呂　坤　楊春寶

關于江蘇省皂河閘小水電水輪機組選型的思考

呂坤楊春寶

一、皂河閘小水電運行狀況

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。主要設計效益有：控制中運河泄量，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年皂河閘進行工程加固時，在閘的左右空箱岸墻內(nèi)安裝了4臺套ZD760-LM-120型水輪機組，配套4 臺TSN型100kW水輪發(fā)電機用于余水發(fā)電，總裝機容量為400kW。經(jīng)多年運行后，于1996年對發(fā)電機組進行了增容技術改造，單機容量由原來的100kW 提高為 160kW，總裝機容量640kW，水輪機槳葉角度由10°增加到15°。由于工程老化嚴重，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，對應發(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，對應發(fā)生的流量約216～462m3/s，此流量發(fā)生的保證率約3%～0.7%。

皂河梯級現(xiàn)狀皂河閘發(fā)電設計流量為20 m3/s，裝機160kW4臺，單機發(fā)電流量為5m3/s。根據(jù)駱馬湖水位調(diào)度原則，工程設計實際發(fā)電水位組合及發(fā)電水頭如表2所示。

二、水輪機選型

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

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，適合的水輪機型號為ZD660-LH-120。

考慮水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為1.2m，根據(jù)轉(zhuǎn)輪在國內(nèi)電站已經(jīng)使用的經(jīng)驗，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，在設計水位5.0m時，經(jīng)計算水輪機真機參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=300r/min，額定流量Q=5.0m3/s，水輪機效率ηT=92%，水輪機額定功率為Nr=203.1kW。取發(fā)電機效率η=92%，則發(fā)電機額定功率Ng=186.8kW，選擇配套發(fā)電機型號為SF160-24/1180。

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

2.方案二：軸伸貫流式

貫流式水輪機組立面尺寸較小，機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)和布置簡單可行的軸伸式貫流機組。根據(jù)皂河閘小水電的流量和揚程要求，以及現(xiàn)有模型轉(zhuǎn)輪資料，適合的水輪機型號為GD008-WZ-120。

表1　皂河梯級水能計算成果表

表3　原型機主要技術參數(shù)表

考慮水輪機轉(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，在設計水位5.0m時，經(jīng)計算水輪機真機參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=300r/min，額定流量Q=5.0m3/s，水輪機效率ηT=92%，水輪機額定功率Nr=207.6kW。取發(fā)電機效率 η=92%，則發(fā)電機額定功率Ng=191.0kW，選擇配套發(fā)電機型號為SF160-24/1180。

電站進出水流道及斷流方式：采用直管式進水，口門采用閘門斷流，尾水采用平直擴散管出水，出口設置一道檢修閘門。

3.兩方案綜合比較

從上述兩方案的性能參數(shù)來看，均能滿足泵站設計要求，立式軸流式機組立面方向尺寸較大，流道水力損失稍大；而貫流式機組立面尺寸較小，流道水力損失比立式略小。根據(jù)換算結(jié)果進行對比，在設計揚程工況下，兩方案效率基本相同。

立式軸流機組為常規(guī)機組型式，在機組的設計、制造方面具有成熟的技術，運行可靠性較高，管理維護方便，管理單位亦有豐富的運行管理經(jīng)驗；而貫流式機組運行、管理、維護不如立式機組方便。

綜上所述，立式軸流機組方案稍優(yōu)，考慮工程原有機組型式即為立式機組，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組型式，采用混凝土蝸殼進水，進水口門采用閘門斷流，尾水采用肘型管出水，出口設置一道檢修閘門。

站身主要結(jié)構(gòu)尺寸：根據(jù)計算結(jié)果，對于工程來說，只需考慮流道進口的淹沒即可保證進水流態(tài)不產(chǎn)生影響運行的渦流等不利狀況。根據(jù)工程的運行特點，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)布置，擬定進水流道口淹沒在設計水位下4.0m左右，水輪機組中心線高程為18.71m，尾水出口淹沒在最低尾水位下0.7m左右。

原型機組主要技術參數(shù)如表3所示■

（作者單位：江蘇省駱運水利工程管理處223800）