分水量是应保证的，因此，按常量考虑，记为。红水河 年第 期 综合利用水量综合利用库容根据电站上、下水库承担的防洪、灌溉、供水等功能，某一时间必须空置或留存水量的库容。这一部分的水量，根据功能的保证率，一般以年为单位呈周期变化。当前国内纯抽水蓄能电站占主导，因此，本文暂不将综合利用水量纳入分析。冰冻备用水量冰冻备用库容为弥补正常运行期因水库结冰占用库容而在上、下水库内增设的库容。冰冻备用库容的大小根据设计冰厚确定，水在冰冻期以固态形态覆盖在上、下水库表面，其他时间为液态，占用的库容以液态时计算，这一部分水量年内不变。上、下水库冰冻备用库容水量分别记为、。水损备用水量水损备用水量根据来水、水库蒸发和渗漏情况确定，可能处于完全满水或是完全损失。一般情况下，上、下水库均设置水损备用库容。上、下水库水损备用库容分别记为、。由于上、下水库水量损失和补水可能不相协调，因此，常出现上水库（或下水库）水损备用水量全部损失，而下水库（或上水库）还留存部分水损备用水量，若出现这种情况，则需要调水。因水损备用库容也是可以在上、下水库之间流动，为便于计算，上、下水库的水损备用水量以合计值 参与计算，因此，水损备用水量取值上限即为，下限为。不计综合利用水量，以上水量只有水损备用水量是随时间变化而变化的，计其他水量之和为（上、下水库其他水量分别记为、）；只有发电水量和水损备用水量可以在上、下水库之间转移，将两者之和记为。根据水损备用水量的上、下限取值，则 的取值下限即为，取值上限为。考虑偏不利工况，一般按损失最大将分配到上、下水库。水量变化分析 来水量天然径流为抽水蓄能电站补水水源时，正常运行期来水保证率可采用，选用相应保证率的代表年（时段）或连续年组，本文采用长系列连续年组的方法计算，以月为计算单位；引水工程为补水水源时，则引水工程补充流量为来水量，以日为计算单位。第 个时间段（日或月）的来水量可表示为 （）（）渗漏损失水量第 个计算时段渗漏损失水量为水量与渗漏系数的乘积。由于渗漏系数不相同，渗漏需分为上水库渗漏、下水库渗漏和输水管道渗漏三部分。输水管道的渗漏损失水量按常量考虑。当上、下水库的渗漏系数相同时，不论发电水量与水损备用库容水量之和 如何分配，都不影响渗漏损失总量；但当上、下水库渗漏系数不同时，的分配会对渗漏损失总量产生影响，考虑偏不利工况，需将 最大限度分配到渗漏系数较大的水库。分配好 后，上水库水量、下水库水量、输水管道水量分别记为、。按以下公式进行计算：（）（）（）（）（）式中：为第 个计算时段的渗漏量；为第 个计算时段内系统平均总水量（上水库、下水库、输水管道水量之和）；、分别为上水库平均渗漏系数、下水库平均渗漏系数、输水管道平均渗漏系数。综合考虑水库库容大小、有无径流补给、工程地质条件、防渗形式的可靠性、施工等因素，一般抽水蓄能电站防渗工程库盘日渗漏量可按不超过总库容的 控制，即水库的日综合渗漏系数宜控制在 （月综合渗漏系统为）；也可根据水库的水文地质条件，选择合适的渗漏系数：优等条件，月渗漏系数为 ；中等条件，月渗漏系数为 ；恶劣条件，月渗漏系数为。考虑到只有发电库容和水损备用库容可在上、下水库之间转移流动，工程计算时按偏安全考虑，比较上、下水库的渗漏系数，将发电库容和水损备用库容放置在渗漏系数大的水库。蒸发损失水量上、下水库库容曲线、面积曲线不相同，因此我们假设 的分配会对蒸发损失量也产生影响。某一个极短时段 分配后上、下水库的平均蒸发面积为、，由于时间极短，因此可以认为时段平均蒸发面积和时段初（或时段末）时刻点的蒸发面积相同，则时段内的蒸发水量计算式为：（）（）式中：、分别为上水库蒸发水量、下水库蒸发巫春平，潘加论：抽水蓄能电站水损备用库容计算方法探索水量；、分别为上水库大水体蒸发增损量、下水库大水体蒸发增损量；、分别为上水库蒸发面积、下水库蒸发面积；为单位换算系数，当蒸发水量单位为、蒸发面积为万、蒸发损失量单位为万 时，取值为。通过上、下水库的水位面积曲线以及水位库容曲线建立上、下水库的面积库容函数，即（）（）（）（）考虑到只有发电库容和水损备用库容在上、下水库之间转移流动，因此，计算时需要考虑流动水量变化造成的蒸发差异。假设这个极短时间上、下水库流动水量之和与无水损备用库容时上、下水库流动水量之和的比值为，分配到上水库水量 与 之比为，则在下水库的水量 与 之比为，构建（，）函数如下：（，）（）（）（）（），（）（）（）由此构建的（，）函数取得的最大值与最大蒸发损失水量存在比例关系。以下通过实际的抽水蓄能电站（，）与 及 的关系，分析（，）的最大值，详见图 和图。图 不同抽水蓄能电站的（，）曲线图（）图 同一抽水蓄能电站（图 中的抽水蓄能电站）不同 的（，）曲线图 通过分析抽水蓄能电站（，）函数，可以得出以下结论：）抽水蓄能电站（，）函数差异较大，并且出现最大值的点不相同，因此，对于不同抽水蓄能电站不能使用某一个具体位置的上、下水库水面面积之和作为最大蒸发面积。）同一座抽水蓄能电站，最大蒸发面积对水损备用库容水量变化十分敏感。计算时，如果 已知，或者假设 作为试算，相当于已知（，）函数的 变量，然后通过上、下水库库容水位关系曲线和面积水位关系曲线建立计算程序；通过程序试算，根据计算精度要求确定有限个 变量对应的（，）值，从中选择最大值近似认为是最大蒸发面积。也就是说，通过编程建模，可以做到输入 值来确定（，）最大值，与（，）最大值存在对应的函数关系。是当前 与最小 的比值，而任意时间点总水量 与可发电水量和水损备用水量之和 的差值为，是一个常量。因此，基于程序模型计算，可以建立如下函数：（）（）生态用水量根据规范和主管部门要求，确定下放的生态流量，可以表示为 （）（）生产生活用水量根据水资源调查或论证确定生产生活用水量：（）（）下泄水量上、下水库来水量满足综合利用、补充蒸发和渗漏损失水量之后，如果依然还有剩余水量，则需要下泄。水量平衡在一个计算时间段内，电站总水量的变化十分复杂，为便于量化计算，简单认为 时间段内，电站水量呈线性变化，即第 个计算时段内的电站水量均值为时段初水量与时段末水量的算术平均数：（）（