環(huán)境友好型水輪機(jī)研發(fā)的新進(jìn)展

［美國］ T.霍根等

目前，一種魚類友好型、高能效并能改善水質(zhì)的水輪機(jī)已出現(xiàn)在市場，并有望得到大規(guī)模推廣。這種新型水輪機(jī)經(jīng)過了15 a以上的研發(fā)，解決了一些水電工程中最為棘手的問題，例如魚類通過水輪機(jī)抵達(dá)下游時的魚道安全、尾水渠水質(zhì)的改善以及如何通過減少泄水增加發(fā)電量等問題。

20世紀(jì)90年代，美國能源部啟動了一項(xiàng)旨在提高通過水輪機(jī)的魚群存活率的研究項(xiàng)目。該研究項(xiàng)目名為“先進(jìn)的水輪發(fā)電機(jī)組計(jì)劃”(AHTS)，此計(jì)劃支持兩項(xiàng)水輪機(jī)的研發(fā)，即奧爾登公司研發(fā)的一種新型水輪機(jī)和福伊特水電公司研發(fā)的最小間隙轉(zhuǎn)輪(MGR)。在開展研發(fā)工作的同時，也在測定過魚存活率、量化魚類過機(jī)可能造成損傷的機(jī)制，以及檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)性能所用的方法和所需設(shè)備方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

上述研究成果隨后被納入到高效水輪機(jī)設(shè)計(jì)或改造工程中，借助這些技術(shù)，在設(shè)計(jì)高效水輪機(jī)進(jìn)行低碳發(fā)電的同時，也可考慮生物學(xué)準(zhǔn)則。上述新方法和設(shè)備為現(xiàn)場驗(yàn)證全尺寸的預(yù)期水輪機(jī)性能提供了有效手段。

該水輪機(jī)除了有助于魚類安全通過水輪機(jī)抵達(dá)下游之外，在改善下游水質(zhì)的技術(shù)方面也取得了重大進(jìn)展，包括降低尾水渠中水的溶解氧含量，以及水輪機(jī)潤滑組件所用機(jī)油可能外泄的風(fēng)險(xiǎn)等。

1 背景

為了宣傳和推廣環(huán)境友好型水輪機(jī)在設(shè)計(jì)、評估及試驗(yàn)中所取得的成就，2011年5月，美國電力研究所(EPRI)和能源部在華盛頓專門召開了關(guān)于環(huán)境友好型水輪機(jī)的主題會議。組委會由聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)、電力研究所和私營企業(yè)代表組成。這種多元化的組成形式，有助于水電開發(fā)部門贏得與美國水電開發(fā)核心機(jī)構(gòu)通力合作的機(jī)會。

更為重要的是，美國能源部(聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu))、墾務(wù)局和美國陸軍工程師團(tuán)，于2010年3月24日共同簽署了一份水電諒解備忘錄。該備忘錄旨在各方通過建立長期的合作關(guān)系、確立共同目標(biāo)，落實(shí)當(dāng)前和今后一段時期可再生能源的開發(fā)計(jì)劃，滿足國家對安全型、經(jīng)濟(jì)型及環(huán)境可持續(xù)型水電的需求。備忘錄中最具體的一項(xiàng)是召開研討會，討論當(dāng)前如何通過聯(lián)邦政府籌措資金，以及實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)需要完成的新舉措和技術(shù)研發(fā)工作。。

2 環(huán)境友好型水輪機(jī)的新突破

近年來，除了在新型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)上實(shí)現(xiàn)重大突破之外，在解決過魚問題的設(shè)備和方法上也有進(jìn)一步的發(fā)展。在新型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中，最值得一提的是，這種水輪機(jī)不僅能使魚類安全過壩抵達(dá)下游，有效地將魚類傷亡率降至最低，而且還可充分利用原本為棄水或通過岸邊溢洪道下泄的水進(jìn)行發(fā)電。阿爾登水輪機(jī)和福伊特(Voith)最小間隙轉(zhuǎn)輪(MGR)水輪機(jī)，就是兩組親魚型水輪機(jī)的典范。

阿爾登水輪機(jī)采用了一種全新的轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)。為提高魚類的存活率，早在21世紀(jì)初，試驗(yàn)室有關(guān)研究機(jī)構(gòu)便對這種轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了室內(nèi)中試規(guī)模的試驗(yàn)，并隨之概念化。在過去數(shù)十年的不斷研發(fā)中，人們借助于現(xiàn)代化試驗(yàn)室和計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，使該轉(zhuǎn)輪的親魚特性與發(fā)電性能得以不斷優(yōu)化。

