桑墟水電站發電效益分析研究

干小川 岳彬彬 馮良隊

一、引言

桑墟水電站位于沭陽縣桑墟鎮境內，與薔薇河地涵、沭新北船閘、沭新退水閘構成沭新河渠尾水利工程控制樞紐。上游連接沭新干渠，下游通入薔薇河，主要利用灌溉水發電。工程于1986年5月竣工，7月并網發電。后經改造，目前該站共安裝5臺葉輪直徑1.00m的立式軸流水輪機（ZDT03-LM-100），單機流量5m3/s，配套5臺同步發電機（SF125-20/990-W），單機功率125kW，總裝機容量為625kW。工程建成以來，為地方發展提供了低碳清潔能源，促進了當地經濟和社會的發展（見表1）。

表1 2007～2015年桑墟水電站發電量與發電收益統計表

二、改造后的效益分析

2010～2014年陸續對該站進行了更新改造，主要是更換了5臺發電機組、下游檢修閘門，更新了變壓器、高低壓開關柜和起重設備，新建了副廠房，增設了清污機等。

1.機組設備

改造后，水輪機型號由ZDJLM-100更換為ZDT03-LM-100，發電機型號由TSN-59/6-100G更換為SF125-20/990-W，額定功率由100 kW提高到125 kW。新機組用無刷勵磁系統替代了原機組的有刷勵磁系統，減少了更換碳刷等維護工作，方便了管理。另外新機組取消了增速箱而改為直聯方式，減小了增速箱的功率損耗和維護工作。

2.電氣設備

更換了原有老舊的高低壓開關柜等電氣設備，消除了安全隱患，提高了設備的安全可靠性。原機組采用機械并網方式，開機并網時，較為麻煩，且時間長，成功率不高；而新機組采用PTQ2008微機智能準同期控制器，能夠自動捕捉最佳并網時機，減少對網路的沖擊，快捷方便，省時省力。保護系統采用PLB-2型發電機綜合保護器，該設備體積小，結構緊湊，功能較全，參數設置方便，能安全可靠地對機組設備進行保護。勵磁系統采用WLT-1型無刷勵磁數字調節器，能夠智能跟蹤勵磁電壓、電流，進行實時調節。

3.金屬結構

電站上游為沭新河，河道內漂浮的雜物較多。改造前，該站在上游進水口門前設置攔污柵攔阻河內的水草、垃圾，采用人工清理方式，每次清理前為確保安全，機組必須停機，清理完成后再次開機。開停機較為頻繁，對機組設備壽命有一定影響。

2014年新增五臺回轉式清污機及配套清污機設備，每小時清污量可達10t，并可以不停機實現隨時打撈，減少了停機時間，提高了發電效益。

三、機組發電效益的影響因素分析

1.裝置效率分析

根據運行數據分析，選取典型數據：計算水頭4.0m，流量5m3/s，出力120 kW。

式中：P1—電站輸出功率（kw），取120kW；

P2—同一時段電站輸入功率（kW）；

Q—水輪機流量（m3/s），取 5m3/s；

Hst—上下游水頭差（m），取 4.0m；

ρ—取水水源密度 （kg/m3），取1000kg/m3。

那么：ηst=102×120/（1000×5×4.0）×100%=61.2%

由上述分析可知，在該水力條件下，發電裝置效率為61.2%。

該站的水頭損失主要在清污機、進水口、導葉、葉輪、出水口等處的局部水頭損失以及流道的沿程損失。

2.發電效益影響因素分析

該站發電效益的影響因素是多方面的，主要因素有上下游水頭差、上游可供發電的來水量、流態、安裝質量等，目前工程效益尚不能得到充分發揮。

（1）上下游水位對發電效益的影響

根據表2的運行統計數據，通過橫向比較桑墟水電站上、下游組合水位在6.9m和2.6m水位差在4.3m時5臺機組發電效率最高為120kW。當上、下游水位組合水位在6.48m和2.94m水位差在3.54m時發電效率最低。比較發現，上、下游水位差在3.3m至3.5m時綜合發電效率較低，在3.8～4.3m時綜合效率較高。一般情況下，下游水位在2.5m以下（不宜低于2.2m），上游水位在6.5m以上均能獲得較高的發電效率。

