本發(fā)明涉及抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容算法,特別是涉及寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)受到電站抽水、發(fā)電影響區(qū)域的冰凍庫(kù)容的計(jì)算方法。
背景技術(shù):
寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)結(jié)冰侵占了一部分總庫(kù)容,使發(fā)電庫(kù)容減小,在一定程度上影響到發(fā)電效益,因此冰凍庫(kù)容是寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題。傳統(tǒng)上抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容采用《抽水蓄能電站水能規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》(nb/t/35071-2015)第34頁(yè)第13.0.4條給出的抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容確定方法:抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容應(yīng)按設(shè)計(jì)最大冰厚與正常蓄水位時(shí)水庫(kù)面積的乘積來(lái)確定。該方法未考慮抽水蓄能電站抽水、發(fā)電運(yùn)行對(duì)最大冰厚產(chǎn)生的影響,也未考慮電站抽水發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生的薄冰區(qū)、水域?qū)Ρ鶅鰩?kù)容大小的影響,從而造成冰凍庫(kù)容計(jì)算值比實(shí)際情況偏大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是,提供一種能較好計(jì)算寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容的計(jì)算方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容的計(jì)算方法,包括以下步驟:
第一步,根據(jù)抽水蓄能電站水庫(kù)運(yùn)行及氣象資料,得到水庫(kù)所在地區(qū)最冷月的平均氣溫ta、最大冰厚處的水溫tw、日均運(yùn)行次數(shù)nr、日均運(yùn)行時(shí)間tr和水庫(kù)水位日變幅的絕對(duì)值|δh|,按下式計(jì)算得到電站水庫(kù)最大冰厚δip;
δip=1.50–0.0155lnnr–0.0128lntr–0.3237ln(ta+50)
-0.0466lntw-0.0120ln|δh|
第二步,根據(jù)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)資料,獲取電站水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積a庫(kù);
第三步,根據(jù)寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰情分布統(tǒng)計(jì)表,并結(jié)合具體工況確定電站水庫(kù)冰厚最大時(shí)厚冰區(qū)面積占庫(kù)面面積的權(quán)重因子β厚和薄冰區(qū)面積占庫(kù)面面積的權(quán)重因子β??;
寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰情分布統(tǒng)計(jì)表
庫(kù)盆型水庫(kù)是指由開(kāi)挖和圍堤形成的水庫(kù)或天然庫(kù)盆水庫(kù),河道型水庫(kù)是指天然河道上修建的常規(guī)水電站水庫(kù);
按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》nb/t35024-2014進(jìn)行氣候分區(qū):最冷月平均氣溫ta<-10℃,屬嚴(yán)寒;-10℃≤ta≤-3℃,屬寒冷;本發(fā)明將嚴(yán)寒地區(qū)再分為-15℃≤ta<-10℃,屬低嚴(yán)寒;-20℃≤ta<-15℃,屬中嚴(yán)寒,ta<-20℃,屬高嚴(yán)寒;
第四步,對(duì)薄冰區(qū)的冰厚近似地統(tǒng)一按同庫(kù)區(qū)最大冰厚δip的1/2倍處理,計(jì)算寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容:vip=0.9*δip*a庫(kù)*(β厚+β薄/2)。
所述表中數(shù)值選用時(shí),根據(jù)具體工程的特征進(jìn)行±5%內(nèi)的浮動(dòng)。
所述具體工程的特征是指向陽(yáng)/背陰、迎風(fēng)/背風(fēng)、庫(kù)區(qū)水溫。
