一种降低径流式电站运行期尾水位的优化调度方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体地指一种降低径流式电站运行期尾水位的优化调度方法。

背景技术

径流式水电站利用天然径流进行发电，对于径流式水电站，其无法对来流进行调节。径流式电站水头较低，当下泄流量增加时，下游水位上升，引起发电水头减小，当发电水头小于机组额定水头时，电站机组出力受限，电站发电量减小。

目前，国内外研究主要通过前期规划布置和工程措施提高径流式电站机组发电水头，其没有针对已建电站或者需要改造已建电站，采取工程措施来降低尾水位。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种降低径流式电站运行期尾水位的优化调度方法，通过优化已建水电枢纽运行期水工设施调度运行方式来降低尾水位，提高发电水头。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种降低径流式电站运行期尾水位的优化调度方法，所述径流式水电站为电站出力受到水头限制的电站机组，包括如下步骤：

S1：根据不同流量级下的入库流量及相应水库运行水位，通过分析枢纽运行资料推导出电站达到不同运行水头下预想出力时的发电流量；

S2：若入库流量大于发电流量并考虑弃水，考虑泄水闸泄水安全、冲沙设施运行及通航安全限制条件，进一步得到泄水设施、冲沙设施、排漂设施下泄流量；

S3：建立以上述泄水设施下泄流量为边界条件的水动力数学模型，分别模拟计算不同入库流量下枢纽常用调度运行方式和不同水工设施组合运行调度运行方式下的尾水位值；

S4：与枢纽常用调度运行方式相比，研究得出能有效降低尾水位、提高发电水头的水工设施组合运行方式。

优选地，S1所述枢纽运行资料包括发电调度运行资料、泄水水工设施运行资料和排沙、排漂设施运行资料。

优选地，所述发电调度运行资料具体包括：装机容量对应的出力限制线、电站综合出力系数与毛水头关系、尾水水位流量关系、水头损失与入库流量关系、水库运行水位与入库流量关系。

优选地，所述泄水水工设施运行资料具体包括：水利枢纽泄水设施调度运用程序、泄水设施泄流能力，水跃跃首位置与下游水位、单宽流量关系。

优选地，所述排沙、排漂设施运行资料具体包括：排沙、排漂设施水库不同运行水位下泄流能力。

优选地，S3所述水动力模型的控制方程为简化Navier-Stokes方程组得到的二维平面浅水方程组，包含水流连续方程和水流动量方程。

进一步地，二维水流的总水深：

h＝η+d

二维浅水方程的的水流连续方程为：

二维浅水方程的水流动量方程为：

式中：x、y、z为笛卡尔坐标；

本发明的有益效果：

1、本发明避开了通过改造已建电站，采取工程措施来降低尾水位的方案，直接通过优化已建水电枢纽运行期水工设施调度运行方式来降低尾水位，提高了发电水头，是一种新的已建电站的增效方法。

2、本发明以水电站、泄水设施、排沙设施、通航建筑物调度运行资料作为计算依据，通过水动力数学模型模拟计算各种水工设施组合运行泄水工况下电站尾水位，为径流式电站枢纽通过调度运行降低尾水位、提高发电水头提供科学依据。

附图说明

图1表示本发明实施例的葛洲坝水利枢纽全貌图；

图2表示本发明实施例的装机容量对应的出力限制线；

图3表示本发明实施例的葛洲坝水电站增容改造后综合出力系数曲线；

图4表示本发明实施例的葛洲坝尾水水位流量关系；

图5表示本发明实施例的平均水头损失与入库流量的关系；

图6表示本发明实施例的库水位与入库流量的关系；

图7表示本发明实施例的跃首位置图(L为闸墩末端以下距离)；

图8表示本发明实施例的葛洲坝水工设施汛期运行方式研究水力学模型；

图9表示本发明实施例的Q＝45000m

图10表示本发明实施例的Q＝45000m

图11表示本发明实施例的Q＝45000m

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种降低径流式电站运行期尾水位的优化调度方法，所述径流式水电站为电站出力受到水头限制的电站机组，包括如下步骤：

