水閘閘孔潛水式水力發電站研究

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 .揚州大學 揚州 5000）

水閘閘孔潛水式水力發電站研究

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.揚州大學 揚州 225000）

為加強水資源和洪水控制，需興建水閘，水閘的興建形成了一定的水能資源。對于控制運用不頻繁的水閘，可在水閘閘孔安裝水輪機機組，使水閘形成的水能資源得到利用，從而增加水閘綜合功能。該研究主要針對水閘閘孔特點，對建設水電站可行性進行了分析；開展了適合閘孔安裝的水輪機的型式、發電機的選用、斷流方式、節制閘控制運用時機組拆離等研究；研制了全貫流式潛水水輪機、異步發電機、無活動導葉的拍門式斷流、水輪機耦合式安裝等設備。

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電機進行發電。船式水輪發電機就是將水輪發電機組安裝在船上，并將船固定在閘孔上，將閘孔作為引水建筑物，結構和固定水輪機相同，電站建成后取得了較好的經濟效益。該方式的缺點是，需要建造載重量較大的水電船和相應鋼結構，投資仍然偏大；在節制閘控制運用時，船機拆離較為困難，一定程度上影響水閘的控制運用，因此船式水輪發電機的推廣受到一定的限制。為克服閘孔船式水輪發電機機組存在的問題，進一步減低工程投資，開展了閘孔式潛水發電研究。

2 閘孔潛水式水力發電站整體布置

閘孔潛水式水力發電站是在現有節制閘閘孔基礎上興建的，該項目研究的電站由進水浮箱檢修門及斷流設施、引水管道、潛水水輪發電機、尾水管等組成，見圖1（此裝置獲得實用新型專利，證書號CN204151761U）。此次試驗機安裝在江蘇省三河閘閘孔上，三河閘設計流量12000m3/s，共63孔，每孔寬度10m，上游正常蓄水位13.0m，相應下游水位7.5m，可利用發電水頭在4.5～5.5m之間。

2.1 進水口及斷流

水閘閘門有平板門和弧形門兩種型式，對平板門可直接在閘門面板開孔，通過必要加強措施作為進水口，或在閘門設計時直接在閘門增加小拍門作為進水口。對弧形門，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，在最低一節專門制作一塊長方形孔浮箱檢修門，方孔作為進水口。在進水口設置拍門作為斷流設施。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、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進水流量要求確定，為減少水力損失，管中平均流速一般控制在3m/s以內。此次試制機壓力鋼管采用直徑為1200mm。

2.3 水輪發電機組

為便于節制閘在控制運用時拆離水輪機并減少土建投資，水輪發電機組采用全貫流潛水水輪發電機組，采用自耦裝配式結構。潛水發電組因可以潛水運行，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電。為提高發電效率，在水輪發電機組末端設置尾水管。

3 設備選型及設計

3.1 水輪機組結構選用

圖1 水輪機安裝方案圖

為取得較好的發電效率并結合工程特點，水輪機一般采用燈泡貫流式機組，但該類型水輪機對電機的密封要求高，同時為減小發電機的體積需配減速裝置（變速箱），結構較為復雜。針對閘孔的現場條件，電站水輪機采用全貫流潛水水輪機裝置。其原理是水輪機葉輪安裝在電機的轉子內腔，與轉子形成一個整體，發電機轉子布置在水輪機轉輪的外緣，轉子相當于水輪機的葉輪外殼。全貫流式水輪機的流道平直，水流可沿軸向一直流過導葉、轉輪葉片和尾水管，使發電機的無效部分變成工作部分，工作室水流從轉子內腔流過。該裝置投資省、結構緊湊、安裝方便、噪聲低、散熱好。當發電機布置在輪緣外時，轉子飛輪力矩大，運行穩定。實際上這種機組的發電機轉子和水輪機的轉輪已經結合為一體，簡化了水輪機組。為便于機組拆離和安裝，采用潛水式水輪發電機組。因國內沒有定型的潛水水輪機組，經過比選和研制，水輪機參數采用：機組型號GDJ735B-W-86；額定出力128 kW；額定轉速394r/min；設計水頭4.5m；設計流量3.19 m3/s；轉輪直徑0.86m；轉輪角度+21.5°；導葉開度57°；飛逸轉速1000r/min；水輪機效率0.88。水輪機結構見圖2。

