桑墟水电站发电效益分析研究

干小川 岳彬彬 冯良队

一、引言

桑墟水电站位于沭阳县桑墟镇境内，与蔷薇河地涵、沭新北船闸、沭新退水闸构成沭新河渠尾水利工程控制枢纽。上游连接沭新干渠，下游通入蔷薇河，主要利用灌溉水发电。工程于1986年5月竣工，7月并网发电。后经改造，目前该站共安装5台叶轮直径1.00m的立式轴流水轮机（ZDT03-LM-100），单机流量5m3/s，配套5台同步发电机（SF125-20/990-W），单机功率125kW，总装机容量为625kW。工程建成以来，为地方发展提供了低碳清洁能源，促进了当地经济和社会的发展（见表1）。

表1 2007～2015年桑墟水电站发电量与发电收益统计表

二、改造后的效益分析

2010～2014年陆续对该站进行了更新改造，主要是更换了5台发电机组、下游检修闸门，更新了变压器、高低压开关柜和起重设备，新建了副厂房，增设了清污机等。

1.机组设备

改造后，水轮机型号由ZDJLM-100更换为ZDT03-LM-100，发电机型号由TSN-59/6-100G更换为SF125-20/990-W，额定功率由100 kW提高到125 kW。新机组用无刷励磁系统替代了原机组的有刷励磁系统，减少了更换碳刷等维护工作，方便了管理。另外新机组取消了增速箱而改为直联方式，减小了增速箱的功率损耗和维护工作。

2.电气设备

更换了原有老旧的高低压开关柜等电气设备，消除了安全隐患，提高了设备的安全可靠性。原机组采用机械并网方式，开机并网时，较为麻烦，且时间长，成功率不高；而新机组采用PTQ2008微机智能准同期控制器，能够自动捕捉最佳并网时机，减少对网路的冲击，快捷方便，省时省力。保护系统采用PLB-2型发电机综合保护器，该设备体积小，结构紧凑，功能较全，参数设置方便，能安全可靠地对机组设备进行保护。励磁系统采用WLT-1型无刷励磁数字调节器，能够智能跟踪励磁电压、电流，进行实时调节。

3.金属结构

电站上游为沭新河，河道内漂浮的杂物较多。改造前，该站在上游进水口门前设置拦污栅拦阻河内的水草、垃圾，采用人工清理方式，每次清理前为确保安全，机组必须停机，清理完成后再次开机。开停机较为频繁，对机组设备寿命有一定影响。

2014年新增五台回转式清污机及配套清污机设备，每小时清污量可达10t，并可以不停机实现随时打捞，减少了停机时间，提高了发电效益。

三、机组发电效益的影响因素分析

1.装置效率分析

根据运行数据分析，选取典型数据：计算水头4.0m，流量5m3/s，出力120 kW。

式中：P1—电站输出功率（kw），取120kW；

P2—同一时段电站输入功率（kW）；

Q—水轮机流量（m3/s），取 5m3/s；

Hst—上下游水头差（m），取 4.0m；

ρ—取水水源密度 （kg/m3），取1000kg/m3。

那么：ηst=102×120/（1000×5×4.0）×100%=61.2%

由上述分析可知，在该水力条件下，发电装置效率为61.2%。

该站的水头损失主要在清污机、进水口、导叶、叶轮、出水口等处的局部水头损失以及流道的沿程损失。

2.发电效益影响因素分析

该站发电效益的影响因素是多方面的，主要因素有上下游水头差、上游可供发电的来水量、流态、安装质量等，目前工程效益尚不能得到充分发挥。

（1）上下游水位对发电效益的影响

根据表2的运行统计数据，通过横向比较桑墟水电站上、下游组合水位在6.9m和2.6m水位差在4.3m时5台机组发电效率最高为120kW。当上、下游水位组合水位在6.48m和2.94m水位差在3.54m时发电效率最低。比较发现，上、下游水位差在3.3m至3.5m时综合发电效率较低，在3.8～4.3m时综合效率较高。一般情况下，下游水位在2.5m以下（不宜低于2.2m），上游水位在6.5m以上均能获得较高的发电效率。