S1：根据不同流量级下的入库流量及相应水库运行水位，通过分析枢纽运行资料推导出电站达到不同运行水头下预想出力时的发电流量；

S2：若入库流量大于发电流量并考虑弃水，考虑泄水闸泄水安全、冲沙设施运行及通航安全限制条件，进一步得到泄水设施、冲沙设施、排漂设施下泄流量；

S3：建立以上述泄水设施下泄流量为边界条件的水动力数学模型，分别模拟计算不同入库流量下枢纽常用调度运行方式和不同水工设施组合运行调度运行方式下的尾水位值；

S4：与枢纽常用调度运行方式相比，研究得出能有效降低尾水位、提高发电水头的水工设施组合运行方式。

优选地，S1所述枢纽运行资料包括发电调度运行资料、泄水水工设施运行资料和排沙、排漂设施运行资料。

优选地，所述发电调度运行资料具体包括：装机容量对应的出力限制线、电站综合出力系数与毛水头关系、尾水水位流量关系、水头损失与入库流量关系、水库运行水位与入库流量关系。

优选地，所述泄水水工设施运行资料具体包括：水利枢纽泄水设施调度运用程序、泄水设施泄流能力，水跃跃首位置与下游水位、单宽流量关系。

优选地，所述排沙、排漂设施运行资料具体包括：排沙、排漂设施水库不同运行水位下泄流能力。

优选地，S3所述水动力模型的控制方程为简化Navier-Stokes方程组得到的二维平面浅水方程组，包含水流连续方程和水流动量方程。本发明中的水动力模型的控制方程不考虑垂向(即笛卡尔坐标系的z向)水流变化，只考虑平面方向(即笛卡尔坐标系的x、y方向)的水流变化。

进一步地，二维水流的总水深：

h＝η+d

二维浅水方程的的水流连续方程为：

二维浅水方程的水流动量方程为：

式中：x、y、z为笛卡尔坐标；

下面以入库流量为45000m

S1-1:搜集枢纽运行资料包括：

发电调度运行资料：装机容量对应的出力限制线(见图2)、电站综合出力系数与毛水头关系(见图3)、尾水水位流量关系(见图4)、水头损失与入库流量关系(见图5)、水库运行水位与入库流量关系(见图6)；

泄水水工设施运行资料：葛洲坝水利枢纽泄水设施调度运用程序见表1、泄水设施泄流能力见表2，水跃跃首位置与下游水位、单宽流量关系(见图7)；

表1葛洲坝水利枢纽泄水设施调度运用程序

表2葛洲坝水利枢纽泄流能力 单位：m

排沙、排漂设施运行资料：排沙、排漂设施水库不同运行水位下泄流能力；

S1-2:入库流量达45000m

S2:入库流量为45000m

S3-1:建立的水动力模型见图8。水动力模型为控制方程不考虑垂向(即笛卡尔坐标系的z向)水流变化，只考虑平面方向(即笛卡尔坐标系的、方向)的水流变化，简化Navier-Stokes方程组得到的二维平面浅水方程组，包含水流连续方程和水流动量方程；

二维水流的总水深：

h＝η+d

二维浅水方程的的连续方程为

二维浅水方程的动量方程为：

式中：x、y、z为笛卡尔坐标；

水动力模型采用有限体积法将计算区域这一连续的整体分为互相不交叉重叠的网格单元，网格单元可以是三角形网格、四边形网格或二者的混合网格，这种网格也叫做非结构网格，进行网格划分后的的计算区域即被离散化了。

对于空间离散的求解，可以采用一阶解法或二阶解法，二阶的解法精度更高但耗费的计算时间也更多，对于纯水动力数学模型的计算采用一阶解法已经可以满足精度要求。

对于二维浅水方程的求解主要有两种方法：一种是低阶求解，另一种是高阶求解，对于纯水动力模型，采用低阶解法即可达到计算精度。

S3-2:对模型进行验证。分别选取2018年4月7日、2019年5月30日、2020年9月7日葛洲坝水工设施运行资料对模型进行验证。计算所采用的河道参数取值：对于开挖渠道及边坡为0.020，河道高程65.0m以下为0.027，河滩高程65.0m以上采用0.033。紊动粘性系数采用Smagorinsky公式计算，其中Smagorinsky系数取0.28。

葛洲坝水利枢纽水工设施2018年4月7日、2019年5月30日、2020年9月7日运行时特征点位置计算值与实测值见表3。从表中可以得出：计算和实测水位值基本吻合，其差值绝大多数时刻不大于0.02m，满足相关规范。故该模型能满足工程计算的要求。

表3葛洲坝水工设施观测结果与计算结果对比

S4：通过水动力数学模型模拟计算入库流量为45000m

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。