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（1.泸州川一船运有限公司，四川 泸州 646000；2.泸州建中混凝土有限公司，四川 泸州 646000；3.泸州职业技术学院，四川 泸州 646005）
【摘 要】我国西南地区水能资源丰富，文章基于西南地区超低水头的河流现状，结合泸州市区内长江和沱江流域河段的实测水文资料，根据水车式发电船在超低水头河段的发电原理，分析关键技术问题，研究水车式发电船的可行性，以期进一步开发和利用江河流域的水能资源。
【关键词】水车；发电船；技术问题；可行性分析
【中图分类号】TM31 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）05-0058-03
1 研究背景
我国古代就有水车水磨等利用水体动能工作的机械，但由于其模较小，使得这项技术没有被现代文明所发扬光大[1]。目前，大家所熟知的水力发电方式就是通过拦河筑坝，而这种方式建设投资大、周期长、占地多，还有可能带来不可预见的灾害[2]，且并非所有河流或同一河流不同河段都适合筑坝发电。因此，我国丰富的水能资源没有得到充分的利用，造成了资源浪费[3]。
我国西南地区水能资源丰富，四川省仅泸州市就有长江、沱江、永宁河、赤水河、濑溪河、龙溪河等交织成网，其中沱江干流于泸州汇入长江。境内长江航道有133 km，入境水量为2 420.8亿m3，出境水量为2 945.6亿m3。航道内的江河流量大，但几乎没有水头，因此如何利用航道的丰富水能资源发电是本文研究的主要内容。
为了更好地了解泸州市流域的流速、流量情况，本研究对距离泸州不远的长江上游的朱沱（三）水文站及沱江的李家湾水文站历年实测水文数据进行了统计和分析[4]。
表1为1983—1987年长江朱沱（三）站流量统计表，图1为1983—1987年长江朱沱（三）站流速统计图。
从流量统计表可以看出，1983—1987年，该河段6—10月流量较大，大部分均在10 000 m3/s以上，其余月份月平均流量在2 000～7 000 m3/s。年平均流量在7 500～9 500 m3/s，年最大流量除1983年为28 600 m3/s以外，其余均在30 000 m3/s以上。说明该河段流量较大，水流资源非常丰富。
从图1可知，1983—1987年间，该河段流速相对集中于2～3 m/s，小部分大于3 m/s，该河段整体流速相对稳定。
表2为1983—1987年沱江李家湾站流量统计表，图2为1983—1987年沱江李家湾站流速统计图。
从表2可以看出，1983—1987年，该河段流量与长江朱沱（三）站所测流量分布类似，每年6—10月月平均流量较大，最大达到2 080 m3/s，其余月份中的大部分流量都在100 m3/s以下。年平均流量在250～500 m3/s，年最大流量在4 000～8 500 m3/s。
从图2可知，1983—1987年，该河段流速主要集中于1 m/s以下，最大流速不超过3 m/s，流速较小但稳定。
2 设计原理
根据河流航道的水流特点，流速稳定但几乎没有水头，要利用水流资源发电主要是利用水流的动能，设计的水车式发电船其原理如图3所示。
水车式发电船的基本构造为水车、发电机和船体，发电原理是在水车的叶轮上安装多个叶片，利用河道中的水流冲击叶片，带动叶轮转动做功，将水体动能转化为机械能；同时，叶轮的转动带动发电机转子，将机械能转化为电能。
在初步设计中，一只船体拟安装多组叶轮，同时可多个船体并联，以充分利用河流水能资源。由泸州川一船运有限公司生产制造的大型多叶轮发电船如图4所示。
该大型水车式发电船基本构造为船体、水车和发电机。发电船总体长度为68 m，纵向设计5组水车式叶轮，均匀布置，每组3个同轴叶轮分别放置在双体船的左、中、右，一共15个叶轮，每个叶轮直径为11.6 m，宽度为6 m；叶轮轴通过齿轮组和发电机轴连接，带动250 kW发电机发电。
