天津干线郑村北保水堰余能发电研究

马金全，邢志友，刘运才

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局徐水管理处，河北 保定072550）

1 研究目的

南水北调中线一期工程天津干线西起河北省保定市徐水县西黑山村，东至天津市外环河西区，全长155.352 km，沿线共设置有8座保水堰。保水堰是有压箱涵段主要控制性建筑物。郑村北保水堰位于南水北调中线一期工程天津干线桩号XW25+919.40处，位于徐水管理处厂区内。此处天津干渠共设置3孔流道，每孔流道上设置保水堰一座，两侧流道各连通1孔有压箱涵作为退水箱涵。

天津干线供水以来，徐水管理处厂区负荷用电一直由外网供给，年平均用电缴费25万元，春秋日常最大电负荷为20 kW，冬夏两季日常最大负荷为55 kW，对厂区来说负荷较重，主要由地源热泵系统供给。本文拟充分利用郑村北保水堰上、下游水位落差进行发电，在现有保水堰右侧退水箱涵上安装1台小型水轮发电机组，所发电量完全用于满足厂区供电负荷要求，以达到降低管理处运行成本、节约资源的目的。

2 工程简介

郑村北保水堰全长94.0 m，起止桩号XW25+891.5～XW25+985.5，为有闸门堰井，由上游渐变段、堰井段、明槽段、下游渐变段4部分组成。为实现自流排水检修，在堰井的左右两侧设旁通退水设施。退水设施由退水钢管、连通阀井组成。退水钢管直径按检修放空流量Q=5 m3/s确定为1.4 m，阀井净尺寸为3.0 m×3.0 m，连通阀井设在堰井段两侧的场区内，其上下游侧连接退水钢管，退水钢管一端与阀井衔接，另一端穿过上下游渐变段边墙底部与堰井内沟通。

3 水能计算

电站规模取决于天津干线的来水过程，天津干渠供水设计流量为50 m3/s，加大流量为60 m3/s。根据供水以来的实测资料，2017年5月21日至2018年4月28日，干渠实际供水流量为14～46 m3/s。各流量时段统计结果如表1所列。

表1 天津干渠流量时段统计结果

由表1可知，天津干渠供水流量集中在16～20 m3/s和41～45 m3/s流量段，分别占年时间段的30.96%和27.67%。

根据近几个月实测水位资料统计，由保水堰上下游水位与流量关系，可计算出水轮机运行毛水头。计算结果如表2所列。

表2 保水堰上下游水位与流量关系

根据表2可知，水轮机运行毛水头范围为2.08～3.03 m。水轮机进出水流道为已建退水箱涵，箱涵断面尺寸1.4 m×1.4 m，考虑到输水系统阻力损失，包括沿程阻力损失及局部阻力损失，分别按下式计算。

（1）沿程阻力损失

式中，L为管道长度（m）；V为管道断面水流平均流速（m/s）；R为水力半径（m）；C为流速系数，；n为管道的糙率系数，n取值为0.014。

局部阻力损失

式中，hj为局部水头损失（m）；ξ为阻力系数；V为管道断面水流平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2），取g=9.81 m/s2。

局部阻力损失包括：箱涵进口、90°缓弯、流道进口、流道出口、伸缩节、检修阀，箱涵出口等。水轮机引用流量受过水断面尺寸影响，按照过流流速2～3 m/s考虑输水系统阻力损失及引用流量，进行水能计算。

水轮机出力为

式中，k为出力系数，取为7.5；Q为发电引用流量（m3/s）；H为上下游水位差（m）；H1为保水堰上游水位（m）；H2为保水堰下游水位（m）；

经计算，在2～3 m每个毛水头条件下，最优引用流量对应水轮机最大出力如表3所列。

4 装机情况

表3 不同水头下最大出力统计

（1）特征水头。根据水能计算成果，水轮机最大净水头2.02 m，最小净水头1.41 m，加权平均水头为1.74 m，考虑水位时间段及国内机组水头运行范围，额定水头暂定为1.8 m。

（2）装机容量。根据机组安装条件及运行工况，确定水轮发电机组台数为1台，为充分利用水头，并结合工程运行实际情况，采用装机容量70 kW水轮发电机较为适宜。

（3）机组结构。根据现有箱涵结构采用灯泡贯流式机组最为经济，整个发电系统包括水轮机、主轴、轴承和发电机都安装在一个灯泡形的水轮机外壳里面，仅有一条电缆引出，轴承润滑采用国际先进技术的水润滑，消除润滑油污染水源的风险。

（4）机组运行。机组监控可就近引入管理处中控室由值班人员一并监管，发电服从于输水设计，各项安全防护确保不会发生影响工程主体运行安全的事件发生。

5 结语

徐水管理处厂区距雄安新区市民服务中心直线距离19 km，根据雄安新区能源规划，未来雄安新区能源消费结构以清洁能源为主，对清洁电能的需要也会进一步加大。厂区设有315 kV箱式变电站一座，高压侧进线电压10 kV，低压出线400 V，在满足目前厂区用电负荷的基础上，如增加一台70 kW水轮发电机，该机组所发电力可在低压侧并网，在发电机组与箱式变电站间只需增加一条低压电缆，施工方便、成本低。所发电量除自用外，每年还能对外供应约35万kW的清洁电能。通过项目建设运营，不仅可以满足本厂区用电需求，降低工程的运行维护成本，还可以增加额外收入，对于促进工程运行管理的良性发展起到了积极作用。