水闸闸孔潜水式水力发电站研究

问泽杭马晓忠莫岳平张友明（.江苏省洪泽湖水利工程管理处 洪泽 300 .扬州大学 扬州 5000）

水闸闸孔潜水式水力发电站研究

问泽杭1马晓忠1莫岳平2张友明1
（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处 洪泽 223100 2.扬州大学 扬州 225000）

为加强水资源和洪水控制，需兴建水闸，水闸的兴建形成了一定的水能资源。对于控制运用不频繁的水闸，可在水闸闸孔安装水轮机机组，使水闸形成的水能资源得到利用，从而增加水闸综合功能。该研究主要针对水闸闸孔特点，对建设水电站可行性进行了分析；开展了适合闸孔安装的水轮机的型式、发电机的选用、断流方式、节制闸控制运用时机组拆离等研究；研制了全贯流式潜水水轮机、异步发电机、无活动导叶的拍门式断流、水轮机耦合式安装等设备。

水闸 水电站 全贯流 潜水式

1 研究背景

1997年，江苏省淮沭新河管理处利用水闸闸孔安装船式水轮发电机进行发电。船式水轮发电机就是将水轮发电机组安装在船上，并将船固定在闸孔上，将闸孔作为引水建筑物，结构和固定水轮机相同，电站建成后取得了较好的经济效益。该方式的缺点是，需要建造载重量较大的水电船和相应钢结构，投资仍然偏大；在节制闸控制运用时，船机拆离较为困难，一定程度上影响水闸的控制运用，因此船式水轮发电机的推广受到一定的限制。为克服闸孔船式水轮发电机机组存在的问题，进一步减低工程投资，开展了闸孔式潜水发电研究。

2 闸孔潜水式水力发电站整体布置

闸孔潜水式水力发电站是在现有节制闸闸孔基础上兴建的，该项目研究的电站由进水浮箱检修门及断流设施、引水管道、潜水水轮发电机、尾水管等组成，见图1（此装置获得实用新型专利，证书号CN204151761U）。此次试验机安装在江苏省三河闸闸孔上，三河闸设计流量12000m3/s，共63孔，每孔宽度10m，上游正常蓄水位13.0m，相应下游水位7.5m，可利用发电水头在4.5～5.5m之间。

2.1 进水口及断流

水闸闸门有平板门和弧形门两种型式，对平板门可直接在闸门面板开孔，通过必要加强措施作为进水口，或在闸门设计时直接在闸门增加小拍门作为进水口。对弧形门，可以利用已有的上游检修门槽，放置浮箱检修门作为挡水建筑物，在最低一节专门制作一块长方形孔浮箱检修门，方孔作为进水口。在进水口设置拍门作为断流设施。该研究采后一种方式。

2.2 引水管道

引水管道由方变圆变形管、伸缩节、弯管等组成，引水管采用压力钢管制作。引水管面积按水轮机进水流量要求确定，为减少水力损失，管中平均流速一般控制在3m/s以内。此次试制机压力钢管采用直径为1200mm。

2.3 水轮发电机组

为便于节制闸在控制运用时拆离水轮机并减少土建投资，水轮发电机组采用全贯流潜水水轮发电机组，采用自耦装配式结构。潜水发电组因可以潜水运行，可直接放置在水闸消力池中。闸门上开孔通过管道引水至潜水式发电。为提高发电效率，在水轮发电机组末端设置尾水管。

3 设备选型及设计

3.1 水轮机组结构选用

图1 水轮机安装方案图

为取得较好的发电效率并结合工程特点，水轮机一般采用灯泡贯流式机组，但该类型水轮机对电机的密封要求高，同时为减小发电机的体积需配减速装置（变速箱），结构较为复杂。针对闸孔的现场条件，电站水轮机采用全贯流潜水水轮机装置。其原理是水轮机叶轮安装在电机的转子内腔，与转子形成一个整体，发电机转子布置在水轮机转轮的外缘，转子相当于水轮机的叶轮外壳。全贯流式水轮机的流道平直，水流可沿轴向一直流过导叶、转轮叶片和尾水管，使发电机的无效部分变成工作部分，工作室水流从转子内腔流过。该装置投资省、结构紧凑、安装方便、噪声低、散热好。当发电机布置在轮缘外时，转子飞轮力矩大，运行稳定。实际上这种机组的发电机转子和水轮机的转轮已经结合为一体，简化了水轮机组。为便于机组拆离和安装，采用潜水式水轮发电机组。因国内没有定型的潜水水轮机组，经过比选和研制，水轮机参数采用：机组型号GDJ735B-W-86；额定出力128 kW；额定转速394r/min；设计水头4.5m；设计流量3.19 m3/s；转轮直径0.86m；转轮角度+21.5°；导叶开度57°；飞逸转速1000r/min；水轮机效率0.88。水轮机结构见图2。

