美國新橋水水電站的摻氣水輪機(jī)

[美國]凱文.M.羅蘭 杰森.M.福斯特 格瑞戈里.D.勒威斯 約翰.C.斯格蒙

蘇 燕 譯自美刊《水電評論》2010年第4期

已建的20MW橋水(也稱布里奇沃特)水電站位于北卡羅萊納州的卡托巴(Catawba)河、林維爾(Linville)河和帕迪(Paddy)河上。卡托巴壩、林維爾壩和帕迪壩這 3座壩建成后,形成了詹姆士湖(Lake James)。水電站就建在林維爾壩壩基上,于1919年開始運(yùn)行。

在重新為工程申辦許可證期間,杜克能源公司卡羅萊納州有限責(zé)任公司的業(yè)主決定,需改進(jìn)1915年設(shè)計(jì)的原林維爾壩,以滿足聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)對大壩穩(wěn)定性的現(xiàn)行要求指標(biāo)。杜克能源公司雇用卡羅萊納州 HDR工程股份有限公司(HDR｜DTA)進(jìn)行可行性研究,并確定可以滿足現(xiàn)行 FERC抗震穩(wěn)定性要求的各種方案。HDR｜DTA研究結(jié)論表明,最有效的整體方案是拆除已建的橋水水電站,用下游較遠(yuǎn)處的一座新水電站取而代之,為已建土壩下游側(cè)的大型補(bǔ)強(qiáng)土戧堤的擴(kuò)建部分騰出空間。綜合考慮了各項(xiàng)費(fèi)用和施工能力等因素之后,認(rèn)為這一方案優(yōu)于采用碾壓混凝土或環(huán)繞已建發(fā)電站的工程擋土墻的方案。

新的橋水水電站也給了杜克能源公司達(dá)到最小連續(xù)流量需求和壩址處水輪機(jī)過流量摻氣的機(jī)會,以滿足重辦許可證時(shí)承諾的環(huán)境要求。如果保留已建水電站,那么將需要相當(dāng)可觀的投資去改造和修復(fù)已有的水輪機(jī),以使其能夠滿足那些新的環(huán)境方面的要求。

橋水水電站建設(shè)為水電工程業(yè)主、工程顧問和設(shè)備供應(yīng)商提供了一次絕無僅有的合作機(jī)會,利用水輪機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展共同設(shè)計(jì)水電站。杜克能源公司選中伏伊特(Voith)水電公司來供應(yīng)新水輪機(jī)設(shè)備。

1 溶氧問題

低溶氧(DO)是美國南部水庫的通病。在夏末的較熱月份里,這些水庫會發(fā)生溫差分層,導(dǎo)致水庫分成截然不同的層次。最上層的特點(diǎn)是溶氧量高。在溫躍層下,隨著深度的下降,溶氧濃度迅速下降,在水庫底部的某些地方可能會低至1mg/L。許多已建的水電工程,水輪機(jī)取水口遠(yuǎn)低于水庫水面,這里溶氧量低。然后水流過水輪機(jī),排入設(shè)備下游的尾水渠,這里的低溶氧含量可能對水質(zhì)和水生生物有不利影響。

在超過一個日歷年度的較短時(shí)期內(nèi),橋水水電站尾水渠內(nèi)的溶氧含量可能會降到國家現(xiàn)行的水質(zhì)要求(瞬時(shí) 4mg/L和日平均5mg/L)以下。如上所述,橋水水電站的水輪機(jī)改造為最新?lián)綒饧夹g(shù)的應(yīng)用提供了一個極好的機(jī)會。

2 項(xiàng)目評估和設(shè)計(jì)

用新型水電設(shè)備解決增加溶氧的需求,促使橋水水電站工程進(jìn)入了實(shí)施階段,除摻氣能力外,在始終保持最小流量的同時(shí),新電站還要承擔(dān)水庫水位調(diào)節(jié)的正常職能。為了使發(fā)電量最大且滿足這些需求,HDR｜DTA和杜克能源公司評估了各種機(jī)組臺數(shù)和大小的幾種不同電站的配置方式。經(jīng)過慎重評估,最終選擇安裝2臺較大的立式混流式機(jī)組(轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑為2.5m)和1臺較小的混流式機(jī)組的方案(轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口直徑為0.9m)。

HDR｜DTA考慮了幾種技術(shù)可行的方法來解決工程現(xiàn)場溶氧低的問題,初步研究的重點(diǎn)是上游方案,比如水庫表面水泵和多孔管道擴(kuò)散器。

經(jīng)研究,最終的結(jié)論認(rèn)為,對于水庫表面水泵來說,庫水面和布里奇沃特取水口之間的27m距離太遠(yuǎn)了,難以獲得所需的效率;而氧氣管擴(kuò)散器是一項(xiàng)成熟的技術(shù)且相當(dāng)行之有效,但是因?yàn)槠涑跗诎惭b費(fèi)用和長期的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)與其他技術(shù)可行的方案增加的費(fèi)用相比,沒有優(yōu)勢,所以摒棄了該方案。