在美國能源部的資助下，美國電力研究所(EPRI)、福伊特公司及阿爾登研究工作室近期已完成了項(xiàng)目上的合作，目前阿爾登水輪機(jī)已準(zhǔn)備投放市場。這種水輪機(jī)經(jīng)過了精心、周密而嚴(yán)格的研究和設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)可大大提高過魚存活率(體長小于20 cm的魚，存活率可提高至98%以上，鰻魚和鱘魚的存活率可提高至99%)，水輪機(jī)效率也相應(yīng)提高(達(dá)94%)。

由于水輪機(jī)過魚的預(yù)期存活率提高，并可充分利用原本為棄水或通過岸邊溢洪道下泄的水進(jìn)行發(fā)電，滿足了過魚和下游最小流量的要求，因而阿爾登水輪機(jī)對市場極具吸引力。為部署推廣和現(xiàn)場試驗(yàn)阿爾登水輪機(jī)，阿爾登研究工作試驗(yàn)室和美國電力研究院正在兩地考察，研究在現(xiàn)場進(jìn)行全尺寸的水輪機(jī)運(yùn)行演示，這兩地分別設(shè)在美國和法國。2011年9月，美國能源部表達(dá)了在美國示范地推廣和試驗(yàn)該水輪機(jī)下一階段的籌資意向。安裝這一原型水輪機(jī)的示范地為紐約市布魯克菲爾德(Brookfield)的學(xué)校街工程(School Street Project)，電站裝機(jī)38 MW。布魯克菲爾德新能源集團(tuán)目前正在評估學(xué)校街工程安裝阿爾登水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)合理性。兩家機(jī)構(gòu)同時也與法國電力公司(EDF)協(xié)作，在法國佩伯尼特(Pebernat)水電工程中安裝阿爾登水輪機(jī)。目前，其工作重點(diǎn)主要放在站址的初步設(shè)計(jì)和籌資規(guī)劃方面，下一步將由法國電力公司與福伊特公司簽署水輪機(jī)購置協(xié)議。

福伊特最小間隙轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)是一款轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，它經(jīng)過精心改良，減小了轉(zhuǎn)輪的間隙，可減小魚類的傷亡。在位于華盛頓的博納維爾(Bonneville)水電工程(電站裝機(jī)1076 MW)中進(jìn)行了此水輪機(jī)的原型試驗(yàn)，結(jié)果表明，該水輪機(jī)的過魚存活率等于甚至大于現(xiàn)有水輪機(jī)。這種最小間隙轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)，后來又安裝到瓦納普姆(Wanapum)水電工程(電站裝機(jī)1038 MW)中，并對其性能進(jìn)行了評估。評估表明，初次由河入海的幼體大馬哈魚的存活率高達(dá)約97%。此外，這種水輪機(jī)能在不影響大馬哈魚過機(jī)存活率的情況下提高其效率。目前，準(zhǔn)備將瓦納普姆電站中原有的10臺水輪機(jī)全部更換，并計(jì)劃于年內(nèi)(2013年)全部換完。

此外，美國陸軍工程師團(tuán)一直在進(jìn)行一項(xiàng)交叉學(xué)科的研究，即魚類過機(jī)存活率計(jì)劃，目的是尋求拓展魚類過機(jī)環(huán)境的知識水平，減小傷及幼體大麻哈魚的影響，以及如何優(yōu)化水輪機(jī)工況來保護(hù)魚類，同時通過改善水輪機(jī)設(shè)計(jì)來提高魚類過機(jī)的存活率。

美國陸軍工程師團(tuán)工程研發(fā)中心(ERDC)準(zhǔn)備建一套1∶25的物理模型來進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)上述計(jì)劃。該模型通過向水輪機(jī)流體中注入一種中性浮力(neutrally-buoyant)水珠或染料，便可實(shí)現(xiàn)水流的可視化。掌握了流體的動力特性，就易于確定魚類過機(jī)通道潛在問題的區(qū)域。

例如，美國陸軍工程師團(tuán)水電設(shè)計(jì)中心和ERDC已與福伊特公司展開了合作，致力于改進(jìn)華盛頓州蛇河下游裝機(jī)603MW的愛斯哈寶(Ice Harbor)電站中的水輪機(jī)更新設(shè)計(jì)。為改進(jìn)此設(shè)計(jì)，采用了一種綜合研究方法，包括物理模型試驗(yàn)和CFD模型分析。該設(shè)計(jì)方法十分獨(dú)特，其主要目標(biāo)與改善過魚通道密切相關(guān)，而不是提高發(fā)電量和水輪機(jī)效率。

