微水頭資源開發(fā)與發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀及趨勢

張玉全，鄭源, ，孫科，楊春霞，羅紅英

（1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京210098；2. 西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 860000；3. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

一、前言

隨著全球能源緊缺、氣候變化加劇和人們對(duì)生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，加快發(fā)展可再生能源、保障生態(tài)環(huán)境安全、支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已成為世界各國關(guān)注的重點(diǎn)。目前我國能源普及率低、人均能源消耗量少，能源不足已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙之一。根據(jù)我國《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，我國可再生能源占一次性能源供應(yīng)的比重，2020年要提高到15%，2030年要提高到20% [1]。水能是我國僅次于煤炭的第二大能源,也是可再生能源中能夠形成最大供給規(guī)模的清潔能源。我國小水電資源十分豐富，遍布全國1 500個(gè)縣，其中約有600個(gè)縣主要以小水電供電，解決了2 000多萬人口的用電。我國的小水電（裝機(jī)容量≤50 MW的水電站）技術(shù)可開發(fā)量為1.28×108kW，截至2015年年底，已經(jīng)開發(fā)7.5×107kW，開發(fā)率為58.6% [2]。因此，開發(fā)小水電技術(shù)符合可再生能源國家發(fā)展戰(zhàn)略，是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、緩解環(huán)境問題的優(yōu)先選擇。

微水頭即水頭在0～3 m的水力資源，具有水力發(fā)電的潛力，但因?yàn)榻?jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值太低，故一直未引起足夠的重視[3]。實(shí)際上，我國微水頭資源分布廣泛，具有不同于常規(guī)水電的獨(dú)特開發(fā)優(yōu)勢：①資源豐富，種類繁多，具有巨大的開發(fā)潛力；②資源便利，結(jié)構(gòu)簡單，二次能源回收，節(jié)省投資；③運(yùn)河、管道、尾水等微水頭資源穩(wěn)定，具有可預(yù)測性；④無需蓄水調(diào)節(jié)，對(duì)環(huán)境影響小。

水輪機(jī)是決定電站運(yùn)行效率和效能產(chǎn)出的最關(guān)鍵設(shè)備，目前微水頭水電開發(fā)采取的水輪機(jī)設(shè)計(jì)主要有兩種方式：①沿用常規(guī)低水頭機(jī)型的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)水電站的設(shè)計(jì)以水的勢能為核心參數(shù)，成本主要取決于水頭，水頭越低，經(jīng)濟(jì)性越差。常規(guī)水力發(fā)電水輪機(jī)類型只有軸流式和貫流式兩種水輪機(jī)適應(yīng)水頭范圍可低至2～3 m。但從實(shí)際運(yùn)行來看，目前低水頭電站所采用的全貫流水輪發(fā)電機(jī)組和整裝式燈泡貫流機(jī)組并不完全適用于在微水頭段運(yùn)行。②采用零水頭發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方法。這類水輪機(jī)通常應(yīng)用于天然河流、潮流、海流、人造水道以及其他具有足夠水流速度的流道，與常規(guī)水輪機(jī)的本質(zhì)區(qū)別是將水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再通過發(fā)電機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。這類水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，通常安裝在開闊水域，棄水量大，理論極限效率只能達(dá)到59.3%，與同等裝機(jī)容量的內(nèi)流水輪機(jī)相比，尺寸較大，安裝成本高，維護(hù)困難[4]。

可見，適應(yīng)0～3 m微水頭發(fā)電的水輪機(jī)尚沒有成熟的機(jī)型可以應(yīng)用，其成為制約微水頭水電開發(fā)的技術(shù)瓶頸。因此有必要梳理微水頭資源需求和應(yīng)用特點(diǎn)，提出研發(fā)適合開闊流域和封閉流域特點(diǎn)的兩型微水頭水力發(fā)電水輪機(jī)，總結(jié)形成動(dòng)勢能結(jié)合型微水頭水輪機(jī)設(shè)計(jì)方法。