本發(fā)明的有益效果:結(jié)合寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)資料、氣象資料和附近已建工程相關(guān)資料,綜合考慮寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)庫(kù)面厚冰區(qū)、薄冰區(qū)和水域組成,計(jì)算冬季水庫(kù)冰凍庫(kù)容,改進(jìn)了傳統(tǒng)的未考慮電站庫(kù)面厚冰區(qū)、薄冰區(qū)和水域組成的冰凍庫(kù)容計(jì)算方法,所得冰凍庫(kù)容計(jì)算結(jié)果具有更高的精度。
附圖說(shuō)明
圖1是寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容計(jì)算示意圖;
圖2是本發(fā)明的方法和傳統(tǒng)冰凍庫(kù)容計(jì)算方法計(jì)算得到的幾個(gè)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容值與斷面法實(shí)測(cè)冰凍庫(kù)容對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:
本發(fā)明寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容的計(jì)算方法。寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。圖中o為原點(diǎn),取其為攔河壩中軸線和水庫(kù)庫(kù)面的交點(diǎn);橫坐標(biāo)x方向?yàn)榇怪庇谒畮?kù)攔河壩指向上游的方向;縱坐標(biāo)y方向?yàn)檠厮畮?kù)攔河壩由右岸指向左岸方向;垂向坐標(biāo)z方向?yàn)樨Q直向下方向;σ為有向曲面,
冰在水中漂浮時(shí),水下部分占總體積的0.9倍。對(duì)于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰層,認(rèn)為其上表面是水平面,下表面是光滑曲面,根據(jù)二重積分的定義,寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容按式(1)來(lái)確定。
式中:vip—抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容,m3;
l—水庫(kù)回水長(zhǎng)度,m;
δip(x,y)—抽水蓄能電站水庫(kù)冰厚,m。
一般情況下,冰厚沿x方向和y方向都會(huì)有所差別,冰厚δip(x,y)的監(jiān)測(cè)結(jié)果越精確,根據(jù)式(1)計(jì)算得到的冰凍庫(kù)容結(jié)果越接近于客觀實(shí)際。限于目前冰厚測(cè)量?jī)x器發(fā)展水平,目前對(duì)于水庫(kù)(尤其是薄冰區(qū))冰厚測(cè)量還很不成熟,因而獲取的冰厚分布數(shù)據(jù)不夠精確,難以得到冰厚在庫(kù)內(nèi)沿x方向和y方向的分布函數(shù)δip(x,y),且水庫(kù)庫(kù)周水(冰)面邊緣線的函數(shù)形式往往較為復(fù)雜,難以精確確定。在進(jìn)行實(shí)際的寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容設(shè)計(jì)時(shí),首先需根據(jù)所設(shè)計(jì)抽水蓄能電站所處的經(jīng)緯度、海拔高程、氣溫和庫(kù)容大小等參數(shù),從所研究典型抽水蓄能電站水庫(kù)中選用與所設(shè)計(jì)抽水蓄能電站水庫(kù)類似的水庫(kù),然后計(jì)算最大冰厚,并確定厚冰區(qū)、薄冰區(qū)和水域面積,進(jìn)而計(jì)算得到冰凍庫(kù)容。
包括以下步驟:
第一步,計(jì)算抽水蓄能電站水庫(kù)最大冰厚。
根據(jù)抽水蓄能電站水庫(kù)運(yùn)行及氣象資料,得到水庫(kù)所在地區(qū)最冷月的平均氣溫ta、最大冰厚處的水溫tw、日均運(yùn)行次數(shù)nr、日均運(yùn)行時(shí)間tr和水庫(kù)水位日變幅的絕對(duì)值|δh|,按下式計(jì)算得到電站水庫(kù)最大冰厚δip。
δip=1.50–0.0155lnnr–0.0128lntr–0.3237ln(ta+50)
-0.0466lntw-0.0120ln|δh|(2)
式中:δip—抽水蓄能電站水庫(kù)最大冰厚,m;
nr—抽水蓄能電站日均運(yùn)行次數(shù);
tr—抽水蓄能電站日均運(yùn)行時(shí)間,臺(tái)時(shí);
ta—抽水蓄能電站冰厚計(jì)算庫(kù)區(qū)氣溫,℃;
tw—抽水蓄能電站冰厚計(jì)算庫(kù)區(qū)水溫,℃;
δh—抽水蓄能電站水庫(kù)水位日變幅,m。
第二步,確定抽水蓄能電站水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積a庫(kù)。