水车式发电船有诸多优点。
（1）利用河流天然水能，無需拦河筑坝就可以实现发电。
（2）以船为载体，具有良好的机动性。
（3）基本不受地理条件的限制，可因地制宜，根据不同水域的自然条件设计出与之相适应的发电船。
（4）不存在淹没区与移民问题及一系列生态环境问题。
（5）造价低。
水车式发电船的不足之处在于水力发电的利用效率低，布置分散，不如水电站发电集约化程度高。
3 关键技术问题
大型多叶轮发电船在试验阶段主要存在的关键性技术问题。
（1）水车效率：由于在叶片转动过程中要克服摩阻力及其他能量损失，传统水车的水力效率比较低，一般小于20%。因此，需要考虑的问题是过低的水车效率能否保证功率的稳定输出，达到发电要求，以及效率过小是否具有投资价值。此外，能不能通过水力分析提高水车的效率也值得研究。
（2）电能质量控制技术：电能质量是电力生产中最关键的因素之一，要并入电网运行必须达到电能质量要求。电能质量有2个最重要的指标：频率与电压的稳定性。水车式发电船在利用天然河道水流资源，不能控制流速的条件下，如何采取措施稳定电能质量，即对发出电力的频率与电压稳定性的有效控制，也需要进一步研究和分析。
（3）发电船结构设计及稳定技术：作为整个微型发电厂的载体，发电船的结构设计中必须充分考虑水车、发电机、船体升降机构、调节器、监控设备等各种生产及控制设备的布置问题。此外，发电船本身漂浮在江河中，需考虑船体在各种工况甚至非对称流速工况下带负载发电的稳定性问题。
（4）发电船的流速适应性：江河流域的流速随季节变化，同一流域不同时段的流速也会有波动。因此，发电船对变化和波动的流速的适应能力也是一个必须考虑的技术问题，怎样提高其流速适应性，使其在各种流速甚至非对称流速下正常并稳定发电。 4 结语
水车式发电船结构简单，不破坏环境，不筑坝、不移民，有效緩解了水电能源开发与生态环境之间的矛盾，节能环保。开发研究大型多叶轮大型发电船对泸州市乃至西南地区具有一定的实用性，对水能资源的进一步开发和利用具有重要意义。
本文通过对泸州市流域的流速流量进行统计，分析泸州市附近河段具备水车式发电船发电的水流条件。根据水车式发电船的原理生产制造了大型多叶轮发电船，通过试水运行分析发电船的关键技术问题。水车式发电船可以利用江河水流的动能进行水力发电，对于发电船的效率及发电质量等问题，还需通过进一步的技术分析和试验，以提高发电船水车的效率，改善发电质量。
本文根据长江泸州段的水文资料分析结果，论证了水车式发电船在该段河道运行的可行性和合理性，通过分析长江河道水流特性，集合船舶、机械、电气多个专业，研究制造大型水车式发电船实体，并针对下水试发电的资料，探究改善发电船发电质量的措施以达到并网运行的目的。
本文立足长江超低水头的水能资源开发，研究制造水车式发电船，针对长江流域泸州段的航运河道特点，在西南地区河流广布，水能资源丰富的自然条件下，具有实用价值和丰富的社会、经济效益。
（1）研制的水车式发电船发电机容量预计为1 500 kW，年发电约900万度，按上网电价0.28元/度计算，年发电收入约252万元。
（2）按每度电消耗0.4 kg的煤、排放0.872 kg的二氧化碳、排放0.03 kg的二氧化硫计算，发电船的应用每年可节约3 600 t的煤、减排780 t的二氧化碳、减排270 t的二氧化硫。
（3）可在适合江段做直线船队系列使用。
参 考 文 献
[1]马瑞志.一种水动机械及其使用方法和用途[P].中国专利：102121449，2011-07-13.
[2]乔邦鼎.一种船载式水车发电装置[P].中国专利：202220710，2012-05-16.
[3]王元海.浮船水车发电装置[P].中国专利：201723354，2011-01-26.
[4]中华人民共和国水利电力部.中华人民共和国水文年鉴[Z].1983—1987.