同樣，美國陸軍工程師團(tuán)也在哥倫比亞河約翰迪(John Day)電站(裝機(jī)2160MW)建了一座CFD模型，以測算水輪機(jī)所產(chǎn)生的壓力。美國陸軍工程師團(tuán)證實(shí)，該方法行之有效，能測算出魚類在上述水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪環(huán)境中所能承受的壓力，并可承受這些壓力的機(jī)率。

除了為保護(hù)魚類抵達(dá)河流下游的水輪機(jī)技術(shù)外，還研發(fā)了其他的水輪機(jī)技術(shù)，如增加電站尾水渠中水的溶解氧含量。溶解氧含量低，是某些進(jìn)水口深的電站所應(yīng)關(guān)注的環(huán)境問題，因?yàn)檫M(jìn)水口深，而水庫中的水是一種有溫差的分層流，因此對這種情形，如果能采取某種方式增加下游的溶解氧含量，就能改善水質(zhì)，保護(hù)下游的水生生境。

盡管給水輪機(jī)出流加氣并不是一項(xiàng)新技術(shù)，但有些更大的水輪機(jī)制造商，通過大量的計(jì)算分析，進(jìn)一步優(yōu)化了這項(xiàng)技術(shù)。近來還有更多的研究，都集中在某些更復(fù)雜的加氣現(xiàn)象模擬上，例如壓力變化不定時的加氣氣泡的可塑性，以及兩相流(水體與空氣混合)的模擬。

又例如，福伊特公司利用其獨(dú)特的分散氣泡模型來預(yù)測各種不同加氣方位(中央、周邊和分散注入點(diǎn))的溶解氧吸收和氣泡分布狀況。然而要真正測出實(shí)際加氣的多少是困難的，資料表明，加氣水輪機(jī)在增加尾水渠溶解氧含量方面是有效，而對水輪機(jī)效率的影響卻微乎其微。

與此同時，為支持水輪機(jī)輔助設(shè)備的有效運(yùn)行，對環(huán)境友好型水輪機(jī)的潤滑系統(tǒng)也進(jìn)行了改進(jìn)。最新的技術(shù)有:可生物降解的潤滑油、高效潤滑油的管理和配置系統(tǒng)，以及自潤滑無油襯套的運(yùn)用等。

3 過魚分析

評價(jià)水輪機(jī)生物性能所需的知識范圍要求很廣，從水輪機(jī)環(huán)境的個體物理現(xiàn)象的詳盡特征，到對與魚類安全過壩有關(guān)的所有機(jī)械、水力以及生物方面問題的全面系統(tǒng)的認(rèn)識，無所不及。而計(jì)算流體動力學(xué)試驗(yàn)可作為橋梁，將生物數(shù)據(jù)(試驗(yàn)室和實(shí)際)、物理數(shù)據(jù)和魚類行為特性緊密結(jié)合在一起。該方法可認(rèn)為成本低、效果好，能很好地建立試驗(yàn)室對魚類的評估與水輪機(jī)設(shè)計(jì)之間的有機(jī)聯(lián)系。

近年來，西北太平洋國家試驗(yàn)室(PNNL)對有過魚經(jīng)歷的水輪機(jī)環(huán)境特征進(jìn)行了重點(diǎn)研究。其研究和評估方法包括:生物試驗(yàn)技術(shù)、綜合評定和假設(shè)性試驗(yàn)，如通過預(yù)計(jì)魚類過機(jī)最高存活率來確定水輪機(jī)的工況。

為確定相關(guān)壓力對魚類過機(jī)造成的傷害機(jī)制，西北太平洋國家試驗(yàn)室已進(jìn)行了綜合性試驗(yàn)室研究。研究人員采用計(jì)算機(jī)控制的低壓缺氧室，模擬過機(jī)魚類所處的壓力變化狀態(tài)，從而確定魚類所受的影響。通過了解壓力變化對過機(jī)魚類的影響，水輪機(jī)運(yùn)行人員和設(shè)計(jì)人員便可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步提高過魚存活率。

基于此項(xiàng)研究，PNNL在確定植入式聲波遙測技術(shù)對幼體大馬哈魚受傷率的影響方面也取得了一些進(jìn)展。此項(xiàng)研究表明，該技術(shù)采用的是植入式聲波發(fā)射器，而這種發(fā)射器會產(chǎn)生一種負(fù)偏壓，影響到魚類存活率的估計(jì)，因而造成估計(jì)結(jié)果有誤。

由于美國陸軍工程師團(tuán)在幼體大麻哈魚聲波遙測系統(tǒng)中運(yùn)用了植入式魚類標(biāo)簽，所以必須了解實(shí)際過魚存活率是否真正高于遙測技術(shù)所測的存活率，這一點(diǎn)很重要。為幫助消除這一差異，PNNL一直致力于設(shè)計(jì)和試驗(yàn)一種新型的附著于外部而具中性浮力的聲波發(fā)射器，用以追蹤工程區(qū)域的魚類軌跡。最近的試驗(yàn)室評估結(jié)果表明，在試驗(yàn)室模擬水輪機(jī)工作的狀況下，這種新型的植入式標(biāo)簽設(shè)計(jì)，對幼年大麻哈魚無任何不利影響。

