呂　坤　楊春寶

關(guān)于江蘇省皂河閘小水電水輪機(jī)組選型的思考

呂坤楊春寶

一、皂河閘小水電運(yùn)行狀況

皂河閘位于江蘇省宿遷市宿豫區(qū)皂河鎮(zhèn)北約2.5km處的中運(yùn)河上，東與駱馬湖南堤相連、西與皂河船閘東堤相連，與洋河灘閘和駱馬湖南堤等組成駱馬湖一線控制工程。主要設(shè)計(jì)效益有：控制中運(yùn)河泄量，確保堤防安全，兼顧黃墩湖地區(qū)的排澇；調(diào)節(jié)閘上下游水位，保護(hù)航道及駱馬湖一線大堤安全；引水灌溉下游農(nóng)田；利用駱馬湖棄水發(fā)電。為了充分利用水力資源，1972年皂河閘進(jìn)行工程加固時(shí)，在閘的左右空箱岸墻內(nèi)安裝了4臺(tái)套ZD760-LM-120型水輪機(jī)組，配套4 臺(tái)TSN型100kW水輪發(fā)電機(jī)用于余水發(fā)電，總裝機(jī)容量為400kW。經(jīng)多年運(yùn)行后，于1996年對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了增容技術(shù)改造，單機(jī)容量由原來(lái)的100kW 提高為 160kW，總裝機(jī)容量640kW，水輪機(jī)槳葉角度由10°增加到15°。由于工程老化嚴(yán)重，工程于2015年底拆除重建。

根據(jù)管理單位提供的皂河閘2006年、2007年、2010年典型年份的水文資料及南水北調(diào)駱馬湖水資源論證分析，皂河梯級(jí)水位差（為皂河閘上下游水位差）比較小，具體見表1所示。在水位差約3.6m時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)生的流量17.6～200.0m3/s，此流量發(fā)生的保證率約39%～12.9%；水位差3.2m時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)生的流量約216～462m3/s，此流量發(fā)生的保證率約3%～0.7%。

皂河梯級(jí)現(xiàn)狀皂河閘發(fā)電設(shè)計(jì)流量為20 m3/s，裝機(jī)160kW4臺(tái)，單機(jī)發(fā)電流量為5m3/s。根據(jù)駱馬湖水位調(diào)度原則，工程設(shè)計(jì)實(shí)際發(fā)電水位組合及發(fā)電水頭如表2所示。

二、水輪機(jī)選型

根據(jù)皂河閘小水電工程的規(guī)模、運(yùn)行工況及使用特點(diǎn)，結(jié)合電站運(yùn)行特征及布置的合理性，初步確定機(jī)組臺(tái)數(shù)仍采用4臺(tái)套，單機(jī)流量5m3/s。根據(jù)電站的工程特點(diǎn)，選用立式軸流式水輪機(jī)或貫流式水輪機(jī)組兩種結(jié)構(gòu)型式的方案進(jìn)行比選。

1.方案一：立式軸流式

根據(jù)皂河閘小水電的流量和水頭情況，以及現(xiàn)有模型轉(zhuǎn)輪資料，適合的水輪機(jī)型號(hào)為ZD660-LH-120。

考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為1.2m，根據(jù)轉(zhuǎn)輪在國(guó)內(nèi)電站已經(jīng)使用的經(jīng)驗(yàn)，電站初定模型參數(shù)為：槳葉角度ψ=+24°，單位轉(zhuǎn)速n1'=170r/min，單位流量 Q1'=1.637 m3/s，模型效率η=90.1%?？紤]流道水力損失0.5m，在設(shè)計(jì)水位5.0m時(shí)，經(jīng)計(jì)算水輪機(jī)真機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=300r/min，額定流量Q=5.0m3/s，水輪機(jī)效率ηT=92%，水輪機(jī)額定功率為Nr=203.1kW。取發(fā)電機(jī)效率η=92%，則發(fā)電機(jī)額定功率Ng=186.8kW，選擇配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF160-24/1180。

電站進(jìn)出水流道及斷流方式：采用混凝土蝸殼進(jìn)水，進(jìn)水口門采用閘門斷流，尾水采用肘型管出水，出口設(shè)置一道檢修閘門。

2.方案二：軸伸貫流式

貫流式水輪機(jī)組立面尺寸較小，機(jī)組型式主要有燈泡貫流式、豎井貫流式和軸伸貫流式等，豎井式和軸伸式主要用于中小容量機(jī)組，皂河閘小水電發(fā)電流量較小，發(fā)電水頭較低，擬采用結(jié)構(gòu)和布置簡(jiǎn)單可行的軸伸式貫流機(jī)組。根據(jù)皂河閘小水電的流量和揚(yáng)程要求，以及現(xiàn)有模型轉(zhuǎn)輪資料，適合的水輪機(jī)型號(hào)為GD008-WZ-120。

表1　皂河梯級(jí)水能計(jì)算成果表

表3　原型機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為1.2m，初定模型參數(shù)為：槳葉角度ψ=+9°，單位轉(zhuǎn)速n1'=168r/min，單位流量Q1'=1.619m3/s，模型效率η=89%?？紤]流道水力損失0.4m，在設(shè)計(jì)水位5.0m時(shí)，經(jīng)計(jì)算水輪機(jī)真機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=300r/min，額定流量Q=5.0m3/s，水輪機(jī)效率ηT=92%，水輪機(jī)額定功率Nr=207.6kW。取發(fā)電機(jī)效率 η=92%，則發(fā)電機(jī)額定功率Ng=191.0kW，選擇配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF160-24/1180。

電站進(jìn)出水流道及斷流方式：采用直管式進(jìn)水，口門采用閘門斷流，尾水采用平直擴(kuò)散管出水，出口設(shè)置一道檢修閘門。

3.兩方案綜合比較

從上述兩方案的性能參數(shù)來(lái)看，均能滿足泵站設(shè)計(jì)要求，立式軸流式機(jī)組立面方向尺寸較大，流道水力損失稍大；而貫流式機(jī)組立面尺寸較小，流道水力損失比立式略小。根據(jù)換算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況下，兩方案效率基本相同。

立式軸流機(jī)組為常規(guī)機(jī)組型式，在機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造方面具有成熟的技術(shù)，運(yùn)行可靠性較高，管理維護(hù)方便，管理單位亦有豐富的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)；而貫流式機(jī)組運(yùn)行、管理、維護(hù)不如立式機(jī)組方便。

綜上所述，立式軸流機(jī)組方案稍優(yōu)，考慮工程原有機(jī)組型式即為立式機(jī)組，結(jié)合工程管理單位意見，根據(jù)比較結(jié)果，此次改造仍采用立式軸流式水輪機(jī)組型式，采用混凝土蝸殼進(jìn)水，進(jìn)水口門采用閘門斷流，尾水采用肘型管出水，出口設(shè)置一道檢修閘門。

站身主要結(jié)構(gòu)尺寸：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，只需考慮流道進(jìn)口的淹沒(méi)即可保證進(jìn)水流態(tài)不產(chǎn)生影響運(yùn)行的渦流等不利狀況。根據(jù)工程的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)布置，擬定進(jìn)水流道口淹沒(méi)在設(shè)計(jì)水位下4.0m左右，水輪機(jī)組中心線高程為18.71m，尾水出口淹沒(méi)在最低尾水位下0.7m左右。

原型機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表3所示■

（作者單位：江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處223800）