前置式閘孔電站在水閘的應(yīng)用
——以淮陰閘為例

陳 輝， 盛維高， 顧伊娜

(江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005)

1 閘孔電站概況

閘孔電站可分為2種形式，即浮箱可移式閘孔電站和潛水式閘孔電站。

1.1 浮箱可移式閘孔電站

淮陰閘浮箱可移式閘孔電站(圖1)始建于20世紀(jì)80年代末，經(jīng)多年的發(fā)展，已從當(dāng)初的1臺套增加到現(xiàn)在的4臺套，初具規(guī)模且效益顯著。由圖1可見，淮陰閘浮箱可移式閘孔電站是利用檢修門槽設(shè)置擋水閘門，在擋水閘門上開孔與浮箱體相連接，浮箱體內(nèi)設(shè)進(jìn)、出水流道、水輪機(jī)倉和豎井倉，水輪機(jī)安裝在浮箱體內(nèi)的進(jìn)、出水流道之間的水輪機(jī)倉[1]。發(fā)電裝置安裝在閘室內(nèi)、擋水閘門的下游側(cè)。浮箱可移式閘孔電站設(shè)計，是考慮到大流量泄水時，安裝在閘孔內(nèi)的水力發(fā)電裝置必須移開，裝置所在閘孔恢復(fù)原節(jié)制閘功能。

圖1 淮陰閘浮箱可移式閘孔電站方案圖

1.2 潛水式閘孔電站

三河閘潛水式閘孔電站(圖2)作為試驗型，經(jīng)過短暫運行后已拆除。三河閘潛水式閘孔電站也是利用檢修門槽設(shè)置擋水閘門，在擋水門上開方孔，與閘門引水管及Φ1 400 mm管道式水力發(fā)電裝置連接。裝置包含方形變圓形的閘門引水管①、Φ1 400 mm引水管②、電動蝶閥式閘門③、Φ1 400 mm引水管④⑤⑥⑦、全貫流式水輪發(fā)電機(jī)組⑧、尾水管⑨及藕合器⑩等[2]。裝置安裝在閘室及消力池，位于擋水門的下游側(cè)。潛水式閘孔電站設(shè)計，也是考慮到大流量泄水時，安裝在閘孔內(nèi)的水力發(fā)電裝置必須移開，裝置所在閘孔恢復(fù)原節(jié)制閘功能。

圖2 三河閘潛水式閘孔電站方案圖

2 主要存在問題

閘孔電站的研制為水利工程管理單位的綜合經(jīng)營開拓了一條新的發(fā)展途徑，但自身存在的不足也限制其進(jìn)一步發(fā)展的空間。

2.1 浮箱可移式閘孔電站主要存在問題

(1)浮箱可移式閘孔電站拆移難度大，浮箱體存在淹沒的可能。從數(shù)次準(zhǔn)備啟動及2次實施“分淮入沂”前淮陰閘的下游水位情況看，固定浮箱體的支撐桿和用于檢修用的墩頭圍堰均已淹沒在水下，支撐桿的拆除必須在水下破壞性拆除。

2003年以來，因浮箱體的拆移難度大，行洪前只拆除發(fā)電機(jī)、增速箱、調(diào)速器等設(shè)備，而浮箱體因行洪時高水位多次被淹沒。

(2)閘孔利用率低，閘孔電站規(guī)模受限?；搓庨l閘孔凈寬10 m，浮箱體設(shè)計寬6 m，每閘孔內(nèi)只能安裝1臺套發(fā)電裝置，水閘閘孔的利用率低；檢修門槽后閘室短，水力發(fā)電裝置的流道長度受限，裝置設(shè)計效率降低。

淮陰閘閘孔電站發(fā)展近30年，陸陸續(xù)續(xù)才建成4臺套(占用4個閘孔)容量共800 kW的規(guī)模，近期，還要再新增1臺套，也是規(guī)劃中的最后一臺。顯然，沒有能最大限度地利用淮陰閘工程資源和水能資源，主要原因是閘孔利用不充分和擔(dān)心洪水時浮箱體不能迅速撤出。

2.2 潛水式閘孔電站主要存在問題

三河閘潛水式閘孔電站是實驗性機(jī)組，運行不久即廢棄，而沒有進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，主要原因也是閘孔利用不充分和擔(dān)心洪水時發(fā)電裝置不能迅速撤出。

