親魚型水輪機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

［美國］ S.V.阿馬拉爾 等

20世紀(jì)90年代初，美國能源部(DOE)意識到需要研制既能改善環(huán)境又能提高運(yùn)行性能的水輪機(jī)，并開始實(shí)施一項(xiàng)旨在推動一些先進(jìn)水輪機(jī)技術(shù)研發(fā)的計(jì)劃。特別是通過此項(xiàng)計(jì)劃提出了兩種親魚型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，在2005年該計(jì)劃結(jié)束之前，還對魚類通過水輪機(jī)受傷的機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，其中一種親魚型水輪機(jī)為奧爾登水輪機(jī)。

獲得專利的奧爾登水輪機(jī)的概念與任一現(xiàn)有水輪機(jī)設(shè)計(jì)都不同，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于，能夠減少魚群通過水輪機(jī)時因剪應(yīng)力計(jì)和壓力計(jì)受損以及葉片打擊造成的傷亡。

目前正在進(jìn)行的工作是確定適合安裝奧爾登水輪機(jī)的地點(diǎn)，評價全尺寸機(jī)組的動力性能和過魚的生存情況。

1 概念設(shè)計(jì)與中試

1993年，美國能源部、美國電力研究院(EPRI)和國家水電協(xié)會(NHA)的研發(fā)委員會開始設(shè)想開發(fā)親魚型水輪機(jī)。該項(xiàng)研究旨在減少對魚類的環(huán)境影響，從而保持并有可能提高水力發(fā)電。國家水電協(xié)會成立了非盈利組織水電科學(xué)基金會(HRF)，以支持其研究。隨著電力研究院和能源部配套產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的支持者50萬美元初次攤款到位，便開始著手實(shí)施先進(jìn)水電水輪機(jī)系統(tǒng)(AHTS)的計(jì)劃。

AHTS的第1階段工作包括能源部進(jìn)行的詢價競標(biāo)，有兩家公司中標(biāo)。其中一家是福伊特水電公司(VH)，另一家為奧爾登公司。VH的方法側(cè)重于如何改進(jìn)現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)以提高效率并減少魚群損傷和死亡率。VH的概念適用于對現(xiàn)有的大型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)行升級或適合于設(shè)計(jì)新型水輪機(jī)，而且他們的方案很快就推進(jìn)到包括現(xiàn)場測試在內(nèi)的第2和第3階段?，F(xiàn)場測試中最值得注意的是在美國哥倫比亞河邦納維爾(Bonneville)工程和沃納帕姆(Wanapum)工程中新安裝了轉(zhuǎn)槳式最小間隙轉(zhuǎn)輪(MGR)。

而奧爾登的概念則側(cè)重于設(shè)計(jì)全新的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。這種設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)量限定為3片，以降低壓力梯度和流速，消除了葉片之間以及內(nèi)部樞紐和外殼之間的間隙，并最大限度地提高了流道的尺寸。在給定水頭條件下，加大轉(zhuǎn)輪尺寸可使旋轉(zhuǎn)速度降低，加上轉(zhuǎn)輪只有3片葉片，葉片沖擊力度因此而降低。由于奧爾登轉(zhuǎn)輪還沒有建成，能源部出資建造了中試設(shè)備，以評估其動力性能和魚群生存能力。在奧爾登公司建造了約1/3大小的試驗(yàn)設(shè)備，并于2001年和2002年進(jìn)行了測試。

進(jìn)行中試的設(shè)備是一個由2000馬力的變速泵驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)，通過一個水力摩擦測功機(jī)來吸收水輪機(jī)輸出并控制流速。在水輪機(jī)的上游和下游均安裝了魚群噴注系統(tǒng)，還有一個傾斜的網(wǎng)罩用來引導(dǎo)控制魚群，那些已通過水輪機(jī)的魚群則進(jìn)入收集池回收。

中試的重中之重是生物學(xué)特性，但是也收集了初步的工程數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中包括了能量轉(zhuǎn)換效率。生物學(xué)評價的目標(biāo)是要確定幾種代表性魚類和不同大小的魚在通過水輪機(jī)時的存活率。在這項(xiàng)研究中，對長度為30～450 mm的6種魚在2種運(yùn)行水頭、有(無)導(dǎo)葉、6種水輪機(jī)效率設(shè)置條件下的成活率進(jìn)行了評估。測試程序使用的魚超過了4萬條，使之成為迄今為止開展的水輪機(jī)過魚直接死亡率研究中評估范圍最廣的活動之一。此外，本研究是第一次也是唯一一次在拍攝進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的魚群中使用了高速攝像技術(shù)。

