水閘閘孔潛水式水力發(fā)電站研究

問澤杭馬曉忠莫岳平張友明（.江蘇省洪澤湖水利工程管理處 洪澤 300 .揚(yáng)州大學(xué) 揚(yáng)州 5000）

水閘閘孔潛水式水力發(fā)電站研究

問澤杭1馬曉忠1莫岳平2張友明1
（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處 洪澤 223100 2.揚(yáng)州大學(xué) 揚(yáng)州 225000）

為加強(qiáng)水資源和洪水控制，需興建水閘，水閘的興建形成了一定的水能資源。對(duì)于控制運(yùn)用不頻繁的水閘，可在水閘閘孔安裝水輪機(jī)機(jī)組，使水閘形成的水能資源得到利用，從而增加水閘綜合功能。該研究主要針對(duì)水閘閘孔特點(diǎn)，對(duì)建設(shè)水電站可行性進(jìn)行了分析；開展了適合閘孔安裝的水輪機(jī)的型式、發(fā)電機(jī)的選用、斷流方式、節(jié)制閘控制運(yùn)用時(shí)機(jī)組拆離等研究；研制了全貫流式潛水水輪機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、無活動(dòng)導(dǎo)葉的拍門式斷流、水輪機(jī)耦合式安裝等設(shè)備。

水閘 水電站 全貫流 潛水式

1 研究背景

1997年，江蘇省淮沭新河管理處利用水閘閘孔安裝船式水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。船式水輪發(fā)電機(jī)就是將水輪發(fā)電機(jī)組安裝在船上，并將船固定在閘孔上，將閘孔作為引水建筑物，結(jié)構(gòu)和固定水輪機(jī)相同，電站建成后取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。該方式的缺點(diǎn)是，需要建造載重量較大的水電船和相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)，投資仍然偏大；在節(jié)制閘控制運(yùn)用時(shí)，船機(jī)拆離較為困難，一定程度上影響水閘的控制運(yùn)用，因此船式水輪發(fā)電機(jī)的推廣受到一定的限制。為克服閘孔船式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組存在的問題，進(jìn)一步減低工程投資，開展了閘孔式潛水發(fā)電研究。

2 閘孔潛水式水力發(fā)電站整體布置

閘孔潛水式水力發(fā)電站是在現(xiàn)有節(jié)制閘閘孔基礎(chǔ)上興建的，該項(xiàng)目研究的電站由進(jìn)水浮箱檢修門及斷流設(shè)施、引水管道、潛水水輪發(fā)電機(jī)、尾水管等組成，見圖1（此裝置獲得實(shí)用新型專利，證書號(hào)CN204151761U）。此次試驗(yàn)機(jī)安裝在江蘇省三河閘閘孔上，三河閘設(shè)計(jì)流量12000m3/s，共63孔，每孔寬度10m，上游正常蓄水位13.0m，相應(yīng)下游水位7.5m，可利用發(fā)電水頭在4.5～5.5m之間。

2.1 進(jìn)水口及斷流

水閘閘門有平板門和弧形門兩種型式，對(duì)平板門可直接在閘門面板開孔，通過必要加強(qiáng)措施作為進(jìn)水口，或在閘門設(shè)計(jì)時(shí)直接在閘門增加小拍門作為進(jìn)水口。對(duì)弧形門，可以利用已有的上游檢修門槽，放置浮箱檢修門作為擋水建筑物，在最低一節(jié)專門制作一塊長方形孔浮箱檢修門，方孔作為進(jìn)水口。在進(jìn)水口設(shè)置拍門作為斷流設(shè)施。該研究采后一種方式。

2.2 引水管道

引水管道由方變圓變形管、伸縮節(jié)、彎管等組成，引水管采用壓力鋼管制作。引水管面積按水輪機(jī)進(jìn)水流量要求確定，為減少水力損失，管中平均流速一般控制在3m/s以內(nèi)。此次試制機(jī)壓力鋼管采用直徑為1200mm。