二、微水頭資源開發(fā)研究現(xiàn)狀

世界上許多未開發(fā)的河流和溪流蘊(yùn)含了豐富的微水頭資源，借助簡單的、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝合適的水力機(jī)組利用其來發(fā)電。美國電力研究院（EPRI）的一項(xiàng)研究表明，在美國從河流中水動(dòng)力技術(shù)上可恢復(fù)的能量為119.9 TW·h [5]。通過流速型水輪機(jī)[6]可以僅僅使用水流（即無水壓頭）來產(chǎn)生電能。水流的速度和深度決定了可利用的水動(dòng)力能量，并決定了可以使用的水輪機(jī)的尺寸。

對(duì)于微水頭發(fā)電，當(dāng)運(yùn)河和其他人工河道的水流速度大于1.5 m/s時(shí)能量轉(zhuǎn)換理想，它們具有可控、可測和相對(duì)清潔的特點(diǎn)。美國的風(fēng)能和水能技術(shù)辦公室支持在已有的運(yùn)河系統(tǒng)發(fā)展水動(dòng)力能源[7]，例如華盛頓州的Roza運(yùn)河。中國臺(tái)灣[8]和老撾[9]在農(nóng)用水渠中建造了利用灌溉水的微型水電系統(tǒng)?？傮w來說，當(dāng)運(yùn)河和人工河道中有足夠的水流速度時(shí)，利用水流動(dòng)能發(fā)電是可行的。此外，水流的速度越快，發(fā)電的潛力就越大。在一些泵站中，在特殊情況下泵可作為水輪機(jī)來發(fā)電，例如在中國的江都灌溉總渠，當(dāng)淮河入流非常大時(shí)，泵機(jī)組可作為水輪機(jī)發(fā)出3 MW的電量。

在工業(yè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)管道，自來水廠和水電站供水管道中有大量的富余水頭。文獻(xiàn)[10]闡述了在冷卻塔管道中富余壓力從39～147 kPa的例子，在冷卻系統(tǒng)中安裝一個(gè)改進(jìn)的混流式水輪機(jī)，從而回收冷卻系統(tǒng)浪費(fèi)的能量。文獻(xiàn)[11]研究了300 kW的小型水輪機(jī)組，可以用來替代水電站供水系統(tǒng)中的減壓閥。許多水處理廠的引水管中的過壓也可以用來發(fā)電,在供水網(wǎng)絡(luò)中使用微型水力系統(tǒng)來發(fā)電可以控制系統(tǒng)的壓力。當(dāng)利用城市供水網(wǎng)絡(luò)中的潛在能量時(shí)，必須注意避免對(duì)水質(zhì)的影響，此外還可以設(shè)置旁通管路防止事故的發(fā)生。

雖然污水廠水力發(fā)電的實(shí)施仍然處于發(fā)展階段，但是隨著新的低水頭水輪機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)，在這些設(shè)施中存在的水能已得到越來越多的關(guān)注。自2002年以來，位于美國波士頓、馬薩諸塞州附近的鹿島污水處理設(shè)施，一直在從工廠流出的水中回收能源[12]。兩臺(tái)1 MW的水力發(fā)電機(jī)組安裝在該廠，每年發(fā)出超過6×106kW·h的電能，每年可節(jié)約60萬美元。在馬薩諸塞州米爾伯里的一個(gè)污水處理廠，有1.7 m的有效水頭，平均流量為1.4 m3/s，可以產(chǎn)生大約20 kW的電能。一般來說，在污水處理廠附近安裝水力裝置有兩種方案：第一種方案：水力裝置安裝在污水處理廠的上游。在這種情況下，水輪機(jī)部件應(yīng)該更耐腐蝕，并且導(dǎo)流管入口必須配備一個(gè)薄的攔污柵；第二種方案，水力發(fā)電機(jī)組安裝在下游，此處進(jìn)入水力機(jī)組的水流更干凈，對(duì)各部件的耐腐蝕要求降低，但是產(chǎn)生的另外一個(gè)重要問題是空間受到限制。