[责任编辑：钟声贤]
【基金项目】本文系“（川大-泸州）大型多叶轮移动式发电船的研究开发”项目支持。
【作者简介】白存新，男，四川泸州人，任职于泸州川一船运有限公司。
【摘 要】我国西南地区水能资源丰富，文章基于西南地区超低水头的河流现状，结合泸州市区内长江和沱江流域河段的实测水文资料，根据水车式发电船在超低水头河段的发电原理，分析关键技术问题，研究水车式发电船的可行性，以期进一步开发和利用江河流域的水能资源。
【关键词】水车；发电船；技术问题；可行性分析
【中图分类号】TM31 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）05-0058-03
1 研究背景
我国古代就有水车水磨等利用水体动能工作的机械，但由于其模较小，使得这项技术没有被现代文明所发扬光大[1]。目前，大家所熟知的水力发电方式就是通过拦河筑坝，而这种方式建设投资大、周期长、占地多，还有可能带来不可预见的灾害[2]，且并非所有河流或同一河流不同河段都适合筑坝发电。因此，我国丰富的水能资源没有得到充分的利用，造成了资源浪费[3]。
我国西南地区水能资源丰富，四川省仅泸州市就有长江、沱江、永宁河、赤水河、濑溪河、龙溪河等交织成网，其中沱江干流于泸州汇入长江。境内长江航道有133 km，入境水量为2 420.8亿m3，出境水量为2 945.6亿m3。航道内的江河流量大，但几乎没有水头，因此如何利用航道的丰富水能资源发电是本文研究的主要内容。
为了更好地了解泸州市流域的流速、流量情况，本研究对距离泸州不远的长江上游的朱沱（三）水文站及沱江的李家湾水文站历年实测水文数据进行了统计和分析[4]。
表1为1983—1987年长江朱沱（三）站流量统计表，图1为1983—1987年长江朱沱（三）站流速统计图。
从流量统计表可以看出，1983—1987年，该河段6—10月流量较大，大部分均在10 000 m3/s以上，其余月份月平均流量在2 000～7 000 m3/s。年平均流量在7 500～9 500 m3/s，年最大流量除1983年为28 600 m3/s以外，其余均在30 000 m3/s以上。说明该河段流量较大，水流资源非常丰富。
从图1可知，1983—1987年间，该河段流速相对集中于2～3 m/s，小部分大于3 m/s，该河段整体流速相对稳定。
表2为1983—1987年沱江李家湾站流量统计表，图2为1983—1987年沱江李家湾站流速统计图。
从表2可以看出，1983—1987年，该河段流量与长江朱沱（三）站所测流量分布类似，每年6—10月月平均流量较大，最大达到2 080 m3/s，其余月份中的大部分流量都在100 m3/s以下。年平均流量在250～500 m3/s，年最大流量在4 000～8 500 m3/s。
从图2可知，1983—1987年，该河段流速主要集中于1 m/s以下，最大流速不超过3 m/s，流速较小但稳定。
2 设计原理
根据河流航道的水流特点，流速稳定但几乎没有水头，要利用水流资源发电主要是利用水流的动能，设计的水车式发电船其原理如图3所示。
水车式发电船的基本构造为水车、发电机和船体，发电原理是在水车的叶轮上安装多个叶片，利用河道中的水流冲击叶片，带动叶轮转动做功，将水体动能转化为机械能；同时，叶轮的转动带动发电机转子，将机械能转化为电能。
在初步设计中，一只船体拟安装多组叶轮，同时可多个船体并联，以充分利用河流水能资源。由泸州川一船运有限公司生产制造的大型多叶轮发电船如图4所示。
该大型水车式发电船基本构造为船体、水车和发电机。发电船总体长度为68 m，纵向设计5组水车式叶轮，均匀布置，每组3个同轴叶轮分别放置在双体船的左、中、右，一共15个叶轮，每个叶轮直径为11.6 m，宽度为6 m；叶轮轴通过齿轮组和发电机轴连接，带动250 kW发电机发电。
水车式发电船有诸多优点。
（1）利用河流天然水能，無需拦河筑坝就可以实现发电。
