綠色水輪機及低水頭水輪機的綠化技術(shù)

鄭程遙

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510635)

0 引言

就我國水輪機的開發(fā)進程而言，以轉(zhuǎn)輪為標志，可將其劃分為三代:第一代為20世紀70年代暫引系列型譜中的水輪機，如HL240、HL110等。第二代為“六五”、“七五”期間開發(fā)的列入1999年頒布的《中小型軸流式，混流式水輪機轉(zhuǎn)輪分列型譜》 (JB/T 6310—1992)中的水輪機，如A224、D41等。第三代為針對國內(nèi)一些大型水電站 (包括三峽)開發(fā)的具有世界領(lǐng)先水平的水輪機，有A551、D261等。前三代水輪機的發(fā)展，往往集中在如何提高效率、減少空蝕、擴大容量上，而對環(huán)境保護的因素涉及較少。

隨著水力資源的開發(fā)，人類的生態(tài)環(huán)境也遭受了一定的破壞［1］，例如，水庫電站對原河道水生環(huán)境的影響，水輪機對過機魚類的額外死傷，水輪機用油對河流的污染，以及水輪機振動和噪聲對人體的危害等［2］。因此，生態(tài)環(huán)境問題已成為當代水輪機及水電站設(shè)計關(guān)注的首要問題。目前，國際上生態(tài)水輪機的研究已取得顯著的進展。例如，在美國的瓦納普姆壩，1臺設(shè)計先進的水輪機使發(fā)電容量增加14%，水的利用效率提高了3%，魚類通過水輪機的生存率達97.82%［3］。法國羅納河開發(fā)后，記錄到的魚種約有25類，與開發(fā)前基本相同。其中4種鯉魚占生物總量的90%，這4種魚在自然狀態(tài)下占有的優(yōu)勢，在開發(fā)后仍然保持這種狀態(tài)，魚類平衡方面變化很?。?］。因此，借鑒國際上的成功經(jīng)驗和研究成果，開發(fā)利于生態(tài)環(huán)境的水輪機對中國社會的可持續(xù)發(fā)展具有積極的戰(zhàn)略意義。

鑒于此，基于環(huán)境保護、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的我國第四代水輪機呼之欲出，很自然稱之為綠色水輪機。本文闡明了綠色水輪機的基本概念，并對生態(tài)環(huán)境影響最為突出的低水頭水輪機的綠化問題提出了基本措施。同時，介紹了一種新型的綠色水輪機(發(fā)明專利申請?zhí)?2015101453802)，即 ENT—16H—v(h)型高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)式水輪機。

1 綠色水輪機

綠色水輪機是指在水輪機的全壽命同期，充分考慮了生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的要求，具有人—機—魚—水多目標交互最優(yōu)化的生態(tài)水輪機。

綜合國內(nèi)外當前的研究成果，可簡單的將綠色水輪機解釋為具有親人性、親魚性、高效性，且不污染河流的親水性的水輪機。

1.1 親人性

水輪機的振動和噪聲對人體有不良的影響，會干擾人們休息、睡眠和工作，使人心律不適。長期承受振動會使人脊柱變形，長期噪聲會使人耳聾。在振動和噪聲環(huán)境下工作的人員容易疲勞，注意力分散，意外事故率升高。在此特別指出，0.1～0.63 Hz的超低頻振動常引起人們一連串病癥狀，如從臉色蒼白、頭昏眼花開始，經(jīng)過惡心嘔吐到完全失去工作能力。而對于葉片不能隨導葉協(xié)聯(lián)調(diào)整的混流式或軸流定槳式水輪機，其在半負荷左右工況運行時，尾水管內(nèi)將產(chǎn)生 ()fn(轉(zhuǎn)動頻率)的低頻渦帶壓力脈動［5］。而 ()fn的頻率范圍包含了轉(zhuǎn)速n從214.3～50 r/min的幾乎所有大中型混流式和軸流定槳式水輪機轉(zhuǎn)速的范圍。例如，某水電站 n=150 r/min，即 fn=2.5 Hz，按廠家試驗數(shù)，其渦帶頻率f渦= (～)fn=0.5～0.625 Hz，均在上述0.1～0.63 Hz范圍內(nèi)，將會對人體產(chǎn)生嚴重的不良影響;綠色水輪機應(yīng)當避開上述振動頻率。

