孫吳縣城市供水管線加裝水輪發(fā)電機(jī)組的可行性分析

張啟海

( 孫吳縣二門山水庫管理處，黑龍江 孫吳164200)

二門山水庫位于黑龍江省孫吳縣境內(nèi)的遜別拉河上游，距孫吳縣城32 km。二門山水庫為遜別拉河干流上規(guī)劃的唯一一座控制型水庫工程。為孫吳縣城供水是二門山水庫除防洪、發(fā)電、灌溉外的一項(xiàng)主要功能。二門山水庫的建成，大大提高了孫吳縣城居民的飲水質(zhì)量。

二門山電站建成后，每年冬季停機(jī)近7個月，廠區(qū)取暖和生活區(qū)用電要由國家電網(wǎng)供應(yīng)，其電費(fèi)支出每年要達(dá)到近30 萬人民幣，如考慮今后電費(fèi)漲價(jià)因素，則每年的電費(fèi)支出將會更高。

二門山水庫供水管道由兩條管線構(gòu)成，一條管線供給孫吳縣城居民生活用水，另一條管線供給孫吳縣工業(yè)園區(qū)工業(yè)及生活用水。

供水管道安裝高程為253.7 m。其冬季水頭9.6～15.6 m，兩根直徑500 mm的供水鋼管，其過流量分別可達(dá)0.5 ～0.8 m3/s。每一條管線日供水量達(dá)2 ～3 萬m3。如果總供水量每日達(dá)到5 萬m3用于發(fā)電，其發(fā)電量完全可以滿足二門山電站冬季取暖用電及生活區(qū)用電需求。

現(xiàn)供水管線只做城市供水之用，為了充分利用水資源，在供水管道供水過程中發(fā)電，基本沒有運(yùn)行費(fèi)用支出，做到了即供水又發(fā)電，達(dá)到節(jié)能增效綜合利用的目的，提高了經(jīng)濟(jì)利益。

取設(shè)計(jì)水頭為13.5 m，可安裝兩臺30 ～50 kW的發(fā)電機(jī)組。如每天供水量達(dá) 5 萬m3，發(fā)電48 kW/h，即可發(fā)電1 152 kW/d以上。

二門山電站每年停機(jī)按210 d計(jì)算，供水發(fā)電量可達(dá)24.2 萬kW。完全能夠滿足二門山電站冬季用電需求。

利用供水發(fā)電即充分利用了水資源，又解決了二門山電站廠區(qū)及生活區(qū)域的冬季取暖用電和生活用電，節(jié)省了冬季用電費(fèi)用的支出。在夏季豐水期可發(fā)電并入國家電網(wǎng)，減少了棄水，增加了上網(wǎng)發(fā)電量。因此，利用供水管道發(fā)電是可行的［1－3］。

1 機(jī)械方面

具體包括2個方面:

1.1 工程總布置及建筑物型式

在電站廠房( 管道閥門室) 水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)布置為0.6 m寬，3.0 m長，兩臺機(jī)組設(shè)備布置要求為最大3 m寬×4 m長。現(xiàn)有供水管道閥門井室為6.4 m寬×9.0 m長，在管道閥門室里面安裝兩套型號適合的水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備是完全可行的［4］。

1.2 水輪機(jī)型式的選擇

本電站供水廠管道閥門室位于地下，根據(jù)現(xiàn)有的空間改造加裝水輪機(jī)組，機(jī)組的選型十分關(guān)鍵。

首先要滿足現(xiàn)有空間場地的要求，在盡量少的破壞原有土建工程的前提下，選擇適合的機(jī)型［5］。

管道閥門室的寬度很小，但軸向空間還是很充足，根據(jù)現(xiàn)有廠房條件，首先考慮適合的機(jī)組形式為貫流式。而且本水電站的水頭9.6 ～15.6 m，適合此水頭范圍水輪機(jī)的類型有貫流式和軸流式［6］。