正如所料，水輪機(jī)葉片打擊是造成傷魚的主源，造成傷魚的其他機(jī)制已被設(shè)計(jì)出來，中試結(jié)果表明，水輪機(jī)過魚生存率與魚長呈負(fù)相關(guān)。隨著水頭增加，生存率也下降，這是由于更高的轉(zhuǎn)速相應(yīng)地使魚群被葉片擊中的概率更大。高轉(zhuǎn)速也會產(chǎn)生更高的打擊速度，從而使魚群被擊中時受傷更大。在所有魚類測試中已經(jīng)確定了魚長和水輪機(jī)使用期限之間的一般性關(guān)系(較大的魚更容易受到葉片打擊)，美洲鰻和白鱘則是例外。美洲鰻是測試中最大的魚(約250～450 mm長，虹鱒魚、銀鮭、阿威夫和小嘴鱸魚的長度則為30～200 mm)，但其存活率卻最高(百分之百生存)。僅根據(jù)鰻魚長度來看其預(yù)期受到傷害的程度應(yīng)該很高，但其形態(tài)和行為可能有助于降低其損傷率。白鱘的存活率也較大，可能是因?yàn)樗鼈儧]有魚鱗而且只有軟骨骼，而其他魚類都長著真正的骨骼。

雖然設(shè)計(jì)的中試的水頭、流速及轉(zhuǎn)輪葉片速度均與原型機(jī)等值(即沒有調(diào)整)，但其轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速(rpm)非常高(約3倍)，而且葉片間距相當(dāng)?shù)?約1/3)，這就造成了全尺寸水輪機(jī)中的死亡率比預(yù)期的更高。因此，用測試數(shù)據(jù)建立了一個預(yù)測模型(葉片打擊概率和生存概率)，以估算在測試過的2種水頭條件下全尺寸奧爾登水輪機(jī)的過魚生存率。在12 m水頭和74 r/min轉(zhuǎn)速條件下獲得的測試數(shù)據(jù)表明，一個基于原有設(shè)計(jì)的全尺寸奧爾登水輪機(jī)效率約為90%，100 mm長的魚通過的生存率將約為98%。200 mm長的魚的生存率將大約為96%。在通過水電工程的魚類中，不足200 mm長的魚所占比例約為90%以上。從下文的討論中可以看出，這些預(yù)測的存活率是保守的，因?yàn)槟壳皩λ啓C(jī)葉片前緣的修改(修改為半圓形的形狀，并增加了厚度)，減少了因葉片打擊而造成的魚類死亡，這些是基于在奧爾登公司單獨(dú)進(jìn)行的效果測試結(jié)果得出的。

2 修改的水輪機(jī)設(shè)計(jì)

美國能源部AHTS計(jì)劃于2005年結(jié)束之后，電力研究院繼續(xù)牽頭開展奧爾登水輪機(jī)的研發(fā)工作。為了提高水輪機(jī)的功率密度(單位尺寸的功率輸出)，工作最初的重點(diǎn)是重新設(shè)計(jì)蝸殼以使其流量處理能力增加1倍，之后重新設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)輪和尾水管，并對整體系統(tǒng)進(jìn)行了概念優(yōu)化。除了重新設(shè)計(jì)水輪機(jī)之外，電力研究院還支持親魚型水輪機(jī)的研發(fā)。這些工作主要是檢查轉(zhuǎn)輪葉片的導(dǎo)緣形狀、厚度和速度對受打擊魚類生存率的影響。這些研究極大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有的關(guān)于魚類受葉片打擊所造成傷亡的數(shù)據(jù)。

電力研究院的葉片擊打測試結(jié)果適用于大多數(shù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)，并且在更換或修復(fù)現(xiàn)有機(jī)組時，該測試結(jié)果可視為提高水輪機(jī)過魚存活率的方法。葉片擊打數(shù)據(jù)也可以納入預(yù)測葉片打擊概率的模型開發(fā)中，用模型來估計(jì)水輪機(jī)過魚存活率，而不必從其他水輪機(jī)或魚類來推斷數(shù)據(jù)，也不用進(jìn)行昂貴的現(xiàn)場研究。

