关于江苏省皂河闸小水电水轮机组选型的思考

吕　坤　杨春宝

关于江苏省皂河闸小水电水轮机组选型的思考

吕坤杨春宝

一、皂河闸小水电运行状况

皂河闸位于江苏省宿迁市宿豫区皂河镇北约2.5km处的中运河上，东与骆马湖南堤相连、西与皂河船闸东堤相连，与洋河滩闸和骆马湖南堤等组成骆马湖一线控制工程。主要设计效益有：控制中运河泄量，确保堤防安全，兼顾黄墩湖地区的排涝；调节闸上下游水位，保护航道及骆马湖一线大堤安全；引水灌溉下游农田；利用骆马湖弃水发电。为了充分利用水力资源，1972年皂河闸进行工程加固时，在闸的左右空箱岸墙内安装了4台套ZD760-LM-120型水轮机组，配套4 台TSN型100kW水轮发电机用于余水发电，总装机容量为400kW。经多年运行后，于1996年对发电机组进行了增容技术改造，单机容量由原来的100kW 提高为 160kW，总装机容量640kW，水轮机桨叶角度由10°增加到15°。由于工程老化严重，工程于2015年底拆除重建。

根据管理单位提供的皂河闸2006年、2007年、2010年典型年份的水文资料及南水北调骆马湖水资源论证分析，皂河梯级水位差（为皂河闸上下游水位差）比较小，具体见表1所示。在水位差约3.6m时，对应发生的流量17.6～200.0m3/s，此流量发生的保证率约39%～12.9%；水位差3.2m时，对应发生的流量约216～462m3/s，此流量发生的保证率约3%～0.7%。

皂河梯级现状皂河闸发电设计流量为20 m3/s，装机160kW4台，单机发电流量为5m3/s。根据骆马湖水位调度原则，工程设计实际发电水位组合及发电水头如表2所示。

二、水轮机选型

根据皂河闸小水电工程的规模、运行工况及使用特点，结合电站运行特征及布置的合理性，初步确定机组台数仍采用4台套，单机流量5m3/s。根据电站的工程特点，选用立式轴流式水轮机或贯流式水轮机组两种结构型式的方案进行比选。

1.方案一：立式轴流式

根据皂河闸小水电的流量和水头情况，以及现有模型转轮资料，适合的水轮机型号为ZD660-LH-120。

考虑水轮机转轮直径为1.2m，根据转轮在国内电站已经使用的经验，电站初定模型参数为：桨叶角度ψ=+24°，单位转速n1'=170r/min，单位流量 Q1'=1.637 m3/s，模型效率η=90.1%。考虑流道水力损失0.5m，在设计水位5.0m时，经计算水轮机真机参数为：额定转速n=300r/min，额定流量Q=5.0m3/s，水轮机效率ηT=92%，水轮机额定功率为Nr=203.1kW。取发电机效率η=92%，则发电机额定功率Ng=186.8kW，选择配套发电机型号为SF160-24/1180。

电站进出水流道及断流方式：采用混凝土蜗壳进水，进水口门采用闸门断流，尾水采用肘型管出水，出口设置一道检修闸门。

2.方案二：轴伸贯流式

贯流式水轮机组立面尺寸较小，机组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，皂河闸小水电发电流量较小，发电水头较低，拟采用结构和布置简单可行的轴伸式贯流机组。根据皂河闸小水电的流量和扬程要求，以及现有模型转轮资料，适合的水轮机型号为GD008-WZ-120。

表1　皂河梯级水能计算成果表

表3　原型机主要技术参数表

考虑水轮机转轮直径为1.2m，初定模型参数为：桨叶角度ψ=+9°，单位转速n1'=168r/min，单位流量Q1'=1.619m3/s，模型效率η=89%。考虑流道水力损失0.4m，在设计水位5.0m时，经计算水轮机真机参数为：额定转速n=300r/min，额定流量Q=5.0m3/s，水轮机效率ηT=92%，水轮机额定功率Nr=207.6kW。取发电机效率 η=92%，则发电机额定功率Ng=191.0kW，选择配套发电机型号为SF160-24/1180。

电站进出水流道及断流方式：采用直管式进水，口门采用闸门断流，尾水采用平直扩散管出水，出口设置一道检修闸门。

3.两方案综合比较

从上述两方案的性能参数来看，均能满足泵站设计要求，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。根据换算结果进行对比，在设计扬程工况下，两方案效率基本相同。

立式轴流机组为常规机组型式，在机组的设计、制造方面具有成熟的技术，运行可靠性较高，管理维护方便，管理单位亦有丰富的运行管理经验；而贯流式机组运行、管理、维护不如立式机组方便。

综上所述，立式轴流机组方案稍优，考虑工程原有机组型式即为立式机组，结合工程管理单位意见，根据比较结果，此次改造仍采用立式轴流式水轮机组型式，采用混凝土蜗壳进水，进水口门采用闸门断流，尾水采用肘型管出水，出口设置一道检修闸门。

站身主要结构尺寸：根据计算结果，对于工程来说，只需考虑流道进口的淹没即可保证进水流态不产生影响运行的涡流等不利状况。根据工程的运行特点，结合水工结构布置，拟定进水流道口淹没在设计水位下4.0m左右，水轮机组中心线高程为18.71m，尾水出口淹没在最低尾水位下0.7m左右。

原型机组主要技术参数如表3所示■

（作者单位：江苏省骆运水利工程管理处223800）