水電站壩腳處蘊(yùn)藏的水流以及補(bǔ)償流，或者從尾水管流出的水流依然具有相當(dāng)大的水動(dòng)力能量[13]。利用這些水流來發(fā)電將導(dǎo)致更低的流速，從而減少對(duì)沿線下游水工建筑物的侵蝕。在美國華盛頓州東南部的瓦納普大壩，可以將尾流中一定量的流場可視化，為水力機(jī)組選址提供了有用的參考點(diǎn)[14]。文獻(xiàn)[15]證實(shí)了印度Poringalkuthu水電站小水電項(xiàng)目的可行性。除了從尾流中獲取能量，熱電廠的冷卻水也被輸送到水電廠，通過卡普蘭水輪發(fā)電機(jī)來發(fā)電。

潮汐能包含了勢能和動(dòng)能，可以分別通過潮汐水庫和潮流機(jī)組來發(fā)電。地球潮汐資源理論蘊(yùn)藏量估計(jì)為8.8×1011kW·h/a，技術(shù)上可開采的潮汐能的潛力預(yù)計(jì)為8×1010kW·h/a [16]。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室估計(jì)美國所有潛在的海洋可再生能源的總和超過目前全國電力能源需求，到2025年，總共有13 GW的新水動(dòng)力技術(shù)可以利用，至少供應(yīng)美國10%的電力需求[17]。存在潛在海流能的國家或地區(qū)，包括愛爾蘭、亞馬遜河、英吉利海峽、直布羅陀海峽、斐濟(jì)島、墨西拿海峽、伊朗南部海岸和韓國等[18]。在中國，豐富的潮汐能資源有巨大的開發(fā)潛力，中國的潮汐能源超過80%分布在福建和浙江，長江口的南部海域具有豐富的潮流能[19]。然而，目前潮汐能的開發(fā)仍然面臨著復(fù)雜的海洋水動(dòng)力環(huán)境、設(shè)備壽命短、維修困難、施工難度大、投資大等挑戰(zhàn)。

綜上所述，已有的研究和應(yīng)用表明，微水頭水力資源分布十分廣泛，且具有巨大的開發(fā)潛力。但是目前我國微水頭水力資源分布研究不足，對(duì)河流、運(yùn)河、水庫、工業(yè)生活廢水、海洋新能源等微水頭資源需求和應(yīng)用特點(diǎn)的梳理及研究意義重大。

三、微水頭發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀

選擇合適的水輪機(jī)型式對(duì)微水頭水力資源的開發(fā)十分重要。傳統(tǒng)的水輪機(jī)可以分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)，可以細(xì)分為以下幾類：沖擊式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)、雙擊式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、軸流式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī)。此外，還有二十多種將水能轉(zhuǎn)換成電能的新型水輪機(jī)型式，這些新型的水輪機(jī)可分為升力型和阻力型，其分類是基于作用在葉片上的力的原理，或是流動(dòng)方向與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系為水平或垂直而劃分的。

（一）傳統(tǒng)類型微水頭水力發(fā)電水輪機(jī)

水輪機(jī)選型通常采用的一種方法就是參考水輪機(jī)選型圖表，并利用它進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。水輪機(jī)選型表可以為特定地址的水輪機(jī)型式確定提供參考信息，并且?guī)椭圃鞆S家來核實(shí)水輪機(jī)是否適合該特定地址的情況。有報(bào)道表明，一些結(jié)構(gòu)簡化的混流式水輪機(jī)可應(yīng)用在水頭低于3 m的情形，同時(shí)，重新設(shè)計(jì)的雙擊式水輪機(jī)也可應(yīng)用于沒有壓頭的情形。文獻(xiàn)[20]使用相關(guān)的研究成果創(chuàng)建了適合微水頭的水輪機(jī)選型圖表，該表考慮了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性，甚至在水頭低至0.5 m或流速低至0.5 m/s的極端情況下，依然有水輪機(jī)型式可選。