再則，如水輪機材料和工藝選擇不當，水力設(shè)計不合理，將在空蝕和磨蝕的影響下，產(chǎn)生大量電焊修補量，這就加大了電焊工的勞動強度，對其身體造成傷害。如焊工塵肺及肺功能鉛中毒、電焊煙熱、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等危害。綠色水輪機要運用先進的設(shè)計理念和先進的工藝及制造技術(shù)，大幅度降低檢修期的焊接工作量。

銀隆召開第一屆董事會第八次會議，決定免去孫國華的董事長及總裁職務(wù)，由盧春泉出任公司董事長，賴信華出任公司總裁。

總之，綠色水輪機的親人性要求保護人的身心健康，最大限度地做到人—機和諧。

1.2 親魚性

親魚性水輪機的研究已成為當代的熱門課題，國內(nèi)外已有相當多的文獻報道，魚與水輪機的摩擦和相撞可使鱗片和粘膜損傷，眼睛受傷和內(nèi)出血，甚至直接死亡。當魚類從進口經(jīng)過水輪機系統(tǒng)到達尾水管的過程中，將經(jīng)受快速的壓力改變，使魚鰾損傷而造成較高的死亡率。例如，10 cm長的河鱸的鰾，當壓力降至環(huán)境壓力的40%時會破裂。此外，空蝕發(fā)生時，氣泡爆裂，引起噪聲、振動、壓力波動，造成一定的沖擊力，也會傷害魚類。在葉片的前緣、轉(zhuǎn)輪和導葉處有較大的剪切壓力，當魚進入水輪機系統(tǒng)剪切應(yīng)力“傷害”區(qū)域時，魚就會受傷，有時甚至是致命性的。在尾水管漩渦中的渦流也會產(chǎn)生剪切應(yīng)力危害魚類。水輪機系統(tǒng)中的紊流，也對魚有傷害，尤其中尾水管中，大規(guī)模的紊流可使魚迷失方向，容易被其他魚類和鳥類所捕食。

親魚性水輪機國外研究較早，1994年，美國能源部與美國水電企業(yè)合作，制訂了高級水輪機系統(tǒng)計劃 (AHTS)，其目標是開發(fā)新型水輪機，使魚受到的傷害或死亡率最低，并創(chuàng)造良好的環(huán)境(即保持通過水輪機的水有良好的水質(zhì))，同時高效地發(fā)電［6］。英國碳基金開發(fā)了一個項目，采用流體三維流動的數(shù)值模擬的CFD技術(shù)計算水輪機轉(zhuǎn)輪及其流道的各類參數(shù)，然后將此參數(shù)輸入到STRISER模型預測魚類的傷亡狀況，反復選代，得出親魚型水輪機的設(shè)計參數(shù)［7］。我們應(yīng)積極借鑒國外的成功經(jīng)驗，開發(fā)親魚類水輪機。

1.3 親水性

水輪機主要工作部件用油潤滑與操作，如導水機構(gòu)、各類軸承、導葉接力器、槳葉接力器等，由于磨損或老化，密封失效，油水混合，進入水中會污染河流。尤其是轉(zhuǎn)槳式水輪機，其槳葉接力器置于轉(zhuǎn)輪輪轂體內(nèi)，壓力油自然也進入轉(zhuǎn)輪體，一方面潤滑葉片軸套，另一方面也操作葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)。槳葉根部轉(zhuǎn)軸與其襯套，在葉片承受較大的水壓力而不斷轉(zhuǎn)動時，會磨損變形而使密封失效，從而使壓力油注入河流。如某水電站，4臺轉(zhuǎn)槳式機組漏油量達80余噸/年［8］，可見其對生態(tài)的不良影響。

此外，為了防止某些微生物寄生在水輪機的一些部件上 (因為溫度適宜)，將這些部件涂上有毒的漆，雖然消除了寄生物，但卻在時時刻刻污染著河流。也有為了使水輪機部件上堅硬附著生物剝落而使用特別的化學藥物，同樣造成了對河流的污染。

