孙吴县城市供水管线加装水轮发电机组的可行性分析

张启海

( 孙吴县二门山水库管理处，黑龙江 孙吴164200)

二门山水库位于黑龙江省孙吴县境内的逊别拉河上游，距孙吴县城32 km。二门山水库为逊别拉河干流上规划的唯一一座控制型水库工程。为孙吴县城供水是二门山水库除防洪、发电、灌溉外的一项主要功能。二门山水库的建成，大大提高了孙吴县城居民的饮水质量。

二门山电站建成后，每年冬季停机近7个月，厂区取暖和生活区用电要由国家电网供应，其电费支出每年要达到近30 万人民币，如考虑今后电费涨价因素，则每年的电费支出将会更高。

二门山水库供水管道由两条管线构成，一条管线供给孙吴县城居民生活用水，另一条管线供给孙吴县工业园区工业及生活用水。

供水管道安装高程为253.7 m。其冬季水头9.6～15.6 m，两根直径500 mm的供水钢管，其过流量分别可达0.5 ～0.8 m3/s。每一条管线日供水量达2 ～3 万m3。如果总供水量每日达到5 万m3用于发电，其发电量完全可以满足二门山电站冬季取暖用电及生活区用电需求。

现供水管线只做城市供水之用，为了充分利用水资源，在供水管道供水过程中发电，基本没有运行费用支出，做到了即供水又发电，达到节能增效综合利用的目的，提高了经济利益。

取设计水头为13.5 m，可安装两台30 ～50 kW的发电机组。如每天供水量达 5 万m3，发电48 kW/h，即可发电1 152 kW/d以上。

二门山电站每年停机按210 d计算，供水发电量可达24.2 万kW。完全能够满足二门山电站冬季用电需求。

利用供水发电即充分利用了水资源，又解决了二门山电站厂区及生活区域的冬季取暖用电和生活用电，节省了冬季用电费用的支出。在夏季丰水期可发电并入国家电网，减少了弃水，增加了上网发电量。因此，利用供水管道发电是可行的［1－3］。

1 机械方面

具体包括2个方面:

1.1 工程总布置及建筑物型式

在电站厂房( 管道阀门室) 水轮发电机组单机布置为0.6 m宽，3.0 m长，两台机组设备布置要求为最大3 m宽×4 m长。现有供水管道阀门井室为6.4 m宽×9.0 m长，在管道阀门室里面安装两套型号适合的水轮发电机组及其附属设备是完全可行的［4］。

1.2 水轮机型式的选择

本电站供水厂管道阀门室位于地下，根据现有的空间改造加装水轮机组，机组的选型十分关键。

首先要满足现有空间场地的要求，在尽量少的破坏原有土建工程的前提下，选择适合的机型［5］。

管道阀门室的宽度很小，但轴向空间还是很充足，根据现有厂房条件，首先考虑适合的机组形式为贯流式。而且本水电站的水头9.6 ～15.6 m，适合此水头范围水轮机的类型有贯流式和轴流式［6］。

贯流式水轮机与轴流式水轮机比较，具有水力损失小、尾水管恢复性能好、水力效率高等优势，具有比轴流式水轮机更优良的能量特性，贯流式水轮机空化性能和运行稳定性也优于轴流式水轮机。

贯流式水轮发电机组结构紧凑，布置简洁，涉及的土建工程量较小，可节省土建投资。根据《水力发电厂机电设计规范》最大水头20 m及以下的径流式水电厂宜优先选用贯流式水轮机。根据本电站实际情况，选择贯流式水轮机。

轴伸贯流式水轮机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，土建工程量小，发电机敞开布置，易于检修、运行和维护。但机组由于采用直急弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大，将给运行检修带来不方便。因此一般只用于小型机组，对于供水厂而言此型机组最为适合。

水轮机采用轴伸贯流卧式机组，由固定导叶引水进入转轮，气蚀低，效率高、震动轻，运行稳定。采用502 型转轮，在适合的水头下运行，机组效率可达92.3%。

同时考虑到供水管线由于各种可能的原因导致下游突然管阀，反冲击的浪涌将会对水轮机产生极大破坏的反向水推力。决定在下游尾水管道上加装爆破阀，以确保机组的安全运行，提高可靠性。采用弹性联轴器直联发电机，发电机采用三相交流同步发电机，励磁采用三次谐波励磁，在定子铁芯上除了主绕组外，另有一套谐波绕组，经过三相桥式硅整流后通入磁场绕组进行励磁，励磁装置具有自激恒压性能和直接启动0.7 倍容量发电机的能力。“假负荷”采用三组电热负荷，既保证了频率稳定性，又保证了交流电压波形畸变小。