桑墟水电站是利用灌溉水进行发电的综合利用工程，在沭新河渠尾水利工程控制枢纽中处于从属地位。在实际运用中，上下游水位组合常常达不到设计要求，水位差保证率达不到要求，长期处于低功率、低效率运行工况。

上游沭新河水位，受沭新闸控制，因来水量等方面限制，往往也不能达到6.5m以上的要求。受枢纽工程联合运行的影响，沭新河从沭新闸到电站上游约为28km，在大流量放水时，流速大，沿程水头损失较大，沭新闸至电站上游水位落差大，导致电站上游水位低。冬季需水量较少时，在蔷薇河地涵5～10m3/s流量时，沿程水位落差约为0.2～0.4m；夏季大用水季节，蔷薇河地涵流量15m3/s以上时，加之沿途取水口流量增加，沿程水位落差约为0.5～1.2m，而沭新闸下游水位正常控制不超过7.3m。因此，上游水位长期达不到设计要求。控制枢纽联合运行时，上游河道沿程水头损失的对电站水位的影响（见表3）。

综上，桑墟水电站上下游水位长期达不到设计要求，常常运行在低负荷区、低效区，是影响发电效益的主要因素之一。

（2）上游来流量对发电效益的影响

受淮河入湖流量及洪泽湖蓄水保水等水资源控制的影响，桑墟水电站没有充足的发电流量，机组不能全部开机，甚至长期处于全部停机状态。特别是在上半年，据统计，2015年上半年停机78天，全年停机138天，2016年上半年停机86天。有时即使开机，也只能开2到3台，低负荷运行。因为该站是利用灌溉用水发电，在蔷薇河不需要用水时，桑墟水电站无水发电。

（3）机组流态对发电效率的影响

表2 桑墟水电站发电功率与水位差关系统计表（2015年1～6月）

表3 沭新河渠尾水利工程控制枢纽联合运用对电站上游水位的影响（2015年）

通过对表1纵向比较发现，在同水位的情况下1至5号机组之间发电效率存在明显的差异，其中3、4号机组发电效率相对较高，1、2、5号机组发电效率相对较低，经分析机组进水流态和机组的发电效率有一定对应关系。

桑墟水电站进水口属于开敞式进水口，进水流道有自由水面，且水面以上净空与外界空气保持贯通。受河道水流趋势因素影响，桑墟水电站进水口两边为圆弧型，流速不均匀。其中1、2、5号机组因在两侧存在偏流现象，流态不好，发电效率低。3、4号机组在中间，流态较好，发电效率较高。

（4）机组自身对发电效益的影响

①机组选型方面。该站为小型机组且为低水头发电，如采用卧式机组可能效率要更好些。在其他水电站中，采用卧式结构的机组比采用立式结构的机组发电效率要高。

②流道与机组的配套方面。改造后，机组的型号发生了变化，而流道等土建设施没有随之作出相应的改变，安装时仅对流道局部进行凿除，改变了其原有的水力特性，流道内的流态发生了不利变化。

③安装方面。桑墟水电站1、2、3号机组经常导叶开不到位，导叶开度不足，过流量减小，导致发电功率降低。

四、几点建议

（1）在服从上级调度指令、保证蔷薇河地涵向连云港供水的前提下，综合考虑枢纽整体效益的发挥，尽量兼顾桑墟水电站的发电和船闸通航，联系相关部门，调整上下游水位及流量，达到或接近电站发电所需水位、流量要求。

（2）加强值班巡视，发现故障苗头及时处理，保证电站安全运行。利用电站停机的时机，加强检查、养护、维修，必要时可在枯水季节进行大修，消除安全隐患。

（3）对清污机前的水草等及时进行清理，减少水头损失，增加发电出力。

（4）在以后更新改造前，建议在流道设计与机组选型方面，做模型试验，确定相关参数后进行整体设计