上述“惡水”的水輪機，對各種生態(tài)都會產(chǎn)生不利影響，而綠色水輪機不污染水，有“親水性”。

從上述討論可知:環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展使第四代水輪機勢在必行，只有那些具有高效性、親人性、親魚性、親水性的水輪機才能稱得上是綠色水輪機。綠色水輪機，不是單純指使個別企業(yè)經(jīng)濟效益最優(yōu)的水輪機，而是指人—機—魚—水多目標平衡，全局效益最優(yōu)的水輪機。研發(fā)、設(shè)計和制造及使用綠色水輪機，是水力發(fā)電行業(yè)一項新的挑戰(zhàn)。

2 低水頭水輪機的綠化技術(shù)

相對于那些高山峽谷之中，流量小、水冷魚少的高水頭水電站，低水頭水電站往往流量大、魚群豐富，且位于城鎮(zhèn)附近，其水流往往為人畜的飲用水源，故其水輪機的綠化技術(shù)尤為重要。

2.1 水力性能

水輪機運行在高效區(qū)，則其水能利用率高，水流平順，壓力脈動小、振動小、噪聲小、空蝕小，顯然，這時的水輪機的性能表現(xiàn)為親人性與親魚性。所以，綠色水輪機要求在各種工況下，包括水頭變化、流量變化時，都具有較高的效率，即高效區(qū)顯得平坦、寬廣以及具有良好空蝕性能。

水輪機轉(zhuǎn)速要相對的低，以減少對魚的碰撞，但其單位轉(zhuǎn)速應(yīng)略高于最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，以防止脫流振動，保證水輪機的穩(wěn)定運行，利于魚類生存。水輪機的安裝高程應(yīng)留有充分的裕量，盡可能減少水輪機的空蝕，減少振動和噪聲的危害，提高魚的生存率。

另外，水輪機系統(tǒng)應(yīng)有補氣裝置，可提高水中的溶解氧，改善魚類生存條件，且可減少振動和噪聲、緩解抬機危害，提高機組的穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)采用二段關(guān)閉，智能停機，減少水鍾的危害。

應(yīng)當特別指出，轉(zhuǎn)槳式水輪機 (卡普蘭型)導葉與槳葉協(xié)聯(lián)配合，可形成最佳的協(xié)聯(lián)關(guān)系，既有較寬廣的效率區(qū)，又可避免發(fā)生葉片頻率與壓力脈動形成共振 (葉片自激振蕩)，提高機組的穩(wěn)定性，其水力性能各方面俱佳，為低水頭水輪機“綠化”的首選技術(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)

當水頭H≤25 m時，應(yīng)選擇貫流雙調(diào)節(jié)水輪機(卡普蘭型)，其效率高，流線平直，葉片數(shù)少 (3～5片)，轉(zhuǎn)速低，空化性能好，過流量大，水流流動平穩(wěn)，利于魚類生存。為提高其“綠化”水平，應(yīng)選擇合適的燈泡比，盡量減少導葉數(shù)和葉片數(shù)，使過魚存活率增加。最近的研究和實驗表明，貫流機導葉數(shù)從16片減少至8片，效率降低4%;所以，可選擇適當?shù)膶~數(shù)，以在水輪機效率和過魚性能方面求得平衡。此外，通過合理的設(shè)計轉(zhuǎn)輪及流道參數(shù)，可使葉片數(shù)減少，過魚性改善。如ANDRITZ公司在廣東清遠水電站，采用3葉片加厚并合理設(shè)計流道參數(shù)的辦法，放棄4葉片方案，提高了引用流量且最大水頭可達10 m，同時增強了親魚性。對這類水輪機，建議從綠色的角度，選擇最優(yōu)的葉柵稠密度。當水輪機工作水頭H在25～60 m之間時，應(yīng)選擇軸流轉(zhuǎn)槳葉式 (卡普蘭型)，其葉片數(shù)少 (4～6)，高效率范圍大而變化平坦，因而具有親人性與親魚性。