一般來說，在微水頭應(yīng)用中很少使用明槽式的混流式水輪機(jī)。在流量低于1 m3/s時(shí)，混流式水輪機(jī)尺寸小，葉片數(shù)量多，因此加工困難，造價(jià)高。在相同的微水頭情況下，和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)相比，混流式水輪機(jī)的過流能力較差，出力較低。在較寬的水頭范圍內(nèi)或流量波動(dòng)范圍內(nèi)，混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性好，效率高，優(yōu)于軸流定槳式水輪機(jī)。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)由于其雙調(diào)節(jié)能力（即轉(zhuǎn)輪葉片和轉(zhuǎn)輪都可調(diào)），在較寬的范圍內(nèi)也展現(xiàn)較好的性能，但是葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜并且在轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)需要適當(dāng)?shù)陌惭b空間。由于這種復(fù)雜性，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組價(jià)格昂貴，因此在大流量、低水頭情況下更適合，經(jīng)濟(jì)性能更好。軸流定槳式水輪機(jī)更適合在微水頭中應(yīng)用，但對(duì)軸流（定槳）式水輪機(jī)最優(yōu)的出力運(yùn)行范圍受到限制。

對(duì)微水頭的情況，貫流式水輪機(jī)是較好的選擇，因?yàn)樗鞴P直通過水輪機(jī)，過流量大，水力損失小。對(duì)于總流量較小的站址，可以使用單調(diào)節(jié)或無調(diào)節(jié)的貫流式水輪機(jī)來代替雙調(diào)節(jié)的類型以減少復(fù)雜性和降低系統(tǒng)成本。此外，可以適當(dāng)?shù)睾喕瘜?dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的幾何形狀和數(shù)目來降低軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī)的制造成本。文獻(xiàn)[21]對(duì)江廈潮汐電站雙向燈泡貫流式水輪機(jī)（水頭范圍1.2～5.5 m）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將正反向發(fā)電效率提高了6%。文獻(xiàn)[22]研制了適用于2 m左右的超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)。近年來，一種非常低水頭的水輪機(jī)已被證明適合在微水頭情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，它是一種新型的軸流式水輪機(jī)。

傳統(tǒng)的雙擊式水輪機(jī)由射流推動(dòng)，通常應(yīng)用的水頭范圍較寬（5～200 m）。雙擊式水輪機(jī)的最佳效率略低于軸流式或混流式水輪機(jī)。然而，雙擊式水輪機(jī)在變負(fù)荷工況下效率曲線平坦，且它的結(jié)構(gòu)要求簡單，具有自凈能力[23]。此外，雙擊式水輪機(jī)可以改進(jìn)為半浸沒或全浸沒式的，從而轉(zhuǎn)換電能的效率更高。因此，雙擊式水輪機(jī)可能是一種理想的用于微水頭的水能轉(zhuǎn)換器。

（二）新型微水頭水力發(fā)電水輪機(jī)

德國研制了阿基米德螺旋式水輪機(jī)，螺旋式水輪機(jī)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)碎片的耐受性，阿基米德螺旋式水輪機(jī)具有對(duì)魚類友好的潛力，對(duì)環(huán)境影響小，轉(zhuǎn)速低，以及相對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)需求[24]。文獻(xiàn)[25]通過多目標(biāo)分析工具，認(rèn)為阿基米德螺旋式水輪機(jī)是一種最適合低水頭能源的水輪機(jī)。然而，阿基米德螺旋式水輪機(jī)體積大，導(dǎo)致運(yùn)輸和安裝困難。

此外，文獻(xiàn)[26]研制出了適用于0.5～3 m水頭范圍的正反轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)；丹麥研究建立了Wave Dragon漂浮型波浪發(fā)電場[27]；愛爾蘭研究建立了Wavebob波浪能發(fā)電場[28]；美國水電綠色能源公司與美國陸軍工程兵團(tuán)聯(lián)合研制了安裝于密西西比河上的小水電站的流速水輪機(jī)；韓國Uldolomok海峽海岸安裝了戈?duì)柭宸蚵菪嗡啓C(jī)[29]；新加坡Altantis公司研發(fā)了設(shè)計(jì)流速為2.6 m/s的坐海底式定槳距水輪機(jī)，還研發(fā)了帶導(dǎo)流罩水輪機(jī)，并成功安裝運(yùn)行測試[30]；中國在官山安裝了漂浮式雙轉(zhuǎn)子垂直軸水輪機(jī)、擺線式轉(zhuǎn)輪、二葉片水平軸葉輪等裝置，并進(jìn)行了水道測試[31]；文獻(xiàn)[32]對(duì)矩形潮流能水輪機(jī)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種適用于中低流速的垂直軸新型發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置。

