竖井贯流式机组在土贤庄水电站的应用

左燕霞　张乃瑾　于　红

(河北省石津灌区管理局，河北 石家庄　050051)



竖井贯流式机组在土贤庄水电站的应用

左燕霞张乃瑾于红

(河北省石津灌区管理局，河北 石家庄050051)

本文对竖井贯流式机组在土贤庄水电站的应用从装机容量计算、机组选型比较和装机方案确定等方面进行了分析比较，对整个电站的工程布置、机组运行和维护情况作了介绍，对机组运行维护中出现的增速器油温偏高、噪音过大等问题提出了解决措施，确保了电站的顺利安全发电。

竖井贯流式机组；装机方案；工程布置；运行；维护

1　电站概况

土贤庄水电站由河北省石津灌区管理局负责运行和管理，位于石家庄市土贤庄村的石津总干渠上，是石津灌区梯级开发建设的第三座水电站。电站主要功能为通过南水北调配套工程石津总干渠向沧州和衡水两市供水(以下简称“引江水”)以及由总干渠灌溉水在土贤庄跌水处形成的落差发电。工程主要由前池、进水闸、泄水闸、主厂房、副厂房、尾水闸、尾水池、升压站组成，总装机容量2×2000kW，多年平均年发电量1298.60万kW·h，工程规模为小(2)型，工程等别为V等，建筑物等级为5级，电站设计流量89.02m3/s。

2　装机方案

2.1装机容量计算

土贤庄水电站在进行装机容量确定时，充分考虑了石津灌区历年的灌溉水量和南水北调通水后的分配水量，按典型年法计算了灌溉水和南水北调来水量的叠加情况，考虑了引水渠首至电站区间的水量蒸发、渗漏等，实际应用流量经测算乘以0.95的系数；计算内容主要包括：多年平均年发电量、装机容量、多年平均利用小时数、加权平均水头及水能利用率等。

发电设计水头根据实际测量，电站上、下游总落差为5.63m，水头损失合计为0.13m，计算电站设计净水头为5.5m；发电用水量计算时根据频率分析的计算结果，选择与设计值相近、径流及其他资料较为完整、对电站未来运行较不利的年份作为典型年，经比较分析确定三个典型年的供水量均按平水年计算，为4.67亿m3，最终按典型年实际年径流与设计年径流的比值进行修正，得到不同保证率下的逐日流量和发电的日用水量；经电站日出力和年电能计算，得出土贤庄水电站水能计算成果，见表1[1]。

表1　水能计算成果

根据表1的水能计算成果，以75%年装机年利用小时数在3000h左右、多年平均装机年利用小时数在3300h左右为原则，最终确定装机容量宜在4000kW左右。

2.2机组选型比较

在机组选型时根据电站的装机容量和基本参数，考虑如何适应电站水头的不断变化情况，选用新型实用且具有高效转轮的水轮发电机组，同时综合考虑了不同型式水轮机的机组价格、土建工程量和运行维护成本。电站最大水头6.7m，设计水头5.5m，最低水头5.0m，根据其运行水头，初步选择对竖井贯流式机组、灯泡贯流式机组和轴伸贯流式机组进行了经济、技术比较。

灯泡贯流式机组，具有转轮直径小、体积小的特点，在设计和安装过程中要考虑把大体积的发电机放入尺寸很小的灯泡体内，存在着较大的困难，同时在后期的维护保养方面也存在诸多不便，而且工程造价和维护费用也相对较高。

轴伸贯流式机组，具有造型、结构布置相对简单，设计、安装和维护检修较方便的特点，在设计和安装过程中将增速器和发电机放在流道外；但轴伸贯流式机组的弯尾水管对水轮机运行过程中的整体性能影响较大，使机组的发电效率和出力明显降低。若要满足相同装机容量的发电要求，应采取措施来加大整个机组的规格尺寸，但同时机组的工程造价和土建工程量也将增加。

竖井贯流式机组，具有结构布置简单、安装维修方便、运行中水力条件好等特点，在设计和安装的过程中采用钢筋混凝土开敞竖井式结构，将水轮机和发电机沿水量方向分别布置于不同的开敞式竖井中，在水轮机经增速器增速后通过轴承与发电机相连，减小发电机尺寸。该机组安装布置在地面以下，工程占地面积较小，机组的工程造价相对较低，对发电机的要求也降低，机组运行的可靠性明显提高[2]。

2.3装机方案确定

在初步设计中，经过水能计算，土贤庄水电站装机容量宜在4000kW左右，据此选择了3个装机容量方案进行比较，各方案的机组性能基本参数见表2。

表2　机组性能参数比较

由表2中的数据综合分析，竖井贯流转桨式(手动转浆)单机流量从最大44.51m3/s 至最小12.71m3/s，当流量较大时水能利用率较高，高效率运行区域较宽，小流量时通过手动调节叶片角度，能充分利用引江水量输水发电。根据石津总干渠多年运行资料及管理经验，充分利用水力资源并考虑电站建成后发挥的最大经济效益，同时，考虑各机组的优缺点，最终选用竖井贯流转桨式机组。

另外，充分考虑小水电站根据装机容量，应尽量按规范要求选择同型号、同规格、同容量的两台机组，相应的安装和运行的性价比较高，也有利于备用备件的通用，节省维护保养费用。因为台数过多或过少都会存在弊端，若安装的台数少、单台功率较大，在运行的过程中会造成平均效率低，在来水量较少的情况下，机组无法正常发电，达不到额定出力，甚至只够空载损耗；若安装的台数过多，会造成建设过程中的工程投资增大，在今后的运行中，维护检修费用会偏高。最终，选择了采用2台2000kW的竖井贯流式水轮发电机组的方案Ⅰ作为土贤庄水电站的发电机组进行建设。