圖2 全貫流式水輪機

3.2 發電機選型

大部分水電站發電機采用同步發電機。同步發電機需要復雜的勵磁設備、并網設備、調整設備，且結構復雜。考慮采用水輪機功率不大，發電機采用濕式異步發電機。異步發電機結構簡單、牢固，特別適合于高圓周速度電機。無集電環和碳刷，可靠性高，不受使用場所限制。由于無轉子勵磁磁場不需要同期及電壓調節裝置，電站設備簡化，負荷控制十分簡單。一般情況下不需水輪機調速器，水輪機可全速運行或在鎖定導葉開度下在一定轉速范圍內變速運行。異步發電機盡管可能出現功率搖擺現象，但無同步發電機類似的振蕩和失步問題。并網操作簡便，簡化了水輪發電機操作。

發電機技術參數如下：額定電壓400V，額定頻率50Hz，額定電流181A，額定輸出功率100kW，額定轉速394r/min，功率因數0.8，發電機效率0.84。

3.3 斷流方式及水量調節

因采用異步發電機，對并網沒有過高的要求，導葉采用了固定型式，因此可以利用拍門作為斷流設備。在節制閘檢修門槽，專做一節專用閘門，并在閘門上開孔，加裝拍門作為引水口門。機組發電時利用檢修門起吊設備打開拍門，機組停機關閉拍門。在試驗運行時，發現利用拍門作為調節發電機水量和斷流裝置，在斷流時拍門的下落對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，用于水量的調節和斷流，運行平穩。

3.4 節制閘啟用和水輪發電機撤離

因利用節制閘孔作為水輪機進水口，在水輪機發電時直接影響閘門的運用。為快速由發電機狀態轉化為節制閘運用狀態，在設計時考慮了水輪發電機的拆離。具體步驟為：當節制閘啟用時，首先拆除連接專用節制閘浮箱檢修門和水輪發電機之間的管道，然后拆除水輪發電機并吊出水，浮起浮箱檢修門，恢復節制閘運行狀態。

4 運行情況

4.1 相序調整和并網

為保證發電機的相序和電網一致，先進行了空載運行，為使異步電機獲得勵磁電流，進而建立電壓，在定子繞組端點并接適當的2000微法電容器，利用電容器供給發電機勵磁電流，從而使異步發電機建立起電壓，并在氣隙中產生旋轉磁場。

按照異步發電機的特點，可以采取直接起動方式和準同期并網方式。為減低并網電流，并網采用準同期并網方式，通過先行打開進水蝶閥，使異步發電轉速達到接近異步轉速，然后將發電機接入電網，繼續加大進水量，使發電機處于發電狀態。經測試，并網電流為額定電流1.05倍左右。

4.2 運行情況

2015年6月，閘孔潛水發電機組投入了運行，經測試，在水頭5.2m，發電機出力為80kW。機組運行電流200A，機組功率因素0.5，出水口實測機組流量為2.1m3/s，機組效率為65%左右。

從測試情況看，機組出力低于設計出力，主要原因是進水浮箱檢修門開孔因土建結構限制小于原設計，相應管道直徑由1400mm變為1200mm，減少過流面積17%。另外，尾水管采用玻璃鋼制作，在運行時損壞，直接影響機組的運行效率。

5 工程投資和效益估算

該試驗項目共投入經費59.6萬元，其中潛水水輪發電機35.6萬元（含研發費用），管道、檢修門、蝶閥等投入24萬元。每千瓦投入約0.75萬元，遠低于低揚程水電站投資。經水情分析，三河閘每年可發電4800h左右，試驗水輪發電機年可發電48萬度，年發電收入約17萬元，5年基本可以收回投資。

6 結束語

對于不頻繁運用的節制閘，利用閘孔安裝潛水式水輪發電機組，可以大大降低水電站的建設投資，充分發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濟效益