当用户负载线路短路、过流过压、后备“假负荷”自动投入，防止机组飞车，保护机组及用电设备的安全，真正做到无人值班值守。机组运行在不同水头和出力时所需流量见表1。

表1 机组运行在不同水头和出力时所需流量一览表m3/s

由表1 可见，根据负荷量的要求，通过调速装置和阀门控制流量的大小，随时调节发电量的多少，以满足供暖及生活用电量的需求。

2 电气方面

2.1 接入方式

供水管道发电采用两台STC50 水轮发电机，单机容量为50 kW，机端电压为400 V。

冬季发电水头为13.5 m，发电机出力为30 kW直接接入用电负荷，输出电压频率由装于控制柜内的电子调节器自动控制，多余的电由“假负荷”平衡，保证电压、频率稳定在一定范围，不需人员全日看守。

夏季丰水期时，发电机出力可达到50 kW，直接并入国家电网，持续创造经济效益。

2.2 电气主接线

在丰水期机组所发的电经一台变压器S11—125/10，10.5 ± 2 × 2.5% /0.4kv，D，Yn11 升压至10.5 kV并接于二门山电站的一台双绕组变压器低压侧的单母线上，经该变压器升压至35 kV，送至孙吴变电所进入国网。

3 环境影响评价

目前利用城市供水管道发电在全国已经很普及，既充分利用了水资源，又解决了部分用电的需求，做到了合理利用和开发。

水力发电是由水通过水轮机使转轮转动带动发电机转动发电，水轮机转轮使用的材质与供水钢管及阀门的材质是相同的。水轮机运行是由水来推动，没有任何其他介质，不使用任何油剂，对水没有任何污染，因此对环境对水质没有任何影响。［7］

4 综合经济评价

本项目是在二门山水库及供水管道建成的基础上、充分利用了现有条件( 如大坝、厂房、引水钢管、溢流坝等) 的优势来建设的，在土地、土建施工和建筑物等方面节省了大量投资。

目前，在水工和土建施工方面的工作量很少，极大的缩短了电站的建设周期，同时也减少了投资量。本项目预计在开工后6个月内即可建成发电。［8］

供水发电主要是考虑解决二门山电站及周围生活区冬季取暖及生活用电问题。因为用电负荷不足60 kW/h，在水轮机选型时，额定水头运行水轮机最优工况单机出力选定30 kW。在夏季水轮机最大出力可达到52.4 kW，发电机出力单机选定为50 kW。实际上两台机装机总容量为100 kW。

本电站建成发电后，每年冬季发电量可达30 万kW·h，可节省电费近36 万元人民币;在夏季发电可并入国家电网，预计可发电36 万kW·h，可实现发电收入16 万元人民币; 全年可实现经济效益52 万元人民币。3 a即可收回投资成本，年投资回报率达33%以上，说明本项目经济效益是可观的。

5 结 语

从生态环境和社会效益上看，小水电的发展能够改善农村能源结构，促进退耕还林、天然林保护、保护生态、保护环境，具有显著的生态效益和社会效益。

综上所述，本项目技术上是可行的，投资结构是合理的，投资回报率高，经济效益是可观的。建设期在6个月之内，可实现当年建设、当年发电，具有较好的开发价值。

［1］中华人民共和国建设部. GB50071—2002 小型水力发电站设计规范［S］. 北京: 中国计划出版社，2002.

［2］福建省水利水电勘测设计研究院. SL229—2000小型水力发电站自动化设计规定［S］. 北京: 中国水利水电出版社，2000.

［3］中华人民共和国发改委. DL/T5186—2004 水力发电厂机电设计规范［S］. 中国电力出版社，2004.

［4］高磊，孙忠园. 对青龙山水库水轮发电机组选型的分析［J］. 黑龙江水利科技，2008，36(1) :59.

［5］张启海，吴云波. 乌宋岗水电站水轮发电机组进相运行的几点体会［J］. 黑龙江水利科技，2008，36(5) :45.

［6］周启萍，贾延通. 宝山电厂水轮发电机组大修中的技术改造［J］. 黑龙江水利科技，2009，37(6) :47.

［7］康利君. 规划环境影响评价若干问题的探讨［D］. 天津:天津大学，2009.

［8］王洪梅. 水电开发对河流生态系统服务及人类福利综合影响评价［D］. 成都: 中国科学院研究生院成都山地灾害与环境研究所，2007.