然而，PNNL研制的這種新型標(biāo)簽，尚未經(jīng)過真實(shí)環(huán)境的檢驗(yàn)，因此在這種新產(chǎn)品投入運(yùn)用之前，仍沿用廣泛采用的氣球標(biāo)簽(Hi-Z標(biāo)簽)。而這種傳統(tǒng)式標(biāo)簽，確實(shí)是估算過機(jī)魚類存活率的一種有效技術(shù)。

PNNL還開發(fā)了一種工具，即聲納探魚器(sensor fish)。該工具為圓柱型，用聚碳酸酯材料制成，約為一條幼體大麻哈魚大小，可用于探測通過水輪機(jī)的魚類所受的壓力變化、變化角速度及線性加速度。

在美國能源部近期“先進(jìn)的水電開發(fā)”項(xiàng)目基金的支持下，該聲納探魚器的設(shè)計(jì)又可上一臺階，并提高探測精度，降低成本。同時，PNNL也一直致力于同化現(xiàn)場水力資料(將各種不同來源的資料融合)，例如通過聲納探魚器采集數(shù)據(jù)，用CFD分析成果和通過魚類傷亡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測等各種來源的數(shù)據(jù)，開發(fā)出一套能預(yù)測水輪機(jī)生物性能的綜合性方法。

美國電力研究院還通過對水輪機(jī)葉片前緣的設(shè)計(jì)研究，構(gòu)建了如何制造更親魚型水輪機(jī)的知識體系，并為阿爾登研究工作室多年的CFD技術(shù)和試驗(yàn)室研究工作進(jìn)行了籌資。研究工作中的一個重點(diǎn)是，評估了各種轉(zhuǎn)輪葉片的幾何形狀和厚度對魚類傷亡的影響。生物學(xué)評價(jià)結(jié)果表明，鈍而圓的葉片前緣對魚類的傷害較小。這些成果已運(yùn)用到最新的阿爾登水輪機(jī)設(shè)計(jì)中，而且也同樣有助于提高其他類型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的生物性能。

4 前景展望

人們在為解決水電工程相關(guān)的環(huán)境問題而研發(fā)出先進(jìn)的水輪機(jī)技術(shù)方面，雖已取得巨大進(jìn)展，但這些技術(shù)只有通過實(shí)踐檢驗(yàn)后才能實(shí)現(xiàn)其真正的價(jià)值。首先，水電業(yè)需要在制定與水輪機(jī)環(huán)境性能相適應(yīng)的準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)方法方面得到支持。然而盡管在水輪機(jī)性能指標(biāo)(功率、流量和效率等)上有不盡其數(shù)的規(guī)定，但在環(huán)境性能方面的管理標(biāo)準(zhǔn)卻相對較少。其次，水電業(yè)需要一定的財(cái)政支持，才能保證實(shí)地運(yùn)用的新技術(shù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)最小。

美國電力研究院和阿爾登工作研究室一直在努力為阿爾登水輪機(jī)選定一個示范站點(diǎn)。鑒于美國和法國兩處建立示范點(diǎn)的協(xié)議還未最終敲定，因此兩家機(jī)構(gòu)擬針對站址來修改水輪機(jī)設(shè)計(jì)，同時制定一項(xiàng)示范運(yùn)行計(jì)劃和資金籌措計(jì)劃，啟動站點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)。

一旦完成裝機(jī)，緊接的一個重要步驟就是現(xiàn)場試驗(yàn)，對水輪機(jī)的預(yù)期性能進(jìn)行驗(yàn)證，并獲得相關(guān)行業(yè)和資源管理機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，認(rèn)為該水輪機(jī)為水電工程中魚類過機(jī)抵達(dá)下游的有效方式。美國能源部已表示支持該示范項(xiàng)目，并為下一階段在學(xué)校街工程中試驗(yàn)和推廣阿爾登水輪機(jī)籌措資金。

隨著美國水電基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸老化和現(xiàn)有非發(fā)電工程中增設(shè)水電的可能性，推廣運(yùn)用先進(jìn)的水輪機(jī)技術(shù)便為大勢所趨。為了研發(fā)先進(jìn)的環(huán)境友好型水輪機(jī)技術(shù)，人們投入了大量的時間、人力和資金，現(xiàn)在，將這些投入轉(zhuǎn)化為效益正逢其時。