天津干線鄭村北保水堰余能發電研究

馬金全，邢志友，劉運才

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局徐水管理處，河北 保定072550）

1 研究目的

南水北調中線一期工程天津干線西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環河西區，全長155.352 km，沿線共設置有8座保水堰。保水堰是有壓箱涵段主要控制性建筑物。鄭村北保水堰位于南水北調中線一期工程天津干線樁號XW25+919.40處，位于徐水管理處廠區內。此處天津干渠共設置3孔流道，每孔流道上設置保水堰一座，兩側流道各連通1孔有壓箱涵作為退水箱涵。

天津干線供水以來，徐水管理處廠區負荷用電一直由外網供給，年平均用電繳費25萬元，春秋日常最大電負荷為20 kW，冬夏兩季日常最大負荷為55 kW，對廠區來說負荷較重，主要由地源熱泵系統供給。本文擬充分利用鄭村北保水堰上、下游水位落差進行發電，在現有保水堰右側退水箱涵上安裝1臺小型水輪發電機組，所發電量完全用于滿足廠區供電負荷要求，以達到降低管理處運行成本、節約資源的目的。

2 工程簡介

鄭村北保水堰全長94.0 m，起止樁號XW25+891.5～XW25+985.5，為有閘門堰井，由上游漸變段、堰井段、明槽段、下游漸變段4部分組成。為實現自流排水檢修，在堰井的左右兩側設旁通退水設施。退水設施由退水鋼管、連通閥井組成。退水鋼管直徑按檢修放空流量Q=5 m3/s確定為1.4 m，閥井凈尺寸為3.0 m×3.0 m，連通閥井設在堰井段兩側的場區內，其上下游側連接退水鋼管，退水鋼管一端與閥井銜接，另一端穿過上下游漸變段邊墻底部與堰井內溝通。

3 水能計算

電站規模取決于天津干線的來水過程，天津干渠供水設計流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。根據供水以來的實測資料，2017年5月21日至2018年4月28日，干渠實際供水流量為14～46 m3/s。各流量時段統計結果如表1所列。

表1 天津干渠流量時段統計結果

由表1可知，天津干渠供水流量集中在16～20 m3/s和41～45 m3/s流量段，分別占年時間段的30.96%和27.67%。

根據近幾個月實測水位資料統計，由保水堰上下游水位與流量關系，可計算出水輪機運行毛水頭。計算結果如表2所列。

表2 保水堰上下游水位與流量關系

根據表2可知，水輪機運行毛水頭范圍為2.08～3.03 m。水輪機進出水流道為已建退水箱涵，箱涵斷面尺寸1.4 m×1.4 m，考慮到輸水系統阻力損失，包括沿程阻力損失及局部阻力損失，分別按下式計算。

（1）沿程阻力損失

式中，L為管道長度（m）；V為管道斷面水流平均流速（m/s）；R為水力半徑（m）；C為流速系數，；n為管道的糙率系數，n取值為0.014。

局部阻力損失

式中，hj為局部水頭損失（m）；ξ為阻力系數；V為管道斷面水流平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2），取g=9.81 m/s2。

局部阻力損失包括：箱涵進口、90°緩彎、流道進口、流道出口、伸縮節、檢修閥，箱涵出口等。水輪機引用流量受過水斷面尺寸影響，按照過流流速2～3 m/s考慮輸水系統阻力損失及引用流量，進行水能計算。

水輪機出力為

式中，k為出力系數，取為7.5；Q為發電引用流量（m3/s）；H為上下游水位差（m）；H1為保水堰上游水位（m）；H2為保水堰下游水位（m）；

經計算，在2～3 m每個毛水頭條件下，最優引用流量對應水輪機最大出力如表3所列。

4 裝機情況

表3 不同水頭下最大出力統計

（1）特征水頭。根據水能計算成果，水輪機最大凈水頭2.02 m，最小凈水頭1.41 m，加權平均水頭為1.74 m，考慮水位時間段及國內機組水頭運行范圍，額定水頭暫定為1.8 m。

（2）裝機容量。根據機組安裝條件及運行工況，確定水輪發電機組臺數為1臺，為充分利用水頭，并結合工程運行實際情況，采用裝機容量70 kW水輪發電機較為適宜。

（3）機組結構。根據現有箱涵結構采用燈泡貫流式機組最為經濟，整個發電系統包括水輪機、主軸、軸承和發電機都安裝在一個燈泡形的水輪機外殼里面，僅有一條電纜引出，軸承潤滑采用國際先進技術的水潤滑，消除潤滑油污染水源的風險。

（4）機組運行。機組監控可就近引入管理處中控室由值班人員一并監管，發電服從于輸水設計，各項安全防護確保不會發生影響工程主體運行安全的事件發生。

5 結語

徐水管理處廠區距雄安新區市民服務中心直線距離19 km，根據雄安新區能源規劃，未來雄安新區能源消費結構以清潔能源為主，對清潔電能的需要也會進一步加大。廠區設有315 kV箱式變電站一座，高壓側進線電壓10 kV，低壓出線400 V，在滿足目前廠區用電負荷的基礎上，如增加一臺70 kW水輪發電機，該機組所發電力可在低壓側并網，在發電機組與箱式變電站間只需增加一條低壓電纜，施工方便、成本低。所發電量除自用外，每年還能對外供應約35萬kW的清潔電能。通過項目建設運營，不僅可以滿足本廠區用電需求，降低工程的運行維護成本，還可以增加額外收入，對于促進工程運行管理的良性發展起到了積極作用。