图2 全贯流式水轮机

3.2 发电机选型

大部分水电站发电机采用同步发电机。同步发电机需要复杂的励磁设备、并网设备、调整设备，且结构复杂。考虑采用水轮机功率不大，发电机采用湿式异步发电机。异步发电机结构简单、牢固，特别适合于高圆周速度电机。无集电环和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制。由于无转子励磁磁场不需要同期及电压调节装置，电站设备简化，负荷控制十分简单。一般情况下不需水轮机调速器，水轮机可全速运行或在锁定导叶开度下在一定转速范围内变速运行。异步发电机尽管可能出现功率摇摆现象，但无同步发电机类似的振荡和失步问题。并网操作简便，简化了水轮发电机操作。

发电机技术参数如下：额定电压400V，额定频率50Hz，额定电流181A，额定输出功率100kW，额定转速394r/min，功率因数0.8，发电机效率0.84。

3.3 断流方式及水量调节

因采用异步发电机，对并网没有过高的要求，导叶采用了固定型式，因此可以利用拍门作为断流设备。在节制闸检修门槽，专做一节专用闸门，并在闸门上开孔，加装拍门作为引水口门。机组发电时利用检修门起吊设备打开拍门，机组停机关闭拍门。在试验运行时，发现利用拍门作为调节发电机水量和断流装置，在断流时拍门的下落对浮箱检修门的撞击力过大，为保证安全，先在管道上加装排气孔，后加装一只蝶阀，用于水量的调节和断流，运行平稳。

3.4 节制闸启用和水轮发电机撤离

因利用节制闸孔作为水轮机进水口，在水轮机发电时直接影响闸门的运用。为快速由发电机状态转化为节制闸运用状态，在设计时考虑了水轮发电机的拆离。具体步骤为：当节制闸启用时，首先拆除连接专用节制闸浮箱检修门和水轮发电机之间的管道，然后拆除水轮发电机并吊出水，浮起浮箱检修门，恢复节制闸运行状态。

4 运行情况

4.1 相序调整和并网

为保证发电机的相序和电网一致，先进行了空载运行，为使异步电机获得励磁电流，进而建立电压，在定子绕组端点并接适当的2000微法电容器，利用电容器供给发电机励磁电流，从而使异步发电机建立起电压，并在气隙中产生旋转磁场。

按照异步发电机的特点，可以采取直接起动方式和准同期并网方式。为减低并网电流，并网采用准同期并网方式，通过先行打开进水蝶阀，使异步发电转速达到接近异步转速，然后将发电机接入电网，继续加大进水量，使发电机处于发电状态。经测试，并网电流为额定电流1.05倍左右。

4.2 运行情况

2015年6月，闸孔潜水发电机组投入了运行，经测试，在水头5.2m，发电机出力为80kW。机组运行电流200A，机组功率因素0.5，出水口实测机组流量为2.1m3/s，机组效率为65%左右。

从测试情况看，机组出力低于设计出力，主要原因是进水浮箱检修门开孔因土建结构限制小于原设计，相应管道直径由1400mm变为1200mm，减少过流面积17%。另外，尾水管采用玻璃钢制作，在运行时损坏，直接影响机组的运行效率。

5 工程投资和效益估算

该试验项目共投入经费59.6万元，其中潜水水轮发电机35.6万元（含研发费用），管道、检修门、蝶阀等投入24万元。每千瓦投入约0.75万元，远低于低扬程水电站投资。经水情分析，三河闸每年可发电4800h左右，试验水轮发电机年可发电48万度，年发电收入约17万元，5年基本可以收回投资。

6 结束语

对于不频繁运用的节制闸，利用闸孔安装潜水式水轮发电机组，可以大大降低水电站的建设投资，充分发挥水工建筑物的综合作用，将有广阔的推广前景和较好的经济效益