定槳式機組高效區(qū)窄，不僅平均效率低，而且導葉、槳葉常常工作在非協(xié)聯(lián)狀況，葉片容易產(chǎn)生自激振蕩，且噪聲大，要盡可能改造為轉(zhuǎn)槳式。但現(xiàn)行的轉(zhuǎn)槳式機組最大缺陷在于“惡水性”，由于其槳葉接力器在輪轂體內(nèi)，操作油進入了轉(zhuǎn)輪體，而槳葉密封在水壓力和槳葉隨操作架不斷轉(zhuǎn)動時，難免老化和磨損，使密封失效，將操作油滲入水中，污染河流。

鑒于此，開始研究用水代替油來操作槳葉且用自潤滑材料替代常規(guī)油潤滑軸承的新型轉(zhuǎn)槳式水輪機。1990年，Voith公司將1臺較小的這種類型的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機在歐洲投入了運行［5］。在我國，深圳恩萊吉能源科技有限公司研發(fā)了一種高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)式水輪機，這種水輪機將槳葉接力器外置于軸端，杜絕了油與槳葉的接觸，從而杜絕了油對水的污染。目前，這種水輪機在廣東英德紅橋水電站 (燈泡貫流式 2×3 500 kW，直徑3.56 m)和湖南衡東甘溪水電站 (軸流定槳式改轉(zhuǎn)槳式，6×1 250 kW，直徑1.8 m)成功運行，標志著我國綠色水輪機的研究與應(yīng)用在某些方面進入國際領(lǐng)先的行列。

2.3 材料與工藝

綠色水輪機主要材料的選擇應(yīng)與水質(zhì)和環(huán)境條件相適應(yīng)。對容易空蝕的部件，應(yīng)選用抗空蝕性能較好的不銹鋼材料，對轉(zhuǎn)輪葉片、轉(zhuǎn)輪室球面體合適的范圍，應(yīng)采用VOD工藝生成的不銹鋼。對含沙量較大，容易產(chǎn)生磨蝕的水輪機，應(yīng)擴大不銹鋼部套的范圍，如轉(zhuǎn)輪體、導葉、抗磨環(huán)等，對水輪機過流面焊縫宜打磨光滑;這樣既可以避免水力損失，又可以避免擦傷魚類。雖然這樣做會使水輪機價格較高，但減少了焊接工作量及維修費用，防止了部件焊接、修補變形帶來的性能惡化，同時也減少了空蝕振動對人體的影響。

為了增強水輪機的親水性，綠色水輪機的導水機構(gòu)設(shè)計應(yīng)采用自潤滑軸套代替潤滑油軸套，即采用無油軸套。如果有可能，槳葉也可考慮用水作介質(zhì)操作來代替透平油，就像前述Voith公司那樣。對轉(zhuǎn)槳式水輪機，采用高油壓和槳葉接力器外置，槳葉轉(zhuǎn)動密封采用自潤滑材料，可杜絕油對河流的污染。

在工藝方面，可大力推廣金屬噴涂工藝。該技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度達2 000 m/s，燃燒溫度適中(小于3 000℃)，可保證硬質(zhì)材料不脫碳。另外，高速燃氣體使粉末材料緊密均勻地嵌在被噴涂物體表面上，與基材物理結(jié)合在一起，在基材溫度低于120℃時，使基材不發(fā)生任何變形，從而形成低孔隙率、低氧合、高結(jié)合力、低殘余壓力的高質(zhì)量涂層。

噴涂粉末適用于水輪機過流表面抗泥沙磨蝕和多泥沙河流運行的燈泡機組葉片，其操作方便，避免了大量電焊工作及焊接引起的部件變形，是一種具有“親人性”的綠色技術(shù)。

3 ENT—16H—v(h)型綠色水輪機及應(yīng)用

ENT—16H—v(h)型高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)水輪機是由深圳恩萊吉能源科技有限公司自主研發(fā)的一種中低水頭綠色水輪機，其主要“綠色”特征是將小型機組轉(zhuǎn)槳化和消除了轉(zhuǎn)槳式機組槳葉操作油對河流的污染 (見圖1)。

圖1 ENT—16H—v(h)結(jié)構(gòu)示意

ENT—16H—v(h)的基本特征是:操作油壓為16 MPa，通過旋轉(zhuǎn)進油器進入電磁閥控制的槳葉接力器，槳葉接力器外置于軸端，并隨主軸一同旋轉(zhuǎn)。接力器的軸向位移，通過主軸的槳葉推拉桿帶動槳葉操作架，使槳葉轉(zhuǎn)動，接力器的位移信號通過磁質(zhì)傳感器傳送到微機調(diào)速的輸入端，以實現(xiàn)導葉、槳葉的自動協(xié)聯(lián)控制。