葉片擊打測試的結(jié)果(魚類的計(jì)算機(jī)建模和實(shí)驗(yàn)室評估)已被納入到預(yù)期的奧爾登水輪機(jī)原型機(jī)中(葉片前緣的形狀和厚度)。在未來可能的測試點(diǎn)以及美國東部的許多水電工程中，主要關(guān)注的魚類之一是回藍(lán)鯡魚。這些魚在向下游洄游時長度約為75～100 mm。因?yàn)樵诎雸A形葉片的厚度等于或大于魚類體長條件下，魚群生存率非常高，所以實(shí)驗(yàn)地的轉(zhuǎn)輪葉片厚度選為150 mm，以使魚群在通過水輪機(jī)時被葉片擊打后的生存率最大化。考慮到大多數(shù)通過水電工程的魚類長度不到200 mm，所以這種葉片的厚度應(yīng)該也會為其他魚類提供保護(hù)。

增加功率密度的第一步工作是重新設(shè)計(jì)蝸殼以增大其尺寸，這也是為了與現(xiàn)有的常規(guī)水輪機(jī)進(jìn)行競爭。重新設(shè)計(jì)的目標(biāo)是建造一種新的蝸殼，使其通過的水流雙倍于原來的設(shè)計(jì)流量，同時保持進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的流速不變，并不增加蝸殼的總體尺寸。這種增大后的蝸殼使得可利用動力增加約一倍。要注意的是應(yīng)盡量減少水頭損失，以維持渦輪的高效率。蝸殼的幾何尺寸通過倍增的所有流道面積來進(jìn)行解析研發(fā)。進(jìn)行了一系列的計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)模擬實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)蝸殼幾何形狀更細(xì)微的反復(fù)修改，以及固定葉片和導(dǎo)向葉片的布局。原有的蝸殼幾何尺寸不包括固定葉片，且只有少數(shù)導(dǎo)向葉片，對這些功能的修改是為了制造出更大的渦輪，以增加其實(shí)用性和可行性。重新設(shè)計(jì)的蝸殼整體直徑只比原來的原型機(jī)大2%，而通過的流量為之前的2倍，流速保持不變。

為了適應(yīng)重新進(jìn)行概念設(shè)計(jì)后的雙倍流量，提出了2種轉(zhuǎn)輪的新設(shè)計(jì)方案。這兩種設(shè)計(jì)均使用了相同數(shù)量的葉片，其轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和水流流速與原來的中試的相同，以保持與原來設(shè)計(jì)相同的過魚生存率。其中一種設(shè)計(jì)采用的前緣葉片厚度與原來的中試的相同。另一種設(shè)計(jì)類似，但其半圓形前緣的厚度增加了，這是基于電力科學(xué)研究院主持的一項(xiàng)葉片擊打測試的結(jié)果。建造了一個單墩尾水管來完成水輪機(jī)的概念設(shè)計(jì)。對重新設(shè)計(jì)的水輪機(jī)及加厚了前緣葉片的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了CFD模擬，以確定在一系列轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、水頭、水流和導(dǎo)葉開度條件下的最佳效率點(diǎn)(BEF)和水輪機(jī)的運(yùn)行特征。對每個運(yùn)行點(diǎn)上的性能(效率)進(jìn)行了無量綱化繪圖，得到了普遍適用的一般特性。

這些CFD模擬結(jié)果表明，對全尺寸的轉(zhuǎn)輪來講，在很廣的運(yùn)行條件下其效率接近94%。這表明，轉(zhuǎn)輪對各種入流水流的條件是不敏感的，對于增厚的半圓形葉片前緣來講這是一個很好的特征。這些結(jié)果表明，從水力學(xué)和進(jìn)一步開展的處理其機(jī)械特性和損耗工作的角度來講，水輪機(jī)的這種設(shè)計(jì)是可行的。另外改進(jìn)了轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)以盡量減少尾水管湍流造成的損耗。據(jù)推測，水輪機(jī)的BEP位置可移動接近預(yù)定的工作點(diǎn)，而整體的水輪機(jī)效率將能與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相媲美。