3 前置式閘孔電站主要型式

為彌補(bǔ)不足以最大限度地開發(fā)利用水閘水能資源，經(jīng)研究前置式閘孔電站可以替代浮箱可移式和潛水式閘孔電站，實現(xiàn)水閘水能資源利用的最大化。前置式閘孔電站是在原浮箱可移式閘孔電站設(shè)計思路基礎(chǔ)上，改發(fā)電裝置于擋水門后為工作閘門前，詳見圖3和圖4。

圖3 前置式閘孔電站方案立面示意圖

圖4 前置式閘孔電站方案平面示意圖

(1)按照水閘閘門的形式可分為弧形門式和平面門式。

(2)按照固定方式可設(shè)計成固定式和可移式，當(dāng)水閘閘孔相對富余時可選擇固定式，否則選用可移式。

(3)按照擋水方式可設(shè)計成浮箱體獨立擋水和浮箱體與擋水門共同擋水。水閘閘孔富余，應(yīng)設(shè)固定、獨立擋水型，次則選固定、共同擋水型，否則選可移式(圖5)。

圖5 前置式閘孔電站方案立面示意圖

(4)視發(fā)電閘孔的利用率可以設(shè)計成單孔單臺和單孔雙拼。以淮陰閘為例，閘孔凈寬為10 m、高為8.5 m，因此，如設(shè)計單孔單臺，則可選擇更大型機(jī)組；如進(jìn)行雙拼設(shè)計，單孔設(shè)置2臺套，則閘孔的發(fā)電利用率倍增(圖6)。

圖6 前置式閘孔電站方案平面示意圖

(5)視閘孔電站裝置與水閘距離可以設(shè)計成與水閘相連的前置半島式和與水閘相離的前置島式閘孔電站。顯然，前置島式閘孔電站可以設(shè)計成固定、永久的水電站，是水閘水能利用一個非常好的方式。

4 淮陰閘前置式閘孔電站型式及規(guī)模

淮陰閘前置式閘孔電站型式的選擇、規(guī)模的確定，要綜合淮陰閘的工程效益、建筑物結(jié)構(gòu)、電站現(xiàn)狀和水文、水情等多種因素。

4.1 淮陰閘工程概況

淮陰閘位于淮安市淮陰區(qū)王營鎮(zhèn)楊莊淮沭新河與中運河交匯處，建成于1959年10月，閘總寬345.4 m，共30孔，單孔凈寬10 m，設(shè)計灌溉流量440 m3/s，泄洪流量3 000 m3/s，是淮水北調(diào)、分淮入沂淮陰樞紐的主體工程，承擔(dān)泄洪、灌溉、調(diào)節(jié)航運水位以及為淮安、宿遷、連云港3市提供生產(chǎn)生活用水的任務(wù)。

4.2 淮陰閘允許設(shè)置前置式閘孔電站占用閘孔數(shù)計算

參照《淮陰閘初步設(shè)計》進(jìn)行計算。

(1)滿足設(shè)計灌溉流量440 m3/s時淮陰閘閘孔總寬度B

(2)滿足設(shè)計泄洪流量3 000 m3/s時淮陰閘閘孔總寬度B

(3)滿足設(shè)計效益前題下允許設(shè)置前置式閘孔電站占用閘寬度B0

滿足設(shè)計灌溉流量時：B0=300-138=162 m

滿足設(shè)計泄洪流量時：B0=300-189=11 m

(4)滿足設(shè)計效益前題下允許設(shè)置前置式閘孔電站占用閘孔數(shù)N

滿足設(shè)計灌溉流量時：N=162/1=16孔

滿足設(shè)計泄洪流量時：N=11/10=1孔

4.3 淮陰閘水文情況

根據(jù)歷年實測的水文資料，淮陰閘上游最高洪水位為▽13.8 m，最低水位▽7.17 m，當(dāng)設(shè)計保證率為50%時：灌溉期流量138 m3/s，水位差2.69 m；最高年平均水位上游為▽12.84 m，下游為▽9.88 m；最低年平均水位上游為▽10.49 m ，下游為▽7.77 m；月平均水位上游為▽11.48 m，下游為▽8.82 m。

表1 淮陰閘水電站近年發(fā)電情況

4.4 淮陰閘水電站發(fā)電情況

淮陰閘水電站近年發(fā)電情況見表1。從表1可知，自2012年、2014年和2016年分別增機(jī)1臺套后，每新增1臺套閘孔電站機(jī)組 ，實際每臺年增發(fā)電量約100萬kW·h。

