浅析阜宁腰闸小水电站机组更新选型

(1.江苏省淮河入海水道工程管理处，江苏 淮安 223200；2.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200)

阜宁腰闸工程，2017年2月，经江苏省水利厅组织的安全鉴定，安全类别综合评定为四类。为恢复阜宁腰闸设计功能，解决现存的防渗体系老化、安全度不足、地基基础差、沉降量过大等问题，需对阜宁腰闸进行原址拆除重建。考虑到工程整体布置合理性和管理单位实际状况，加之阜宁腰闸小水电站在2019年度长江经济带小水电清理整治中被定性为“保留类”工程，在本次拆除重建中腰闸小水电站将予以保留。现有的小水电站经多年运行，存在机组老旧损坏、发电效率常年较低等问题，需对小水电站机组进行全面更新，重新选择适合当前水情调度原则和灌溉运用制度的机组型号。

1 阜宁腰闸小水电站概况

阜宁腰闸位于江苏省盐城市阜宁县陈集镇境内，是灌溉总渠第三级控制建筑物，主要功能为调节上下游水位、增加灌溉面积和发电。阜宁腰闸小水电站始建于1975年，原来仅有2台100kW立式机组，1980年在左侧空箱增加1台75kW的立式机组，1999年在右侧空箱又增加1台机组。目前，阜宁腰闸小水电站配有4台立式ZDHZD01-LM-120型水轮机，叶轮直径为1.2m，额定转速n=260r/min，额定流量Q=5.53m3/s，效率为74.1%，配套的发电机型号为SF125-8/650，单台机组额定功率为125kW，总装机容量为500kW。

据统计，2001—2017年，阜宁腰闸小水电站利用上游来水适时发电，年平均发电量97.1万kW·h，创造了一定的绿色经济效益。

2 阜宁腰闸小水电站发电水头及水位组合确定

2.1 原有机组发电效率较低的原因分析

阜宁腰闸及小水电站原水位组合是按照设计要求进行安排的(见表1)。由于阜宁腰闸小水电机组位于阜宁腰闸两侧翼墙空箱内，因此，阜宁腰闸小水电站上、下游水位与阜宁腰闸上、下游水位是一致的(见表2)。

表1 阜宁腰闸及小水电站原水位组合

表2 阜宁腰闸年运行情况统计(2005—2017年)

根据表1中的设计工况，结合表2中阜宁腰闸小水电站实际运行情况分析，可得出如下结论：阜宁腰闸小水电站上、下游水位差长期低于设计水头，从而导致机组运行偏离高效区，继而造成发电效率不高，因此，要合理更新阜宁腰闸小水电站机组，科学地确定小水电站的发电水头和水位组合。

2.2 机组更新后的发电水头确定

为使阜宁腰闸小水电站机组更新后，能在满足工程调度运行的情况下，尽可能多地利用上游来水发电，就需要合理地确定小水电站的发电水头。本次阜宁腰闸小水电机组更新的目标，是使机组在80%的运行工况下在高效区内发电，因此对2005—2017年阜宁腰闸流量资料进行了统计分析，计算得出供水保证率(见表3)。

表3 阜宁腰闸年平均流量及保证率统计

供水保证率是指在多年供水过程中，供水得到保证的年数占总年数的百分数，常用下式计算：

式中P——供水保证率；

m——保证正常供水的年数；

n——供水总年数。

由于阜宁腰闸小水电机组位于阜宁腰闸两侧翼墙空箱内，从整体布置上来看，腰闸小水电站是阜宁腰闸的一部分，且在实际调度运用中，腰闸小水电经常根据上级部门下达的调度指令和流量，与阜宁腰闸共同开启使用，因此，由阜宁腰闸年均流量推出的供水保证率是适用于阜宁腰闸小水电的。

根据表3推导出的供水保证率，结合相关规范中对于无调节小水电站典型代表年份选取的规定，可选定2008年、2016年、2009年作为阜宁腰闸小水电站的丰水(P=21.4%)、平水(P=50%)、枯水(P=78.6%)代表年。根据阜宁腰闸2008年、2016年、2009年水文资料，可计算出阜宁腰闸典型代表年份的月平均水位差保证率(见表4)，绘制出月平均水位差保证率曲线(见图1)。

表4 阜宁腰闸典型代表年份月平均水位及保证率统计

续表

图1 月平均水位差保证率曲线

由表4和图1可查出：80%供水保证率下，月均上、下游水位差为2.75m，可作为满足机组更新目标要求的发电水头。

2.3 机组更新后的水位组合确定

根据阜宁腰闸的设计功能，多数情况下阜宁腰闸投入调度运用是由于下游农业灌溉需要，因此，阜宁腰闸小水电站设计工况下的上游水位确定，比较符合工程实际调度运用，是与阜宁腰闸灌溉水位保持一致的，即上游水位为5.50m，此时发电水头为2.75m，下游水位由此可确定为2.75m。

