(1.江蘇省淮河入海水道工程管理處，江蘇 淮安 223200；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

阜寧腰閘工程，2017年2月，經(jīng)江蘇省水利廳組織的安全鑒定，安全類別綜合評(píng)定為四類。為恢復(fù)阜寧腰閘設(shè)計(jì)功能，解決現(xiàn)存的防滲體系老化、安全度不足、地基基礎(chǔ)差、沉降量過大等問題，需對(duì)阜寧腰閘進(jìn)行原址拆除重建?？紤]到工程整體布置合理性和管理單位實(shí)際狀況，加之阜寧腰閘小水電站在2019年度長江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整治中被定性為“保留類”工程，在本次拆除重建中腰閘小水電站將予以保留?，F(xiàn)有的小水電站經(jīng)多年運(yùn)行，存在機(jī)組老舊損壞、發(fā)電效率常年較低等問題，需對(duì)小水電站機(jī)組進(jìn)行全面更新，重新選擇適合當(dāng)前水情調(diào)度原則和灌溉運(yùn)用制度的機(jī)組型號(hào)。

1 阜寧腰閘小水電站概況

阜寧腰閘位于江蘇省鹽城市阜寧縣陳集鎮(zhèn)境內(nèi)，是灌溉總渠第三級(jí)控制建筑物，主要功能為調(diào)節(jié)上下游水位、增加灌溉面積和發(fā)電。阜寧腰閘小水電站始建于1975年，原來僅有2臺(tái)100kW立式機(jī)組，1980年在左側(cè)空箱增加1臺(tái)75kW的立式機(jī)組，1999年在右側(cè)空箱又增加1臺(tái)機(jī)組。目前，阜寧腰閘小水電站配有4臺(tái)立式ZDHZD01-LM-120型水輪機(jī)，葉輪直徑為1.2m，額定轉(zhuǎn)速n=260r/min，額定流量Q=5.53m3/s，效率為74.1%，配套的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF125-8/650，單臺(tái)機(jī)組額定功率為125kW，總裝機(jī)容量為500kW。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2017年，阜寧腰閘小水電站利用上游來水適時(shí)發(fā)電，年平均發(fā)電量97.1萬kW·h，創(chuàng)造了一定的綠色經(jīng)濟(jì)效益。

2 阜寧腰閘小水電站發(fā)電水頭及水位組合確定

2.1 原有機(jī)組發(fā)電效率較低的原因分析

阜寧腰閘及小水電站原水位組合是按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安排的(見表1)。由于阜寧腰閘小水電機(jī)組位于阜寧腰閘兩側(cè)翼墻空箱內(nèi)，因此，阜寧腰閘小水電站上、下游水位與阜寧腰閘上、下游水位是一致的(見表2)。

表1 阜寧腰閘及小水電站原水位組合

表2 阜寧腰閘年運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)(2005—2017年)

根據(jù)表1中的設(shè)計(jì)工況，結(jié)合表2中阜寧腰閘小水電站實(shí)際運(yùn)行情況分析，可得出如下結(jié)論：阜寧腰閘小水電站上、下游水位差長期低于設(shè)計(jì)水頭，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行偏離高效區(qū)，繼而造成發(fā)電效率不高，因此，要合理更新阜寧腰閘小水電站機(jī)組，科學(xué)地確定小水電站的發(fā)電水頭和水位組合。

2.2 機(jī)組更新后的發(fā)電水頭確定

為使阜寧腰閘小水電站機(jī)組更新后，能在滿足工程調(diào)度運(yùn)行的情況下，盡可能多地利用上游來水發(fā)電，就需要合理地確定小水電站的發(fā)電水頭。本次阜寧腰閘小水電機(jī)組更新的目標(biāo)，是使機(jī)組在80%的運(yùn)行工況下在高效區(qū)內(nèi)發(fā)電，因此對(duì)2005—2017年阜寧腰閘流量資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得出供水保證率(見表3)。

表3 阜寧腰閘年平均流量及保證率統(tǒng)計(jì)