在超低或零水頭下，流速型水輪機(jī)是由自由流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。這種類型的水輪機(jī)通常應(yīng)用在自然河流、潮汐、潮流、人工水道以及其他具有足夠水流速度的場所。水動(dòng)力系統(tǒng)可以將流水的能量轉(zhuǎn)換成電能，可以通過像風(fēng)電場一樣布置多機(jī)組來提供電力產(chǎn)量。此外，這些系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)要求是最小的。但是，其相對(duì)較低的效率、空化性能，高昂的安裝成本和維修困難是推進(jìn)水動(dòng)力技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

四、趨勢與建議

綜上所述，目前的微水頭發(fā)電主要是利用其水流流速所帶來的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能發(fā)電，常規(guī)水輪機(jī)在微水頭特點(diǎn)發(fā)電時(shí)顯示出諸多不足，因此，有必要對(duì)應(yīng)用于微水頭的水力發(fā)電裝置進(jìn)行深入研究，提出微水頭水力發(fā)電原動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法和性能研究方案。

國際上已經(jīng)逐漸意識(shí)到微水頭資源的價(jià)值，并且有在運(yùn)河、污水處理廠、水壩下游等微水頭應(yīng)用的典型個(gè)案。但是對(duì)于微水頭總體資源分布還沒有全面的統(tǒng)計(jì)，對(duì)于資源類型、特點(diǎn)、裝置適用性等還沒有清晰的論述。所以業(yè)界對(duì)于微水頭資源究竟可以創(chuàng)造多少經(jīng)濟(jì)價(jià)值尚缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而影響在該領(lǐng)域資金和技術(shù)的投入，制約了微水頭開發(fā)利用發(fā)展的步伐。應(yīng)首先進(jìn)行微水頭資源的梳理和分類，總結(jié)國內(nèi)外微水頭資源的特點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的歸類，給出總體設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析，吸引相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者和業(yè)主的目光，推進(jìn)微水頭水電開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步。

目前對(duì)于微水頭水力發(fā)電水輪機(jī)的研究，多以壓力型常規(guī)水輪機(jī)或速度型零水頭為母型，在適應(yīng)超低水頭特點(diǎn)上進(jìn)行部分參數(shù)和部件的改進(jìn)，或者是單個(gè)機(jī)型的發(fā)明創(chuàng)新，尚沒有一套針對(duì)“壓力頭”和“速度頭”同時(shí)并存的完整的設(shè)計(jì)理論和方法，相當(dāng)于處在理論設(shè)計(jì)的空白階段，與常規(guī)水力發(fā)電的成熟技術(shù)相比有著遙不可及的距離，嚴(yán)重制約著微水電的發(fā)展。應(yīng)結(jié)合葉珊理論和葉素動(dòng)量理論方法，建立動(dòng)勢能結(jié)合型微水頭水輪機(jī)的設(shè)計(jì)理論和方法，為微水頭水輪機(jī)機(jī)型的完善和發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

開發(fā)微水頭水力發(fā)電技術(shù)符合可再生能源國家發(fā)展戰(zhàn)略，是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、緩解環(huán)境問題的優(yōu)先選擇。筆者通過梳理河流、運(yùn)河、水庫、電廠尾水、管道供水、城市廢水、海洋新能源等微水頭資源需求和應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)適合開闊流域和封閉流域特點(diǎn)的兩型微水頭水力發(fā)電水輪機(jī)，對(duì)形成動(dòng)勢能結(jié)合型微水頭水輪機(jī)設(shè)計(jì)方法有了初步認(rèn)知。本文可為開發(fā)微水頭小型水力發(fā)電裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。