2.3 水輪發(fā)電機(jī)組

為便于節(jié)制閘在控制運(yùn)用時(shí)拆離水輪機(jī)并減少土建投資，水輪發(fā)電機(jī)組采用全貫流潛水水輪發(fā)電機(jī)組，采用自耦裝配式結(jié)構(gòu)。潛水發(fā)電組因可以潛水運(yùn)行，可直接放置在水閘消力池中。閘門上開孔通過管道引水至潛水式發(fā)電。為提高發(fā)電效率，在水輪發(fā)電機(jī)組末端設(shè)置尾水管。

3 設(shè)備選型及設(shè)計(jì)

3.1 水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)選用

圖1 水輪機(jī)安裝方案圖

為取得較好的發(fā)電效率并結(jié)合工程特點(diǎn)，水輪機(jī)一般采用燈泡貫流式機(jī)組，但該類型水輪機(jī)對(duì)電機(jī)的密封要求高，同時(shí)為減小發(fā)電機(jī)的體積需配減速裝置（變速箱），結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。針對(duì)閘孔的現(xiàn)場條件，電站水輪機(jī)采用全貫流潛水水輪機(jī)裝置。其原理是水輪機(jī)葉輪安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，與轉(zhuǎn)子形成一個(gè)整體，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的外緣，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于水輪機(jī)的葉輪外殼。全貫流式水輪機(jī)的流道平直，水流可沿軸向一直流過導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片和尾水管，使發(fā)電機(jī)的無效部分變成工作部分，工作室水流從轉(zhuǎn)子內(nèi)腔流過。該裝置投資省、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、噪聲低、散熱好。當(dāng)發(fā)電機(jī)布置在輪緣外時(shí)，轉(zhuǎn)子飛輪力矩大，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)際上這種機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪已經(jīng)結(jié)合為一體，簡化了水輪機(jī)組。為便于機(jī)組拆離和安裝，采用潛水式水輪發(fā)電機(jī)組。因國內(nèi)沒有定型的潛水水輪機(jī)組，經(jīng)過比選和研制，水輪機(jī)參數(shù)采用：機(jī)組型號(hào)GDJ735B-W-86；額定出力128 kW；額定轉(zhuǎn)速394r/min；設(shè)計(jì)水頭4.5m；設(shè)計(jì)流量3.19 m3/s；轉(zhuǎn)輪直徑0.86m；轉(zhuǎn)輪角度+21.5°；導(dǎo)葉開度57°；飛逸轉(zhuǎn)速1000r/min；水輪機(jī)效率0.88。水輪機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 全貫流式水輪機(jī)

3.2 發(fā)電機(jī)選型

大部分水電站發(fā)電機(jī)采用同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)需要復(fù)雜的勵(lì)磁設(shè)備、并網(wǎng)設(shè)備、調(diào)整設(shè)備，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。考慮采用水輪機(jī)功率不大，發(fā)電機(jī)采用濕式異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、牢固，特別適合于高圓周速度電機(jī)。無集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場所限制。由于無轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場不需要同期及電壓調(diào)節(jié)裝置，電站設(shè)備簡化，負(fù)荷控制十分簡單。一般情況下不需水輪機(jī)調(diào)速器，水輪機(jī)可全速運(yùn)行或在鎖定導(dǎo)葉開度下在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行。異步發(fā)電機(jī)盡管可能出現(xiàn)功率搖擺現(xiàn)象，但無同步發(fā)電機(jī)類似的振蕩和失步問題。并網(wǎng)操作簡便，簡化了水輪發(fā)電機(jī)操作。

發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓400V，額定頻率50Hz，額定電流181A，額定輸出功率100kW，額定轉(zhuǎn)速394r/min，功率因數(shù)0.8，發(fā)電機(jī)效率0.84。

3.3 斷流方式及水量調(diào)節(jié)