供水保證率是指在多年供水過程中，供水得到保證的年數(shù)占總年數(shù)的百分?jǐn)?shù)，常用下式計(jì)算：

式中P——供水保證率；

m——保證正常供水的年數(shù)；

n——供水總年數(shù)。

由于阜寧腰閘小水電機(jī)組位于阜寧腰閘兩側(cè)翼墻空箱內(nèi)，從整體布置上來看，腰閘小水電站是阜寧腰閘的一部分，且在實(shí)際調(diào)度運(yùn)用中，腰閘小水電經(jīng)常根據(jù)上級(jí)部門下達(dá)的調(diào)度指令和流量，與阜寧腰閘共同開啟使用，因此，由阜寧腰閘年均流量推出的供水保證率是適用于阜寧腰閘小水電的。

根據(jù)表3推導(dǎo)出的供水保證率，結(jié)合相關(guān)規(guī)范中對(duì)于無調(diào)節(jié)小水電站典型代表年份選取的規(guī)定，可選定2008年、2016年、2009年作為阜寧腰閘小水電站的豐水(P=21.4%)、平水(P=50%)、枯水(P=78.6%)代表年。根據(jù)阜寧腰閘2008年、2016年、2009年水文資料，可計(jì)算出阜寧腰閘典型代表年份的月平均水位差保證率(見表4)，繪制出月平均水位差保證率曲線(見圖1)。

表4 阜寧腰閘典型代表年份月平均水位及保證率統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

圖1 月平均水位差保證率曲線

由表4和圖1可查出：80%供水保證率下，月均上、下游水位差為2.75m，可作為滿足機(jī)組更新目標(biāo)要求的發(fā)電水頭。

2.3 機(jī)組更新后的水位組合確定

根據(jù)阜寧腰閘的設(shè)計(jì)功能，多數(shù)情況下阜寧腰閘投入調(diào)度運(yùn)用是由于下游農(nóng)業(yè)灌溉需要，因此，阜寧腰閘小水電站設(shè)計(jì)工況下的上游水位確定，比較符合工程實(shí)際調(diào)度運(yùn)用，是與阜寧腰閘灌溉水位保持一致的，即上游水位為5.50m，此時(shí)發(fā)電水頭為2.75m，下游水位由此可確定為2.75m。

對(duì)于校核工況下的水位組合，原先的小水電站校核工況下上游水位6.8m在近十幾年的調(diào)度運(yùn)用中鮮有達(dá)到。校核工況下上游水位確定過高，不僅對(duì)水電站的實(shí)際使用沒有太大意義，反而還會(huì)對(duì)機(jī)組選型造成不利干擾。因此，結(jié)合腰閘水電站代表年份上游月平均水位，可將校核工況下的上游水位選為6.00m。對(duì)于下游最低水位無明確規(guī)范要求，在日常運(yùn)行管理中常根據(jù)用水需求統(tǒng)籌選擇。與阜寧腰閘同屬阜寧樞紐且位于腰閘南側(cè)的阜寧船閘下游最低通航水位為1.80m，該水位可作為校核工況下腰閘小水電站的下游水位。

綜上所述，依據(jù)近十多年運(yùn)行情況，來確定腰閘水電站水位組合及發(fā)電水頭(見表5)。

表5 阜寧腰閘電站發(fā)電水位組合

3 阜寧腰閘小水電站機(jī)組選型

3.1 機(jī)組更新后的發(fā)電容量確定

根據(jù)基本資料，結(jié)合三個(gè)典型代表年份的月平均流量，計(jì)算阜寧腰閘小水電站的出力、保證率、持續(xù)時(shí)間、電能等技術(shù)參數(shù)(見表6、表7)。

表6 阜寧腰閘小水電站出力

續(xù)表

表7 腰閘小水電站出力保證率和發(fā)電量

根據(jù)表7，可以繪制出力保證率曲線、出力與年發(fā)電量關(guān)系曲線和裝機(jī)容量與年利用小時(shí)數(shù)關(guān)系曲線(見圖2～圖4)。

圖2 阜寧腰閘電站出力保證率曲線

圖3 阜寧腰閘電站出力與年發(fā)電量關(guān)系曲線

圖4 阜寧腰閘電站裝機(jī)容量與年利用小時(shí)數(shù)關(guān)系曲線

鑒于阜寧腰閘拆除重建后小水電站改造的期望設(shè)計(jì)流量為24m3/s，根據(jù)表3中阜寧腰閘2005—2017年流量資料，當(dāng)平均流量大于24m3/s時(shí)取通過小水電站的流量為24m3/s，則可計(jì)算得出阜寧腰閘小水電站的多年平均發(fā)電流量為18.6m3/s。再結(jié)合之前計(jì)算的阜寧腰閘小水電站多年平均上、下游水位差，則可計(jì)算出阜寧腰閘小水電站的保證出力為