貫流式水輪機(jī)與軸流式水輪機(jī)比較，具有水力損失小、尾水管恢復(fù)性能好、水力效率高等優(yōu)勢，具有比軸流式水輪機(jī)更優(yōu)良的能量特性，貫流式水輪機(jī)空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機(jī)。

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡潔，涉及的土建工程量較小，可節(jié)省土建投資。根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》最大水頭20 m及以下的徑流式水電廠宜優(yōu)先選用貫流式水輪機(jī)。根據(jù)本電站實(shí)際情況，選擇貫流式水輪機(jī)。

軸伸貫流式水輪機(jī)組按主軸布置方式可分成前軸伸、后軸伸和斜軸伸等幾種，土建工程量小，發(fā)電機(jī)敞開布置，易于檢修、運(yùn)行和維護(hù)。但機(jī)組由于采用直急彎尾水管，尾水能量回收效率較低，機(jī)組容量大時(shí)不僅效率差，而且軸線較長，軸封困難，廠房噪音大，將給運(yùn)行檢修帶來不方便。因此一般只用于小型機(jī)組，對于供水廠而言此型機(jī)組最為適合。

水輪機(jī)采用軸伸貫流臥式機(jī)組，由固定導(dǎo)葉引水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，氣蝕低，效率高、震動輕，運(yùn)行穩(wěn)定。采用502 型轉(zhuǎn)輪，在適合的水頭下運(yùn)行，機(jī)組效率可達(dá)92.3%。

同時(shí)考慮到供水管線由于各種可能的原因?qū)е孪掠瓮蝗还荛y，反沖擊的浪涌將會對水輪機(jī)產(chǎn)生極大破壞的反向水推力。決定在下游尾水管道上加裝爆破閥，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行，提高可靠性。采用彈性聯(lián)軸器直聯(lián)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)采用三相交流同步發(fā)電機(jī)，勵磁采用三次諧波勵磁，在定子鐵芯上除了主繞組外，另有一套諧波繞組，經(jīng)過三相橋式硅整流后通入磁場繞組進(jìn)行勵磁，勵磁裝置具有自激恒壓性能和直接啟動0.7 倍容量發(fā)電機(jī)的能力?！凹儇?fù)荷”采用三組電熱負(fù)荷，既保證了頻率穩(wěn)定性，又保證了交流電壓波形畸變小。

當(dāng)用戶負(fù)載線路短路、過流過壓、后備“假負(fù)荷”自動投入，防止機(jī)組飛車，保護(hù)機(jī)組及用電設(shè)備的安全，真正做到無人值班值守。機(jī)組運(yùn)行在不同水頭和出力時(shí)所需流量見表1。

表1 機(jī)組運(yùn)行在不同水頭和出力時(shí)所需流量一覽表m3/s

由表1 可見，根據(jù)負(fù)荷量的要求，通過調(diào)速裝置和閥門控制流量的大小，隨時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電量的多少，以滿足供暖及生活用電量的需求。

2 電氣方面

2.1 接入方式

供水管道發(fā)電采用兩臺STC50 水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量為50 kW，機(jī)端電壓為400 V。

冬季發(fā)電水頭為13.5 m，發(fā)電機(jī)出力為30 kW直接接入用電負(fù)荷，輸出電壓頻率由裝于控制柜內(nèi)的電子調(diào)節(jié)器自動控制，多余的電由“假負(fù)荷”平衡，保證電壓、頻率穩(wěn)定在一定范圍，不需人員全日看守。

夏季豐水期時(shí)，發(fā)電機(jī)出力可達(dá)到50 kW，直接并入國家電網(wǎng)，持續(xù)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 電氣主接線

在豐水期機(jī)組所發(fā)的電經(jīng)一臺變壓器S11—125/10，10.5 ± 2 × 2.5% /0.4kv，D，Yn11 升壓至10.5 kV并接于二門山電站的一臺雙繞組變壓器低壓側(cè)的單母線上，經(jīng)該變壓器升壓至35 kV，送至孫吳變電所進(jìn)入國網(wǎng)。