4.5 淮陰閘向下游供排水情況

淮陰閘近年供排水情況見表2。從表2可知，近年來淮陰閘流量大于100 m3/s，即每年滿足10臺套現(xiàn)型式機(jī)組滿載運行的天數(shù)達(dá)206 d。

表2 淮陰閘近年供排水情況

4.6 淮陰閘閘孔電站機(jī)組選型

從淮陰閘工程概況、水文、水情及工程布置看，淮陰閘前置式閘孔電站最佳型式為貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。根據(jù)貫流式水力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)形式，可分為全貫流式、軸伸貫流式、燈泡貫流式及豎井貫流式4種型式。就淮陰閘來說，全貫流式效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)難、造價高，不建議用于淮陰閘；軸伸貫流式需要下沉尾水管，不適用于淮陰閘；燈泡貫流式機(jī)組效率高，但技術(shù)要求高，耗鋼量大，造價高，故不采用燈泡貫流式；豎井貫流式有三側(cè)進(jìn)水和二側(cè)進(jìn)水兩種型式，由于三側(cè)進(jìn)水豎井貫流式進(jìn)口斷面高度大，不適用于淮陰閘[3]。

目前，淮陰閘4臺套浮箱可移式閘孔電站裝置均為二側(cè)進(jìn)水豎井貫流式，其中30號孔水輪機(jī)選用臥式GDB-WS-160型，葉輪直徑1.6 m，額定流量11.32 m3/s，另3孔水輪機(jī)選用臥式GDJ735A-WS-160型，葉輪直徑1.6 m。對于這些設(shè)備，淮陰閘電站的管理人員積累了豐富的運行、維修等方面的經(jīng)驗，因此淮陰閘閘孔電站續(xù)建時，應(yīng)該選擇二側(cè)進(jìn)水豎井貫流式水力發(fā)電機(jī)組。

4.7 淮陰閘閘孔電站規(guī)模

(1)從淮陰閘工程效益考慮，滿足設(shè)計灌溉流量440 m3/s時，淮陰閘可利用閘孔16孔；滿足設(shè)計泄洪流量3 000 m3/s時，僅可利用1孔。因此，在淮陰閘建設(shè)閘孔電站，必須設(shè)計為可移式。

(2)從淮陰閘水文情況考慮，淮陰閘可常年提供發(fā)電用水，其中灌溉期138 m3/s，水位差2.69 m，可滿足12臺套閘孔電站機(jī)組發(fā)電用水。

(3)從近年供、排水量情況考慮，每年淮陰閘日常流量大于100 m3/s的天數(shù)達(dá)206 d，可穩(wěn)定滿足10臺套以上閘孔電站機(jī)組發(fā)電用水。

綜上所述，淮陰閘可安裝10～12臺套閘孔電站水力發(fā)電機(jī)組，考慮到機(jī)組周期性檢修，建議擴(kuò)建淮陰閘水電站時，選用4臺套“前置半島、獨立擋水、豎井貫流、浮箱可移、單孔雙拼式閘孔電站”(以下簡稱前置式閘孔電站)即再安裝8臺套GDJ735A-WS-160型、葉輪直徑1.6 m的二側(cè)進(jìn)水豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

4.8 閘孔電站的布置

現(xiàn)淮陰閘4臺套閘孔電站布置在閘東側(cè)的27#～30#閘孔內(nèi)，考慮到淮陰閘控制運用流量300 m3/s以上時，閘門應(yīng)從中間向兩邊對稱開啟的規(guī)范要求，新增4臺套前置式閘孔電站(8臺套機(jī)組)應(yīng)布置在淮陰閘西側(cè)1#～4#閘孔。

5 淮陰閘前置式閘孔電站浮箱體設(shè)計要點

前置式閘孔電站設(shè)計的關(guān)鍵點在浮箱體?；搓庨l浮箱可移式閘孔電站的浮箱體設(shè)計已較完善，前置式閘孔電站的浮箱體設(shè)計應(yīng)充分吸取其成功經(jīng)驗，同時還要結(jié)合自身特點。