因采用異步發(fā)電機(jī)，對(duì)并網(wǎng)沒有過高的要求，導(dǎo)葉采用了固定型式，因此可以利用拍門作為斷流設(shè)備。在節(jié)制閘檢修門槽，專做一節(jié)專用閘門，并在閘門上開孔，加裝拍門作為引水口門。機(jī)組發(fā)電時(shí)利用檢修門起吊設(shè)備打開拍門，機(jī)組停機(jī)關(guān)閉拍門。在試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用拍門作為調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)水量和斷流裝置，在斷流時(shí)拍門的下落對(duì)浮箱檢修門的撞擊力過大，為保證安全，先在管道上加裝排氣孔，后加裝一只蝶閥，用于水量的調(diào)節(jié)和斷流，運(yùn)行平穩(wěn)。

3.4 節(jié)制閘啟用和水輪發(fā)電機(jī)撤離

因利用節(jié)制閘孔作為水輪機(jī)進(jìn)水口，在水輪機(jī)發(fā)電時(shí)直接影響閘門的運(yùn)用。為快速由發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為節(jié)制閘運(yùn)用狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了水輪發(fā)電機(jī)的拆離。具體步驟為：當(dāng)節(jié)制閘啟用時(shí)，首先拆除連接專用節(jié)制閘浮箱檢修門和水輪發(fā)電機(jī)之間的管道，然后拆除水輪發(fā)電機(jī)并吊出水，浮起浮箱檢修門，恢復(fù)節(jié)制閘運(yùn)行狀態(tài)。

4 運(yùn)行情況

4.1 相序調(diào)整和并網(wǎng)

為保證發(fā)電機(jī)的相序和電網(wǎng)一致，先進(jìn)行了空載運(yùn)行，為使異步電機(jī)獲得勵(lì)磁電流，進(jìn)而建立電壓，在定子繞組端點(diǎn)并接適當(dāng)?shù)?000微法電容器，利用電容器供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，從而使異步發(fā)電機(jī)建立起電壓，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

按照異步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，可以采取直接起動(dòng)方式和準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式。為減低并網(wǎng)電流，并網(wǎng)采用準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式，通過先行打開進(jìn)水蝶閥，使異步發(fā)電轉(zhuǎn)速達(dá)到接近異步轉(zhuǎn)速，然后將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，繼續(xù)加大進(jìn)水量，使發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。經(jīng)測試，并網(wǎng)電流為額定電流1.05倍左右。

4.2 運(yùn)行情況

2015年6月，閘孔潛水發(fā)電機(jī)組投入了運(yùn)行，經(jīng)測試，在水頭5.2m，發(fā)電機(jī)出力為80kW。機(jī)組運(yùn)行電流200A，機(jī)組功率因素0.5，出水口實(shí)測機(jī)組流量為2.1m3/s，機(jī)組效率為65%左右。

從測試情況看，機(jī)組出力低于設(shè)計(jì)出力，主要原因是進(jìn)水浮箱檢修門開孔因土建結(jié)構(gòu)限制小于原設(shè)計(jì)，相應(yīng)管道直徑由1400mm變?yōu)?200mm，減少過流面積17%。另外，尾水管采用玻璃鋼制作，在運(yùn)行時(shí)損壞，直接影響機(jī)組的運(yùn)行效率。

5 工程投資和效益估算

該試驗(yàn)項(xiàng)目共投入經(jīng)費(fèi)59.6萬元，其中潛水水輪發(fā)電機(jī)35.6萬元（含研發(fā)費(fèi)用），管道、檢修門、蝶閥等投入24萬元。每千瓦投入約0.75萬元，遠(yuǎn)低于低揚(yáng)程水電站投資。經(jīng)水情分析，三河閘每年可發(fā)電4800h左右，試驗(yàn)水輪發(fā)電機(jī)年可發(fā)電48萬度，年發(fā)電收入約17萬元，5年基本可以收回投資。

6 結(jié)束語

對(duì)于不頻繁運(yùn)用的節(jié)制閘，利用閘孔安裝潛水式水輪發(fā)電機(jī)組，可以大大降低水電站的建設(shè)投資，充分發(fā)揮水工建筑物的綜合作用，將有廣闊的推廣前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益