天津干線鄭村北保水堰余能發(fā)電研究

馬金全，邢志友，劉運(yùn)才

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)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(diào)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(huán)河西區(qū)，全長155.352 km，沿線共設(shè)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(diào)中線一期工程天津干線樁號(hào)XW25+919.40處，位于徐水管理處廠區(qū)內(nèi)。此處天津干渠共設(shè)置3孔流道，每孔流道上設(shè)置保水堰一座，兩側(cè)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(qū)負(fù)荷用電一直由外網(wǎng)供給，年平均用電繳費(fèi)25萬元，春秋日常最大電負(fù)荷為20 kW，冬夏兩季日常最大負(fù)荷為55 kW，對(duì)廠區(qū)來說負(fù)荷較重，主要由地源熱泵系統(tǒng)供給。本文擬充分利用鄭村北保水堰上、下游水位落差進(jìn)行發(fā)電，在現(xiàn)有保水堰右側(cè)退水箱涵上安裝1臺(tái)小型水輪發(fā)電機(jī)組，所發(fā)電量完全用于滿足廠區(qū)供電負(fù)荷要求，以達(dá)到降低管理處運(yùn)行成本、節(jié)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(hào)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(shí)現(xiàn)自流排水檢修，在堰井的左右兩側(cè)設(shè)旁通退水設(shè)施。退水設(shè)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(shè)在堰井段兩側(cè)的場(chǎng)區(qū)內(nèi)，其上下游側(cè)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(nèi)溝通。

3 水能計(jì)算

電站規(guī)模取決于天津干線的來水過程，天津干渠供水設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s。根據(jù)供水以來的實(shí)測(cè)資料，2017年5月21日至2018年4月28日，干渠實(shí)際供水流量為14～46 m3/s。各流量時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所列。

表1 天津干渠流量時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shí)間段的30.96%和27.67%。

根據(jù)近幾個(gè)月實(shí)測(cè)水位資料統(tǒng)計(jì)，由保水堰上下游水位與流量關(guān)系，可計(jì)算出水輪機(jī)運(yùn)行毛水頭。計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 保水堰上下游水位與流量關(guān)系

根據(jù)表2可知，水輪機(jī)運(yùn)行毛水頭范圍為2.08～3.03 m。水輪機(jī)進(jìn)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(tǒng)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(jì)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(shù)，；n為管道的糙率系數(shù)，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(shù)；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(jìn)口、90°緩彎、流道進(jìn)口、流道出口、伸縮節(jié)、檢修閥，箱涵出口等。水輪機(jī)引用流量受過水?dāng)嗝娉叽缬绊懀凑者^流流速2～3 m/s考慮輸水系統(tǒng)阻力損失及引用流量，進(jìn)行水能計(jì)算。

水輪機(jī)出力為

式中，k為出力系數(shù)，取為7.5；Q為發(fā)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(jīng)計(jì)算，在2～3 m每個(gè)毛水頭條件下，最優(yōu)引用流量對(duì)應(yīng)水輪機(jī)最大出力如表3所列。

4 裝機(jī)情況

表3 不同水頭下最大出力統(tǒng)計(jì)

（1）特征水頭。根據(jù)水能計(jì)算成果，水輪機(jī)最大凈水頭2.02 m，最小凈水頭1.41 m，加權(quán)平均水頭為1.74 m，考慮水位時(shí)間段及國內(nèi)機(jī)組水頭運(yùn)行范圍，額定水頭暫定為1.8 m。

（2）裝機(jī)容量。根據(jù)機(jī)組安裝條件及運(yùn)行工況，確定水輪發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)為1臺(tái)，為充分利用水頭，并結(jié)合工程運(yùn)行實(shí)際情況，采用裝機(jī)容量70 kW水輪發(fā)電機(jī)較為適宜。

（3）機(jī)組結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有箱涵結(jié)構(gòu)采用燈泡貫流式機(jī)組最為經(jīng)濟(jì)，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)包括水輪機(jī)、主軸、軸承和發(fā)電機(jī)都安裝在一個(gè)燈泡形的水輪機(jī)外殼里面，僅有一條電纜引出，軸承潤滑采用國際先進(jìn)技術(shù)的水潤滑，消除潤滑油污染水源的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）機(jī)組運(yùn)行。機(jī)組監(jiān)控可就近引入管理處中控室由值班人員一并監(jiān)管，發(fā)電服從于輸水設(shè)計(jì)，各項(xiàng)安全防護(hù)確保不會(huì)發(fā)生影響工程主體運(yùn)行安全的事件發(fā)生。

5 結(jié)語

徐水管理處廠區(qū)距雄安新區(qū)市民服務(wù)中心直線距離19 km，根據(jù)雄安新區(qū)能源規(guī)劃，未來雄安新區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以清潔能源為主，對(duì)清潔電能的需要也會(huì)進(jìn)一步加大。廠區(qū)設(shè)有315 kV箱式變電站一座，高壓側(cè)進(jìn)線電壓10 kV，低壓出線400 V，在滿足目前廠區(qū)用電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，如增加一臺(tái)70 kW水輪發(fā)電機(jī)，該機(jī)組所發(fā)電力可在低壓側(cè)并網(wǎng)，在發(fā)電機(jī)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(fā)電量除自用外，每年還能對(duì)外供應(yīng)約35萬kW的清潔電能。通過項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營，不僅可以滿足本廠區(qū)用電需求，降低工程的運(yùn)行維護(hù)成本，還可以增加額外收入，對(duì)于促進(jìn)工程運(yùn)行管理的良性發(fā)展起到了積極作用。