根據(jù)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)資料,獲取電站水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積a庫(kù);
第三步,確定抽水蓄能電站水庫(kù)厚冰區(qū)面積權(quán)重因子β厚。
根據(jù)寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,得到寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰情分布統(tǒng)計(jì)表,見(jiàn)表1。表中列出了寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰厚最大時(shí)厚冰區(qū)占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β厚、薄冰區(qū)面積占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β薄和水域面積占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β水。根據(jù)表1所列權(quán)重因子數(shù)據(jù),并結(jié)合計(jì)算對(duì)象的具體工況確定厚冰區(qū)面積權(quán)重因子β厚。
表1寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰情分布統(tǒng)計(jì)表
庫(kù)盆型水庫(kù)是指由開(kāi)挖和圍堤形成的水庫(kù)或天然庫(kù)盆水庫(kù),河道型水庫(kù)是指天然河道上修建的常規(guī)水電站水庫(kù);
按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》nb/t35024-2014進(jìn)行氣候分區(qū):最冷月平均氣溫ta<-10℃,屬嚴(yán)寒;-10℃≤ta≤-3℃,屬寒冷;本發(fā)明將嚴(yán)寒地區(qū)再分為-15℃≤ta<-10℃,屬低嚴(yán)寒;-20℃≤ta<-15℃,屬中嚴(yán)寒,ta<-20℃,屬高嚴(yán)寒;
第四步,確定抽水蓄能電站水庫(kù)薄冰區(qū)的分布范圍。
寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)中的結(jié)冰區(qū)除了冰厚最大的厚冰蓋區(qū)域以外,還存在薄冰區(qū),此處的薄冰區(qū)包括冰塊區(qū)、冰花區(qū)和冰蓋邊緣冰厚未達(dá)到最大值的薄冰蓋區(qū)域,即水庫(kù)庫(kù)區(qū)除了厚冰區(qū)和水域之外的區(qū)域。在計(jì)算冰凍庫(kù)容時(shí),薄冰區(qū)的冰厚難以精確測(cè)量,此處近似地把薄冰區(qū)冰厚統(tǒng)一按同庫(kù)區(qū)最大冰厚的1/2倍處理。根據(jù)冰凍庫(kù)容計(jì)算對(duì)象的工況,從表1中選出電站水庫(kù)薄冰區(qū)面積權(quán)重因子β薄。
第五步,計(jì)算寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容。
如前所述,薄冰區(qū)的冰厚近似地統(tǒng)一按同庫(kù)區(qū)最大冰厚δip的1/2倍處理。按以上步驟處理后,式(1)可簡(jiǎn)化為下式:
vip=0.9*(δip*a厚+δip/2*a薄+0*a水)
=0.9*(δip*a庫(kù)*β厚+δip/2*a庫(kù)*β薄+0*a庫(kù)*β水)
=0.9*δip*a庫(kù)*(β厚+β薄/2)(3)
按式(3)即可計(jì)算得到所設(shè)計(jì)寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)的冰凍庫(kù)容vip(m3)。
所述寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容受到電站抽水、發(fā)電運(yùn)行影響。
下面舉例說(shuō)明本發(fā)明方法計(jì)算的實(shí)例:
若已知我國(guó)北方的5座抽水蓄能電站:
抽水蓄能電站一:位于北緯41°,總裝機(jī)容量為1200mw(4×300mw)。上水庫(kù)正常蓄水位1940.00m,死水位1903.00m,總庫(kù)容690萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-20.2℃。下水庫(kù)正常蓄水位1400.00m,死水位1355.00m,總庫(kù)容715萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-19.5℃。