（2）以船为载体，具有良好的机动性。
（3）基本不受地理条件的限制，可因地制宜，根据不同水域的自然条件设计出与之相适应的发电船。
（4）不存在淹没区与移民问题及一系列生态环境问题。
（5）造价低。
水车式发电船的不足之处在于水力发电的利用效率低，布置分散，不如水电站发电集约化程度高。
3 关键技术问题
大型多叶轮发电船在试验阶段主要存在的关键性技术问题。
（1）水车效率：由于在叶片转动过程中要克服摩阻力及其他能量损失，传统水车的水力效率比较低，一般小于20%。因此，需要考虑的问题是过低的水车效率能否保证功率的稳定输出，达到发电要求，以及效率过小是否具有投资价值。此外，能不能通过水力分析提高水车的效率也值得研究。
（2）电能质量控制技术：电能质量是电力生产中最关键的因素之一，要并入电网运行必须达到电能质量要求。电能质量有2个最重要的指标：频率与电压的稳定性。水车式发电船在利用天然河道水流资源，不能控制流速的条件下，如何采取措施稳定电能质量，即对发出电力的频率与电压稳定性的有效控制，也需要进一步研究和分析。
（3）发电船结构设计及稳定技术：作为整个微型发电厂的载体，发电船的结构设计中必须充分考虑水车、发电机、船体升降机构、调节器、监控设备等各种生产及控制设备的布置问题。此外，发电船本身漂浮在江河中，需考虑船体在各种工况甚至非对称流速工况下带负载发电的稳定性问题。
（4）发电船的流速适应性：江河流域的流速随季节变化，同一流域不同时段的流速也会有波动。因此，发电船对变化和波动的流速的适应能力也是一个必须考虑的技术问题，怎样提高其流速适应性，使其在各种流速甚至非对称流速下正常并稳定发电。 4 结语
水车式发电船结构简单，不破坏环境，不筑坝、不移民，有效緩解了水电能源开发与生态环境之间的矛盾，节能环保。开发研究大型多叶轮大型发电船对泸州市乃至西南地区具有一定的实用性，对水能资源的进一步开发和利用具有重要意义。
本文通过对泸州市流域的流速流量进行统计，分析泸州市附近河段具备水车式发电船发电的水流条件。根据水车式发电船的原理生产制造了大型多叶轮发电船，通过试水运行分析发电船的关键技术问题。水车式发电船可以利用江河水流的动能进行水力发电，对于发电船的效率及发电质量等问题，还需通过进一步的技术分析和试验，以提高发电船水车的效率，改善发电质量。
本文根据长江泸州段的水文资料分析结果，论证了水车式发电船在该段河道运行的可行性和合理性，通过分析长江河道水流特性，集合船舶、机械、电气多个专业，研究制造大型水车式发电船实体，并针对下水试发电的资料，探究改善发电船发电质量的措施以达到并网运行的目的。
本文立足长江超低水头的水能资源开发，研究制造水车式发电船，针对长江流域泸州段的航运河道特点，在西南地区河流广布，水能资源丰富的自然条件下，具有实用价值和丰富的社会、经济效益。
（1）研制的水车式发电船发电机容量预计为1 500 kW，年发电约900万度，按上网电价0.28元/度计算，年发电收入约252万元。
（2）按每度电消耗0.4 kg的煤、排放0.872 kg的二氧化碳、排放0.03 kg的二氧化硫计算，发电船的应用每年可节约3 600 t的煤、减排780 t的二氧化碳、减排270 t的二氧化硫。
（3）可在适合江段做直线船队系列使用。
参 考 文 献
[1]马瑞志.一种水动机械及其使用方法和用途[P].中国专利：102121449，2011-07-13.
[2]乔邦鼎.一种船载式水车发电装置[P].中国专利：202220710，2012-05-16.
[3]王元海.浮船水车发电装置[P].中国专利：201723354，2011-01-26.
[4]中华人民共和国水利电力部.中华人民共和国水文年鉴[Z].1983—1987.
[责任编辑：钟声贤]
【基金项目】本文系“（川大-泸州）大型多叶轮移动式发电船的研究开发”项目支持。
【作者简介】白存新，男，四川泸州人，任职于泸州川一船运有限公司。