3 環(huán)境影響評價(jià)

目前利用城市供水管道發(fā)電在全國已經(jīng)很普及，既充分利用了水資源，又解決了部分用電的需求，做到了合理利用和開發(fā)。

水力發(fā)電是由水通過水輪機(jī)使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪使用的材質(zhì)與供水鋼管及閥門的材質(zhì)是相同的。水輪機(jī)運(yùn)行是由水來推動，沒有任何其他介質(zhì)，不使用任何油劑，對水沒有任何污染，因此對環(huán)境對水質(zhì)沒有任何影響。［7］

4 綜合經(jīng)濟(jì)評價(jià)

本項(xiàng)目是在二門山水庫及供水管道建成的基礎(chǔ)上、充分利用了現(xiàn)有條件( 如大壩、廠房、引水鋼管、溢流壩等) 的優(yōu)勢來建設(shè)的，在土地、土建施工和建筑物等方面節(jié)省了大量投資。

目前，在水工和土建施工方面的工作量很少，極大的縮短了電站的建設(shè)周期，同時(shí)也減少了投資量。本項(xiàng)目預(yù)計(jì)在開工后6個月內(nèi)即可建成發(fā)電。［8］

供水發(fā)電主要是考慮解決二門山電站及周圍生活區(qū)冬季取暖及生活用電問題。因?yàn)橛秒娯?fù)荷不足60 kW/h，在水輪機(jī)選型時(shí)，額定水頭運(yùn)行水輪機(jī)最優(yōu)工況單機(jī)出力選定30 kW。在夏季水輪機(jī)最大出力可達(dá)到52.4 kW，發(fā)電機(jī)出力單機(jī)選定為50 kW。實(shí)際上兩臺機(jī)裝機(jī)總?cè)萘繛?00 kW。

本電站建成發(fā)電后，每年冬季發(fā)電量可達(dá)30 萬kW·h，可節(jié)省電費(fèi)近36 萬元人民幣;在夏季發(fā)電可并入國家電網(wǎng)，預(yù)計(jì)可發(fā)電36 萬kW·h，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電收入16 萬元人民幣; 全年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益52 萬元人民幣。3 a即可收回投資成本，年投資回報(bào)率達(dá)33%以上，說明本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。

5 結(jié) 語

從生態(tài)環(huán)境和社會效益上看，小水電的發(fā)展能夠改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)退耕還林、天然林保護(hù)、保護(hù)生態(tài)、保護(hù)環(huán)境，具有顯著的生態(tài)效益和社會效益。

綜上所述，本項(xiàng)目技術(shù)上是可行的，投資結(jié)構(gòu)是合理的，投資回報(bào)率高，經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。建設(shè)期在6個月之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)年建設(shè)、當(dāng)年發(fā)電，具有較好的開發(fā)價(jià)值。

［1］中華人民共和國建設(shè)部. GB50071—2002 小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京: 中國計(jì)劃出版社，2002.

［2］福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院. SL229—2000小型水力發(fā)電站自動化設(shè)計(jì)規(guī)定［S］. 北京: 中國水利水電出版社，2000.

［3］中華人民共和國發(fā)改委. DL/T5186—2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 中國電力出版社，2004.

［4］高磊，孫忠園. 對青龍山水庫水輪發(fā)電機(jī)組選型的分析［J］. 黑龍江水利科技，2008，36(1) :59.

［5］張啟海，吳云波. 烏宋崗水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的幾點(diǎn)體會［J］. 黑龍江水利科技，2008，36(5) :45.

［6］周啟萍，賈延通. 寶山電廠水輪發(fā)電機(jī)組大修中的技術(shù)改造［J］. 黑龍江水利科技，2009，37(6) :47.

［7］康利君. 規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)若干問題的探討［D］. 天津:天津大學(xué)，2009.

［8］王洪梅. 水電開發(fā)對河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及人類福利綜合影響評價(jià)［D］. 成都: 中國科學(xué)院研究生院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，2007.