抽水蓄能電站二:位于北緯40°25′,總裝機(jī)容量1200mw(4×300mw)。上水庫(kù)正常蓄水位392.0m,死水位360.0m,總庫(kù)容為1256萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-16.3℃。下水庫(kù)正常蓄水位66m,死水位62m,總庫(kù)容2871萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-15.1℃。
抽水蓄能電站三:位于北緯38°31′,總裝機(jī)容量1200mw(4×300mw)。上水庫(kù)正常蓄水位1492.50m,死水位1467.00m,總庫(kù)容為468.97萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-11.7℃。下水庫(kù)正常蓄水位838m,死水位798m,總庫(kù)容502.99萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-10.8℃。
抽水蓄能電站四:位于北緯37°46′總裝機(jī)容量1000mw(4×250mw)。上水庫(kù)正常蓄水位為810m,死水位為779m,總庫(kù)容789.0萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-8.9℃。下水庫(kù)正常蓄水位488m,死水位為464m,總庫(kù)容8330萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-7.2℃。
抽水蓄能電站五:位于北緯40°14′,總裝機(jī)容量800mw(4×200mw)。上水庫(kù)正常蓄水位566m,死水位531m,總庫(kù)容445萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-9.3℃。下水庫(kù)正常蓄水位89.5m,死水位85m,總庫(kù)容7977萬(wàn)m3,最冷月平均氣溫為-7.8℃。
其中,抽水蓄能電站一的上、下水庫(kù),抽水蓄能電站二的上水庫(kù),抽水蓄能電站三的上、下水庫(kù),抽水蓄能電站四的上水庫(kù)和抽水蓄能電站五的上水庫(kù)為人工挖筑的水庫(kù),水庫(kù)區(qū)內(nèi)所有區(qū)域冰厚都受到電站運(yùn)行的影響;抽水蓄能電站二的下水庫(kù),抽水蓄能電站四的下水庫(kù)和抽水蓄能電站五的下水庫(kù)同時(shí)也是天然河道內(nèi)的常規(guī)電站水庫(kù),庫(kù)容較大,庫(kù)區(qū)內(nèi)存在冰厚不受電站運(yùn)行影響的區(qū)域,其最大冰厚應(yīng)和常規(guī)水庫(kù)的最大冰厚相等。
下面以該5個(gè)抽水蓄能電站為例,對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說(shuō)明:
抽水蓄能電站一的上水庫(kù):
第一步,根據(jù)抽水蓄能電站一的上水庫(kù)氣象資料,統(tǒng)計(jì)得到水庫(kù)所在地區(qū)冬季最冷月(1月份)的平均氣溫ta=-20.2℃;根據(jù)抽水蓄能電站水庫(kù)庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水溫分布資料,計(jì)算得到電站冬季最冷月(1月份)最大冰厚處的水溫tw=0.5℃;根據(jù)抽水蓄能電站抽水、發(fā)電運(yùn)行資料,計(jì)算得到電站冬季最冷月(1月份)的日均運(yùn)行次數(shù)nr=1.03次;根據(jù)抽水蓄能電站抽水、發(fā)電運(yùn)行資料,計(jì)算得到電站冬季最冷月(1月份)的日均運(yùn)行時(shí)間tr=4.7h;根據(jù)抽水蓄能電站運(yùn)行時(shí)的上水庫(kù)水位資料,計(jì)算得到電站最冷月上水庫(kù)日均水位變幅的絕對(duì)值|δh|=32.64m;根據(jù)前五個(gè)步驟獲取的寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站數(shù)據(jù),按下式計(jì)算得到寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)最大冰厚δip(m)。
類似地,按照本發(fā)明的方法分別對(duì)其它水庫(kù)最大冰厚進(jìn)行計(jì)算,得到以上電站上、下水庫(kù)的最大冰厚值,見(jiàn)表2。
表2計(jì)算對(duì)象水庫(kù)最大冰厚計(jì)算成果表
第二步,根據(jù)抽水蓄能電站一的設(shè)計(jì)資料,確定其上水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積a庫(kù)=22.5×104m2。
類似地,根據(jù)計(jì)算對(duì)象的設(shè)計(jì)資料,分別確定其它抽水蓄能電站上、下水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積a庫(kù),見(jiàn)表3。