3　枢纽工程布置

土贤庄水电站布置在石津总干渠上，采用渠道引水式布置方式，电站所在的石津总干渠段位于石家庄市二环路上、下行车道之间，被二环路和新城大道高架桥所包围，总干渠北侧距离二环快速路约13.27m，南侧仅为4.43m，电站下游200m即为新城大道高架桥，故电站的布置位置相对狭窄，更不宜选用较大型的机组进行布置，选用竖井贯流式机组可以充分利用地下空间，节省工程量和投资。

电站的主要布置为地下主厂房、地上副厂房，2台机组并排布置在左侧，位于地面高程以上，上边预留进水闸和过水流道的位置，泄水闸位于工程的最右侧，主厂房内的发电机和水轮机沿水流方向分别布置在两个敞开式的竖井中，稀油站、接力器和调速器也布置在发电机的竖井内；副厂房分三层布置， 一、二层有中央控制室，高低压开关柜室，技术供水设施，启闭机室，空压机以及发电机励磁变压器等，三层主要为办公用房。

4　水轮机组的应用

4.1运行情况

土贤庄水电站自2013年3月17日—2015年5月6日，累计安全运行137天，安全生产无事故，累计发电540万kW·h，基本形成了一套适合该电站的运行管理模式，机组、水工建筑物等设备设置运行情况基本正常，水工建筑物稳定，无渗、漏水现象；闸门操作灵活，状况良好；通风、防潮、排水、消防、照明等设施完好；所有设备设施各项指标均基本达到设计和规范要求。

由于电站在建设安装过程中为了减少发电机尺寸和投资，选择竖井贯流式发电机组，而增速器作为一套变速装置机构是专门为竖井贯流式发电机组研究设计安装的，主要通过轴承安装在水轮机与发电机之间，由变速箱、润滑油箱及控制设备组成。在运行维护过程中，可能是由于油冷却器油质不干净、油冷却器不工作、输送的油和水太少以及冷却器未开启等原因造成机组存在着增速器油温较高现象，同时，由于增速器位于竖井内且一直在高转速和高负荷下工作运行，持续不断地产生较大噪音，运行环境较差，对运行人员的心理产生了一定的不良影响[3]。

4.2维护措施

土贤庄水电站在运行过程中也注重加强对机组的保养、检修和维护，出现问题能够做到及时处理，确保电站顺利安全运行。在维护过程中，采取清洁冷却器、检查进液管和冷却器、检查温度调节阀及设备控制系统等措施来降低油温，加大润滑油的流量并保持足够的压力，使供油充足，能充分达到对行星齿轮和轴套进行润滑的作用。尤其在机组长期运行过程中，尽量采取措施减少磨蚀，并使磨蚀出的金属粉末和片状物质能通过油回路及时排出，防止逐渐堆积造成润滑油出油通道和行星轮润滑油通道的进口堵塞，同时在出现堵塞后及时对夹杂的金属物进行清除和充分润滑，避免造成行星轮和轴套摩擦发热，最终被烧坏的更为严重的后果[4]。

另外，在增速器和发电机的竖井内采取吸音、隔音、降音等措施来改变噪音的传播途径和传播频率，达到降低噪音分贝值的效果，同时提高工作效率尽量减少运行人员在竖井内的工作时间，采取措施改善工作环境，给运行人员配备防护用具，降低噪声对运行人员的危害，保障运行人员的身心健康。

5　结　语

目前，竖井贯流式发电机组在我国小水电行业中的应用不是很广泛，还处于初期发展阶段，在机组的设计、制造、安装、运行、维护和管理方面都没有足够成熟的经验可借鉴，还存在着诸多的不足和问题需要在今后的应用中通过不断的探索来解决和完善。土贤庄水电站的竖井贯流式发电机组也是河北省第一座运行该类型机组发电的小水电站，无运行和管理经验可参考，更需要电站的运行人员在运行过程中逐渐摸索和掌握机组的运行性能和规律，多积累保养、检修和维护经验，确保电站的顺利运行。

[1]明时玉.野鸭河生态电站装机容量选择分析[J].中国水能及电气化，2003(12)：46-47.

[2]任柏青,孙媛媛.贯流式机组在河盘桥电站的应用[J].浙江水利科技，1999(2)：14-15.

[3]孙海波,赵伟,孟佳佳.新型水轮机的研究与开发[J].中国水能及电气化，2015，118(1)：42-44.

[4]杨平.竖井贯流式机组在小龙水电站中的应用及问题分析[J].四川水力发电，2011，30(5)：144-146.

Application of shaft bulb turbine unit in Tuxianzhuang Hydropower Station

ZUO Yanxia, ZHANG Naijin, YU Hong

(HebeiShijinIrrigationAreaAdministration,Shijiazhuang050051,China)

In the paper, the application of shaft bulb turbine unit in Tuxianzhuang Hydropower Station is analyzed and compared from the aspects of installed capacity calculation, unit model selection comparison and installed plan determination, etc. Project arrangement, unit operation and maintenance condition of the whole station are introduced. Solution measures are proposed for the problems in speed increasers, such as higher oil temperature, higher noise, etc., during unit operation maintenance. Smooth and safe power generation of the power station is ensured.

shaft turbine unit; installed plan; engineering arrangement; operation; maintenance

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.012

TV734.1

B

1673-8241(2016)04- 0045- 04