3 現(xiàn)場應(yīng)用的水輪機(jī)設(shè)計(jì)

在美國能源部、電力科學(xué)研究院及行業(yè)合作伙伴的資助下，福伊特水電公司目前在進(jìn)行奧爾登水輪機(jī)的工程設(shè)計(jì)。本階段研發(fā)的目標(biāo)是要完成水電站轉(zhuǎn)輪概念設(shè)計(jì)所需的附加工程，以便與現(xiàn)有的設(shè)計(jì)進(jìn)行商業(yè)競爭。該研發(fā)工程包括:

(1)將概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一臺可以建造的機(jī)器所需的設(shè)計(jì)工程;

(2)建造一個物理模型并進(jìn)行測試，以評估其工程性能和運(yùn)行性能，并能夠?qū)ξ磥戆惭b進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

該水輪機(jī)設(shè)計(jì)要能做到萬無一失，以使之具備商業(yè)價值，并準(zhǔn)備對其進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)。由福伊特水電公司進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)將包括分析和優(yōu)化蝸殼、座環(huán)、固定葉片、導(dǎo)向葉片、頂蓋、水輪機(jī)葉片、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、軸系、密封、支座和尾水管。盡管工程設(shè)計(jì)是針對可能的學(xué)校街(Schoo1 Street)水電工程的示范特點(diǎn)，但也可作較小的改動以應(yīng)用于條件不同的其他地方。

由福伊特水電公司進(jìn)行的模型測試于2010年夏季開始，并于年底前完成?；诖隧?xiàng)工作成果，安裝到任一水利工程上的奧爾登水輪機(jī)都將達(dá)到約80%的設(shè)計(jì)水平。該模型轉(zhuǎn)輪直徑約為38 cm，它有一個半蝸殼、入水口、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、頂蓋、軸系、止推和徑向軸、密封件和尾水管，其制造均符合IEC600193標(biāo)準(zhǔn)。該模型安裝后將在一系列適用于典型工程的導(dǎo)葉開度和水頭大小條件下，測試其效率、功率、空化初生、空化分解、軸向推力和徑向推力。同時也將確定其飛逸轉(zhuǎn)速。其他的測量將收集有關(guān)導(dǎo)葉扭矩并描述在蝸殼與尾水管中壓力變化特征的時域數(shù)據(jù)。模型測試獲得的數(shù)據(jù)將有助于確保真機(jī)的性能。

4 學(xué)校街項(xiàng)目及其他現(xiàn)場示范

在水壩業(yè)主和監(jiān)管方之間達(dá)成了一個具有里程碑意義的和解協(xié)定。監(jiān)管方是指美國聯(lián)邦、州及負(fù)責(zé)管理和保護(hù)魚類資源的聯(lián)邦管理機(jī)構(gòu)，他們負(fù)責(zé)發(fā)放工程許可證。這個協(xié)定同意將奧爾登水輪機(jī)安裝在紐約州莫霍克(Mohawk)河的學(xué)校街水電工程上，以作為其過魚方式。布魯克菲爾德再生電力公司擁有并經(jīng)營這個項(xiàng)目。在美國這是首次有這樣的機(jī)構(gòu)將水輪機(jī)過魚視為一種可使魚群通過水壩到達(dá)下游的可行的方案。協(xié)定規(guī)定，如果水輪機(jī)安裝后測試確定的過魚生存率效果，等于或好于傳統(tǒng)的下游旁路系統(tǒng)，那么奧爾登水輪機(jī)可視為可接受的過魚方式。學(xué)校街工程中關(guān)注的主要過魚品種是回藍(lán)鯡魚幼苗和美國銀鰻魚，但非洄游魚類仍有可能測試其生存率。理論上在學(xué)校街工程中(約28 m的水頭和43 m3/s的水輪機(jī)過流量)，對于其目標(biāo)魚群來講，奧爾登水輪機(jī)的過魚死亡率不應(yīng)超過4%，轉(zhuǎn)槳式MGR水輪機(jī)過魚死亡率不應(yīng)超過20%。由于此分析是在增厚了葉片的半圓前緣之前進(jìn)行的，所以目標(biāo)魚群的過魚生存率預(yù)計(jì)接近98%甚至更高。