由圖1可看出，ENT—16H—v(h)的槳葉接力器外置于軸端，通過純機械軸傳遞力矩，控制槳葉。這不僅可使輪轂比減小，提高了水輪機效率，使轉(zhuǎn)槳式水輪機向小直徑、高水頭發(fā)展，而且特別重要的是轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無任何壓力油，解決了油對河流的污染問題，保護了生態(tài)環(huán)境。此外，由于ENT—16H—v(h)采用了16 MPa的高油壓，體積小，操作功大，使得轉(zhuǎn)輪直徑較小，容量較小的機組都可采用轉(zhuǎn)槳式機組，以改善其“綠色”性能。

廣東英德紅橋水電站位于氵翁江中游段，是氵翁江干流的第10座梯級電站，壩址以上集水面積3 121 km2，電站裝設(shè)2臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組 (見表1)。

經(jīng)分析，調(diào)速器導葉和槳葉調(diào)節(jié)均采用16 MPa高壓油操作，有較大的優(yōu)越性，故選擇了ENT—16H—v(h)水輪機，比采用GD型定槳式機組提高效率10%以上，比采用傳統(tǒng)低油壓的燈泡貫流式機組節(jié)約成本10%;取消了結(jié)構(gòu)復雜、密封困難的傳統(tǒng)受油器，取消了調(diào)速器壓力油罐，取消了高壓氣系統(tǒng)，代之以小體積的高壓儲能罐。因為采用了旋轉(zhuǎn)進油器用止口定位，所以安裝時省去了“盤車”等費時環(huán)節(jié)。同時，解決了漏油造成油系統(tǒng)電機頻繁啟動的能耗，杜絕了漏油對河流的污染。

表1 紅橋水電站水輪機、發(fā)電機參數(shù)

工程于2013年9月11日開工，由于采用ENT—16H—v(h)，簡化了機電和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2臺機組自10月20日投運至今，運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)裝置工作可靠，免維護。

4 結(jié)語

(1)第四代水輪機即綠色水輪機的研制，對我國經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展，對環(huán)境保護，均具有重要的戰(zhàn)略意義。

(2)綠色水輪機是人—機—魚—水多目標交互最優(yōu)化的全局綜合最優(yōu)型水輪機，須從水力性能、結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)、材料與工藝諸方面深入研究，不斷創(chuàng)新和突破，才能改進“綠化”水平，得到高水準的綠色水輪機。

(3)國際上從90年代開始研究綠色水輪機，不論是從管理和技術(shù)上，還是從理論和實踐上，都取得了較大的進展，值得借鑒。國內(nèi)ENT—16H—v(h)型高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)水輪機已開始應(yīng)用，突破性地綠化了低水頭水輪機，應(yīng)積極推廣。

［1］P·麥卡利.大壩經(jīng)濟學［M］.北京:中國發(fā)展出版社，2005.

［2］田樹棠，劉國峰，等.水輪機的環(huán)保與防腐［M］.北京:中國水利水電出版社，2013.

［3］S.R.布朗.美國瓦納普姆水電站水輪機設(shè)計和魚類保護的創(chuàng)新［J］.水利水電快報，2006，27(22):11_12.

［4］方艷平.法國羅納河開發(fā)的一些特點和經(jīng)驗［J］.水利水電快報，1993(13).

［5］王珂崙.水力機組振動［M］.北京:水利電力出版社，1986.

［6］M.奧德，等.親魚水輪機設(shè)計新概念［J］.水利水電快報，2001，22(4):1_5.

［7］D.烏帕德亞伊，等.親魚水輪機設(shè)計的最新進展［J］.水利水電快報，2007，28(4):31_33.

［8］周泰經(jīng).水輪機槳葉的電機操作機構(gòu):水電設(shè)備的研究與實踐——第十七次中國水電設(shè)備學術(shù)討論會論文集［C］.北京:中國水利水電出版社，2009.