5.1 浮箱體與攔、清污設(shè)施應(yīng)相互獨立

主要是考慮方便裝置的拆除，遭遇洪水時，首先用船吊將攔污柵及清污機(jī)移走，然后用拖輪將浮箱體一一移運到預(yù)定錨地。

5.2 浮箱體的外部尺寸

依據(jù)淮陰閘水位設(shè)計組合和控制運用原則可浮確定箱體的寬度約12 m，高約8 m，根據(jù)水輪機(jī)組流道長度需求確定長度約17 m。

5.3 浮箱體與閘的止水方式

從圖3、圖4可見，浮箱體座落在水閘鋪蓋和底板上，箱體前側(cè)與閘墩相接處通過支承裝置相連，最佳止水?dāng)嗝婢驮阡伾w后的底板和閘墩處。因此，在支承位置和箱底處用“U”型止水件，實現(xiàn)箱體與水閘之間的水平止漏和垂直止漏。

5.4 浮箱體的固定

為了減小機(jī)組運行時浮箱體的振動、確保運行穩(wěn)定，對浮箱體壓載的同時，應(yīng)該對浮箱體進(jìn)行有效的固定。前置式閘孔電站的固定主要依靠閘墩，可在兩側(cè)閘墩上各安裝1組支撐桿，浮箱體就位、壓載后，用支撐桿將浮箱體固定。另外，考慮到浮箱體只有1/5落在閘底板上，大部分落在鋪蓋上，為了避免振動對閘鋪蓋可能產(chǎn)生的不利影響，浮箱體強(qiáng)度設(shè)計時應(yīng)考慮將浮箱體的垂直支承落在閘底板上，結(jié)合前述的支撐式固定，浮箱體相對鋪蓋成為懸臂梁，可完全消除浮箱體振動對鋪蓋的不利影響。

5.5 浮箱體的底部處理

淮陰閘浮箱可移式閘孔電站安裝時發(fā)現(xiàn)淮陰閘閘底板嚴(yán)重不平，經(jīng)實測閘底頂面高差達(dá)37 mm，通過調(diào)整尼龍墊塊的厚度解決這一問題[4]。同樣，前置式閘孔電站安裝時將面臨閘底頂面和鋪蓋頂面不平整的問題，因此，浮箱體底部設(shè)計是淮陰閘前置式閘孔電站成敗的關(guān)鍵。解決的辦法是要同時從兩方面著手：一是從箱底設(shè)計方面著手，將浮箱體對應(yīng)閘底板處的底部設(shè)計成型鋼基礎(chǔ)框架，與閘底板頂面形成條塊狀鋼性接觸，減少與底板的接觸面積；二是從安裝方面著手，采用墩頭圍堰無水作業(yè)或潛水作業(yè)，對型鋼座落處的底板和鋪蓋頂面進(jìn)行局部找平。

5.6 浮箱體上的壓(排)載倉的設(shè)計

與原閘孔電站一樣，前置式閘孔電站浮箱體移運、拆裝難度在于浮箱體平衡的控制。為方便移運和拆裝，前置式閘孔電站浮箱體的壓(排)載倉應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，簡要地說應(yīng)設(shè)置3級壓(排)載倉。從淮陰閘前4臺套閘孔電站建設(shè)情況和前置式閘孔電站(雙拼)結(jié)構(gòu)(圖4)看，裝置為左右對稱、前輕后重(面向下游)。因此，第1級壓(排)載倉的設(shè)計主要考慮浮箱前后平衡的控制；第2級壓(排)載倉的設(shè)計主要考慮浮箱體的“吃水”，即通過壓(排)載，滿足不同水位情況下浮箱體的沉與?。辉O(shè)置第3級壓(排)載倉主要考慮不同水位升(降)浮箱體時的壓(排)載，減小浮力的不利影響，增強(qiáng)裝置運行的穩(wěn)定性。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

浮箱可移式閘孔電站是利用現(xiàn)有水閘工程建設(shè)的水力發(fā)電站，不需要建設(shè)水工建筑物，不需要征地、移民拆遷，不影響、破壞生態(tài)環(huán)境，具有投資小、收益大、見效快等特點。與浮箱可移式閘孔電站一樣，淮陰閘前置式閘孔電站也是利用現(xiàn)有水工建筑物建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)浮箱可移式電站，但益本比更高，投資回收年限更短，經(jīng)濟(jì)效益更顯著。僅從淮陰閘閘孔電站續(xù)建成果看，每增加1臺套閘孔電站實際年增發(fā)電量100 kW·h以上，結(jié)合多年從事閘孔電站改造、續(xù)建、運營積累的經(jīng)驗，在淮陰閘一次性建設(shè)8臺套水輪發(fā)電機(jī)組前置浮箱可移式閘孔電站的投資5年內(nèi)可全部收回。