除了學(xué)校街項(xiàng)目外，電力科學(xué)院還在已建或新建的水電項(xiàng)目中尋找另一個示范點(diǎn)來安裝和評估親魚型奧爾登水輪機(jī)。另外一個示范點(diǎn)將對在學(xué)校街的奧爾登水輪機(jī)的試驗(yàn)性安裝和測試起到補(bǔ)充作用。通過在一個或多個示范點(diǎn)安裝和評估奧爾登水輪機(jī)的性能將能成功地完成其開發(fā)工作，并促使這些技術(shù)得到認(rèn)可，因?yàn)樘岣攮h(huán)保性能是水電行業(yè)的首要任務(wù)。水電業(yè)和聯(lián)邦及州的資源管理機(jī)構(gòu)對奧爾登水輪機(jī)模型驗(yàn)收需要一個全面的現(xiàn)場示范，以驗(yàn)證其預(yù)期的過魚生存率和水輪機(jī)性能。實(shí)現(xiàn)預(yù)期的生存率和運(yùn)行性能將能有效地在已建或新建的水電工程上使其在環(huán)境影響和發(fā)電之間達(dá)到平衡。奧爾登水輪機(jī)也可以利用那些本來無法利用的水流來發(fā)電，例如和許可證要求相關(guān)的過魚旁路、娛樂和最低流量。

奧爾登水輪機(jī)的理想示范點(diǎn)將會有約12～24 m的水頭，并提供28～57 m3/s的流量。不過，如果能夠滿足與工程、運(yùn)行和生物學(xué)特性相關(guān)的其他標(biāo)準(zhǔn)的話，不符合這些理想條件的地點(diǎn)也可予以考慮。

電力科學(xué)院將從遞交的申請中選擇最多3個地點(diǎn)以進(jìn)行詳細(xì)的可行性評估。

5 市場潛力

據(jù)電力科學(xué)研究院最新評估，美國水電蘊(yùn)藏量超過62000MW，其中大部分是通過對現(xiàn)有水電站擴(kuò)容和新建電站實(shí)現(xiàn)的，這表明低碳能源有極大的開發(fā)潛力。據(jù)電力科學(xué)研究院進(jìn)一步的保守估計(jì)，到2025年可以開發(fā)出其中的10000MW，其中大部分可以采用奧爾登水輪機(jī)，這取決于對下游過魚的需要。此外奧爾登水輪機(jī)也可作為過魚方式，以避免因?yàn)檫^魚而分水所造成的能源浪費(fèi)。預(yù)計(jì)在北美和世界其他地區(qū)對這項(xiàng)新技術(shù)的興趣和需求將迅速增加。

6 結(jié)語

能源部的一項(xiàng)研究表明，對美國的水電工程來講，平均每個工程中的過魚成本超過了70萬美元(1991年)，每年超過6000MW的能量被浪費(fèi)，這無疑增加了保護(hù)環(huán)境的成本和頻率。研制親魚型水輪機(jī)的設(shè)想就是在這一背景下提出的。隨著對清潔可再生能源的需求日益增加，考慮到這些環(huán)保成本，研發(fā)和應(yīng)用環(huán)境友好型水電技術(shù)的重要性顯而易見。所以在美國能源部和業(yè)界大力支持下，親魚型水輪機(jī)得以在美國各水電站安裝，以驗(yàn)證其概念并減少發(fā)電損失和環(huán)境影響，消除目前水電發(fā)展的障礙。

奧爾登水輪機(jī)有可能成為又一個為水電工程業(yè)主們所利用的工具。他們需要新建水電項(xiàng)目并提高已建水壩的利用率來增加發(fā)電，同時確保魚類種群得到保護(hù)，而奧爾登水輪機(jī)可以滿足這一需要。奧爾登水輪機(jī)將在2011年投入商業(yè)應(yīng)用，在2013年可以安裝到一座或多座水電工程上進(jìn)行生物學(xué)評價。如果成功的話，奧爾登水輪機(jī)可以廣泛應(yīng)用到目前因?yàn)榭紤]對魚群的潛在負(fù)面影響而還沒有進(jìn)行水電開發(fā)的地方。