桑墟水電站是利用灌溉水進行發電的綜合利用工程，在沭新河渠尾水利工程控制樞紐中處于從屬地位。在實際運用中，上下游水位組合常常達不到設計要求，水位差保證率達不到要求，長期處于低功率、低效率運行工況。

上游沭新河水位，受沭新閘控制，因來水量等方面限制，往往也不能達到6.5m以上的要求。受樞紐工程聯合運行的影響，沭新河從沭新閘到電站上游約為28km，在大流量放水時，流速大，沿程水頭損失較大，沭新閘至電站上游水位落差大，導致電站上游水位低。冬季需水量較少時，在薔薇河地涵5～10m3/s流量時，沿程水位落差約為0.2～0.4m；夏季大用水季節，薔薇河地涵流量15m3/s以上時，加之沿途取水口流量增加，沿程水位落差約為0.5～1.2m，而沭新閘下游水位正常控制不超過7.3m。因此，上游水位長期達不到設計要求。控制樞紐聯合運行時，上游河道沿程水頭損失的對電站水位的影響（見表3）。

綜上，桑墟水電站上下游水位長期達不到設計要求，常常運行在低負荷區、低效區，是影響發電效益的主要因素之一。

（2）上游來流量對發電效益的影響

受淮河入湖流量及洪澤湖蓄水保水等水資源控制的影響，桑墟水電站沒有充足的發電流量，機組不能全部開機，甚至長期處于全部停機狀態。特別是在上半年，據統計，2015年上半年停機78天，全年停機138天，2016年上半年停機86天。有時即使開機，也只能開2到3臺，低負荷運行。因為該站是利用灌溉用水發電，在薔薇河不需要用水時，桑墟水電站無水發電。

（3）機組流態對發電效率的影響

表2 桑墟水電站發電功率與水位差關系統計表（2015年1～6月）

表3 沭新河渠尾水利工程控制樞紐聯合運用對電站上游水位的影響（2015年）

通過對表1縱向比較發現，在同水位的情況下1至5號機組之間發電效率存在明顯的差異，其中3、4號機組發電效率相對較高，1、2、5號機組發電效率相對較低，經分析機組進水流態和機組的發電效率有一定對應關系。

桑墟水電站進水口屬于開敞式進水口，進水流道有自由水面，且水面以上凈空與外界空氣保持貫通。受河道水流趨勢因素影響，桑墟水電站進水口兩邊為圓弧型，流速不均勻。其中1、2、5號機組因在兩側存在偏流現象，流態不好，發電效率低。3、4號機組在中間，流態較好，發電效率較高。

（4）機組自身對發電效益的影響

①機組選型方面。該站為小型機組且為低水頭發電，如采用臥式機組可能效率要更好些。在其他水電站中，采用臥式結構的機組比采用立式結構的機組發電效率要高。

②流道與機組的配套方面。改造后，機組的型號發生了變化，而流道等土建設施沒有隨之作出相應的改變，安裝時僅對流道局部進行鑿除，改變了其原有的水力特性，流道內的流態發生了不利變化。

③安裝方面。桑墟水電站1、2、3號機組經常導葉開不到位，導葉開度不足，過流量減小，導致發電功率降低。

四、幾點建議

（1）在服從上級調度指令、保證薔薇河地涵向連云港供水的前提下，綜合考慮樞紐整體效益的發揮，盡量兼顧桑墟水電站的發電和船閘通航，聯系相關部門，調整上下游水位及流量，達到或接近電站發電所需水位、流量要求。

（2）加強值班巡視，發現故障苗頭及時處理，保證電站安全運行。利用電站停機的時機，加強檢查、養護、維修，必要時可在枯水季節進行大修，消除安全隱患。

（3）對清污機前的水草等及時進行清理，減少水頭損失，增加發電出力。

（4）在以后更新改造前，建議在流道設計與機組選型方面，做模型試驗，確定相關參數后進行整體設計