表3計(jì)算對(duì)象水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)面面積
第三步,根據(jù)抽水蓄能電站一的工況資料,該電站上水庫(kù)為庫(kù)盆型水庫(kù),屬高度嚴(yán)寒地區(qū),從表1中選出厚冰區(qū)占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β厚>82%,結(jié)合庫(kù)區(qū)處于風(fēng)口的具體情況,此處取β厚=82.8%。
類似地,根據(jù)計(jì)算對(duì)象的工況分別選出其它電站上、下水庫(kù)厚冰區(qū)占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β厚,見(jiàn)表4。
表4計(jì)算對(duì)象水庫(kù)厚冰區(qū)和薄冰區(qū)面積權(quán)重因子
第四步,根據(jù)抽水蓄能電站一的工況資料,從表1中選出薄冰區(qū)占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β薄=15.0%。
類似地,根據(jù)計(jì)算對(duì)象的工況分別選出其它電站上、下水庫(kù)薄冰區(qū)占正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)面面積的權(quán)重因子β薄,見(jiàn)表4。
第五步,對(duì)薄冰區(qū)的冰厚近似地統(tǒng)一按同庫(kù)區(qū)最大冰厚δip的1/2倍處理,按式(3)計(jì)算寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站水庫(kù)冰凍庫(kù)容vip(m3)。即
vip=0.9*δip*a庫(kù)*(β厚+β薄/2)
=0.9×0.37×22.5×104×(82.8%+15.0%/2)
=6.79×104(m3)
類似地,分別對(duì)其它水庫(kù)冰凍庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算,得到以上電站上、下水庫(kù)的冰凍庫(kù)容,見(jiàn)表5。傳統(tǒng)算法計(jì)算的上述寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)典型抽水蓄能電站冰凍庫(kù)容和斷面法實(shí)測(cè)冰凍庫(kù)容值一并列入表5。
表5冰凍庫(kù)容計(jì)算成果和實(shí)測(cè)成果對(duì)比表
由表5可見(jiàn),本發(fā)明方法計(jì)算所得冰凍庫(kù)容值和斷面法實(shí)測(cè)得到的冰凍庫(kù)容值較為接近,在圖2中表現(xiàn)為本發(fā)明方法計(jì)算冰凍庫(kù)容值vip2和實(shí)測(cè)冰厚值vip1對(duì)應(yīng)的點(diǎn)子位于直線vip2=vip1附近。由表5和圖2還可看出,對(duì)于全庫(kù)最大冰厚受抽水蓄能電站運(yùn)行的水庫(kù)(抽水蓄能電站一上、下水庫(kù),抽水蓄能電站二上水庫(kù),抽水蓄能電站三上、下水庫(kù),抽水蓄能電站四上水庫(kù)和抽水蓄能電站五上水庫(kù)),傳統(tǒng)算法計(jì)算冰凍庫(kù)容值大于實(shí)測(cè)冰凍庫(kù)容(圖2中傳統(tǒng)算法計(jì)算冰凍庫(kù)容值vip2和實(shí)測(cè)冰凍庫(kù)容值vip1對(duì)應(yīng)的點(diǎn)子位于直線vip2=vip1的上方較遠(yuǎn)處);其中只有冰厚不受電站運(yùn)行影響區(qū)域所占比例較大的水庫(kù)(抽水蓄能電站二的下水庫(kù),抽水蓄能電站四的下水庫(kù)和抽水蓄能電站五的下水庫(kù)),原公式計(jì)算冰凍庫(kù)容值接近于實(shí)測(cè)冰凍庫(kù)容(圖2中傳統(tǒng)算法計(jì)算最大冰厚值vip2和實(shí)測(cè)冰厚值vip1對(duì)應(yīng)的點(diǎn)子位于直線vip2=vip1的上方附近)。以上結(jié)論充分說(shuō)明了本發(fā)明的方法由于考慮了抽水蓄能電站運(yùn)行對(duì)最大冰厚的影響,其計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)冰厚計(jì)算方法所得結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)成果。
以上所述的實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn),其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施,不能僅以本實(shí)施例來(lái)限定本發(fā)明的專利范圍,即凡本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾,仍落在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。