根據(jù)表7中出力和保證率的關(guān)系，使用內(nèi)插法可計(jì)算出阜寧腰閘小水電站的設(shè)計(jì)保證率為43.62%，這樣的設(shè)計(jì)保證率對(duì)于裝機(jī)容量在當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)中比重遠(yuǎn)低于20%的阜寧腰閘小水電站而言，是完全滿足實(shí)際使用要求的。

小水電站的裝機(jī)容量可根據(jù)保證出力和年利用小時(shí)數(shù)來確定。根據(jù)表7中的有效裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)，結(jié)合實(shí)際調(diào)度運(yùn)用原則，可計(jì)算出其實(shí)際平均年利用小時(shí)數(shù)為4367h，根據(jù)表7中裝機(jī)容量和年利用小時(shí)數(shù)的關(guān)系，使用內(nèi)插法可求得阜寧腰閘適宜的裝機(jī)總?cè)萘繛?10kW。根據(jù)阜寧腰閘小水電站的工程特性，本次拆除重建中仍擬采用4臺(tái)套機(jī)組，單機(jī)出力為125kW，總裝機(jī)容量500kW。

3.2 水輪機(jī)選型

根據(jù)阜寧腰閘小水電站的工程特點(diǎn)，本次機(jī)組更新可選用的水輪機(jī)有立式軸流式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī)兩種。

兩種型式的水輪機(jī)均為常規(guī)型式，在小型水電站的應(yīng)用很廣泛，在機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造方面均具有成熟的技術(shù)，日常管理、維護(hù)也較為方便，均能滿足阜寧腰閘小電站的使用要求。但不同之處在于：立式軸流式機(jī)組立面方向尺寸較大，流道水力損失稍大；而貫流式機(jī)組立面尺寸較小，流道水力損失比立式略小。此外，考慮到阜寧腰閘作為總渠第三梯級(jí)建筑物導(dǎo)致的阜寧腰閘小水電站發(fā)電水頭普遍較低，相比之下，貫流式水輪機(jī)組是更適合的選擇。

貫流式水輪機(jī)型式主要有燈泡貫流式、豎井貫流式和軸伸貫流式等，豎井式和軸伸式主要用于中小容量機(jī)組，阜寧腰閘小水電站發(fā)電流量較小、機(jī)組容量不高，在本次機(jī)組更新中擬采用結(jié)構(gòu)、布置均較為簡單可行的軸伸式貫流機(jī)組。

根據(jù)阜寧腰閘小水電站的發(fā)電水頭及單機(jī)出力要求和現(xiàn)有模型轉(zhuǎn)輪資料，初定采用的水輪機(jī)型號(hào)為GD008，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為1300mm。水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線見圖5。

根據(jù)水輪機(jī)的水力特性，選定水輪機(jī)型號(hào)為GD008-WZ-130，轉(zhuǎn)輪直徑為1300m。依據(jù)圖5水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，考慮流道水力損失0.5m，在設(shè)計(jì)水頭下，選定的水輪機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=250r/min，額定流量Q=6.12m3/s，水輪機(jī)效率ηT=89%，水輪機(jī)額定出力Nr=145.3kW。

圖5 GD008水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)及齒輪箱選型

在確定了水輪機(jī)的型號(hào)及相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，可以由此選擇出配套的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF125-8/590，該發(fā)電機(jī)額定功率為125kW，額定轉(zhuǎn)速為750r/min，額定電壓為400V，發(fā)電機(jī)效率為92%，齒輪箱效率為98%，在平均水頭下的機(jī)組出力為131kW。水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)采用齒輪增速箱連接，齒輪箱增速比為3.0；水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)選用YWT型PLC微機(jī)調(diào)速器。阜寧腰閘小水電站機(jī)組更新后的的主要技術(shù)參數(shù)見表8。

表8 阜寧腰閘小水電站改造后的主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié) 語

小水電站工程在多年運(yùn)行中，隨著外部社會(huì)、自然、環(huán)境等因素的改變，工程功能會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而影響工程效益的正常發(fā)揮。作為工程管理單位，在具備條件時(shí)，應(yīng)對(duì)小水電站工程進(jìn)行科學(xué)合理的技術(shù)更新，使之能與今后較長一段時(shí)間的運(yùn)行工況相適應(yīng)，在地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮自身作用。