对于校核工况下的水位组合，原先的小水电站校核工况下上游水位6.8m在近十几年的调度运用中鲜有达到。校核工况下上游水位确定过高，不仅对水电站的实际使用没有太大意义，反而还会对机组选型造成不利干扰。因此，结合腰闸水电站代表年份上游月平均水位，可将校核工况下的上游水位选为6.00m。对于下游最低水位无明确规范要求，在日常运行管理中常根据用水需求统筹选择。与阜宁腰闸同属阜宁枢纽且位于腰闸南侧的阜宁船闸下游最低通航水位为1.80m，该水位可作为校核工况下腰闸小水电站的下游水位。

综上所述，依据近十多年运行情况，来确定腰闸水电站水位组合及发电水头(见表5)。

表5 阜宁腰闸电站发电水位组合

3 阜宁腰闸小水电站机组选型

3.1 机组更新后的发电容量确定

根据基本资料，结合三个典型代表年份的月平均流量，计算阜宁腰闸小水电站的出力、保证率、持续时间、电能等技术参数(见表6、表7)。

表6 阜宁腰闸小水电站出力

续表

表7 腰闸小水电站出力保证率和发电量

根据表7，可以绘制出力保证率曲线、出力与年发电量关系曲线和装机容量与年利用小时数关系曲线(见图2～图4)。

图2 阜宁腰闸电站出力保证率曲线

图3 阜宁腰闸电站出力与年发电量关系曲线

图4 阜宁腰闸电站装机容量与年利用小时数关系曲线

鉴于阜宁腰闸拆除重建后小水电站改造的期望设计流量为24m3/s，根据表3中阜宁腰闸2005—2017年流量资料，当平均流量大于24m3/s时取通过小水电站的流量为24m3/s，则可计算得出阜宁腰闸小水电站的多年平均发电流量为18.6m3/s。再结合之前计算的阜宁腰闸小水电站多年平均上、下游水位差，则可计算出阜宁腰闸小水电站的保证出力为

根据表7中出力和保证率的关系，使用内插法可计算出阜宁腰闸小水电站的设计保证率为43.62%，这样的设计保证率对于装机容量在当地电力系统中比重远低于20%的阜宁腰闸小水电站而言，是完全满足实际使用要求的。

小水电站的装机容量可根据保证出力和年利用小时数来确定。根据表7中的有效装机年利用小时数，结合实际调度运用原则，可计算出其实际平均年利用小时数为4367h，根据表7中装机容量和年利用小时数的关系，使用内插法可求得阜宁腰闸适宜的装机总容量为510kW。根据阜宁腰闸小水电站的工程特性，本次拆除重建中仍拟采用4台套机组，单机出力为125kW，总装机容量500kW。

3.2 水轮机选型

根据阜宁腰闸小水电站的工程特点，本次机组更新可选用的水轮机有立式轴流式水轮机和贯流式水轮机两种。

两种型式的水轮机均为常规型式，在小型水电站的应用很广泛，在机组的设计、制造方面均具有成熟的技术，日常管理、维护也较为方便，均能满足阜宁腰闸小电站的使用要求。但不同之处在于：立式轴流式机组立面方向尺寸较大，流道水力损失稍大；而贯流式机组立面尺寸较小，流道水力损失比立式略小。此外，考虑到阜宁腰闸作为总渠第三梯级建筑物导致的阜宁腰闸小水电站发电水头普遍较低，相比之下，贯流式水轮机组是更适合的选择。

贯流式水轮机型式主要有灯泡贯流式、竖井贯流式和轴伸贯流式等，竖井式和轴伸式主要用于中小容量机组，阜宁腰闸小水电站发电流量较小、机组容量不高，在本次机组更新中拟采用结构、布置均较为简单可行的轴伸式贯流机组。

根据阜宁腰闸小水电站的发电水头及单机出力要求和现有模型转轮资料，初定采用的水轮机型号为GD008，水轮机转轮直径为1300mm。水轮机模型转轮综合特性曲线见图5。

根据水轮机的水力特性，选定水轮机型号为GD008-WZ-130，转轮直径为1300m。依据图5水轮机模型转轮综合特性曲线，考虑流道水力损失0.5m，在设计水头下，选定的水轮机参数为：额定转速n=250r/min，额定流量Q=6.12m3/s，水轮机效率ηT=89%，水轮机额定出力Nr=145.3kW。

图5 GD008水轮机模型转轮综合特性曲线

3.3 发动机及齿轮箱选型

在确定了水轮机的型号及相关技术参数后，可以由此选择出配套的发电机型号为SF125-8/590，该发电机额定功率为125kW，额定转速为750r/min，额定电压为400V，发电机效率为92%，齿轮箱效率为98%，在平均水头下的机组出力为131kW。水轮机与发电机采用齿轮增速箱连接，齿轮箱增速比为3.0；水轮机调速系统选用YWT型PLC微机调速器。阜宁腰闸小水电站机组更新后的的主要技术参数见表8。

表8 阜宁腰闸小水电站改造后的主要技术参数

4 结 语

小水电站工程在多年运行中，随着外部社会、自然、环境等因素的改变，工程功能会相应产生变化，从而影响工程效益的正常发挥。作为工程管理单位，在具备条件时，应对小水电站工程进行科学合理的技术更新，使之能与今后较长一段时间的运行工况相适应，在地方社会经济发展中发挥自身作用。