其他一些摻氣方案在水輪機(jī)本體內(nèi)部進(jìn)行,運(yùn)行時(shí)摻氣部位形成低壓區(qū)通向大氣,從而產(chǎn)生一股自然流動的風(fēng)進(jìn)入水流道。這種摻氣類型被稱為自動摻氣水輪機(jī),是一個高性價(jià)比的為水輪機(jī)提供強(qiáng)氣流的方法。主要有3種類型的自動摻氣水輪機(jī),包括中部、周邊和分布摻氣。每種方法都采用了獨(dú)特的使系統(tǒng)從水輪機(jī)外部到流道內(nèi)的不同部位均可輸送大氣的方案。3種摻氣技術(shù)的概況見圖1。

圖1 水輪機(jī)摻氣方法

分布摻氣從頂蓋(一般在水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi))上幾根管道吸入空氣并收集到轉(zhuǎn)輪上冠上的連通轉(zhuǎn)輪室中。空氣進(jìn)入空心的輪葉,再沿著輪葉泄水邊的一列狹槽進(jìn)入水道。中部摻氣時(shí),空氣從頂蓋上方的區(qū)域輸送到擋水錐四周的各個部位,或通過水輪機(jī)軸和擋水錐底部出來。周邊摻氣在更下游的地方進(jìn)行,靠近尾水管的進(jìn)口。一般來說,改造已建電站時(shí),尾水管的進(jìn)人廊道為輸入管道的鋪設(shè)提供了方便的位置。空氣通過支管系統(tǒng)輸送,支管系統(tǒng)將空氣分布到尾水管外的四周。空氣通過尾水錐管內(nèi)表面的一條連續(xù)槽或多個孔引入水中。

3 摻氣法

由于自動摻氣水輪機(jī)的摻氣法是利用流道內(nèi)不同的注入位置,轉(zhuǎn)輪下面的局部流態(tài)使得每種技術(shù)具有截然不同的特點(diǎn)。這些因素影響到尾水管內(nèi)的氣泡大小及其分布,這對摻氣效率也有顯著的影響,而且這些因素還使摻氣影響著運(yùn)行效率。

3.1 中部摻氣

中部空氣通過擋水錐吸入,進(jìn)氣形成了柱狀氣泡連續(xù)進(jìn)入到尾水管內(nèi)。圖2顯示了中部摻氣時(shí)形成的氣泡分布狀況。注意這些圖表對應(yīng)的是水輪機(jī)滿負(fù)荷的運(yùn)行。

圖2 中部摻氣

雖然中部摻氣法比起改造已有水輪機(jī)費(fèi)用要便宜,但形成的柱狀氣泡只局限在尾水管錐體中部逗留,妨礙了氣水混合物的傳輸,限制了溶氧作用。這種摻氣方法在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最為有效,流出轉(zhuǎn)輪的水流內(nèi)存在旋流,降低了擋水錐上進(jìn)氣位置的靜壓。中部摻氣還容易干擾尾水管內(nèi)的水流,可能會使水輪機(jī)的效率大受影響。以下將探討溶氧傳輸效率以及各摻氣法對運(yùn)行效率的影響。

3.2 周邊摻氣

從尾水錐管的內(nèi)壁注入大氣形成一氣泡簾沿著流道周邊運(yùn)動。滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),周邊摻氣的氣泡分布見圖 3。

圖3 周邊摻氣

由于氣泡連續(xù)通過尾水管進(jìn)入到尾水渠內(nèi),氣水混合所產(chǎn)生的氣泡分布比中部摻氣更加均勻。盡管增加了氣水混合,尾水管流道中的氣泡分布還不是很均勻。周邊摻氣在中高負(fù)荷時(shí)有效,且對水輪機(jī)的運(yùn)行效率影響居中。

綜上所述：在減速制動過程中，在流體阻力及陣列本身的慣性等作用影響下，陣列A與陣列B、信號發(fā)射氣槍與信號接收分支陣列A均逐漸靠近；母艦減速緩和了陣列變形狀態(tài)的間距變化；若減速制動過程中加速度過大，會導(dǎo)致陣列自身的擺動加劇從而使得分支陣列難以保持平衡。因此,在減速制動過程中陣列A、陣列B無法繼續(xù)保持平行前進(jìn)。

3.3 分布摻氣

通過轉(zhuǎn)輪輪葉摻氣,利用輪葉后緣形成的低壓將空氣吸入到水輪機(jī)內(nèi)。充氣轉(zhuǎn)輪的另一個主要特點(diǎn)是空氣吸入點(diǎn)附近的流速梯度,切變流區(qū)有助于在尾水錐管內(nèi)將吸入的空氣破碎成細(xì)小的云霧狀。圖 4顯示了摻氣轉(zhuǎn)輪在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的氣泡分布狀況。

圖4 分布摻氣

吸氣槽位于轉(zhuǎn)輪輪葉的泄水邊,生成均勻的氣泡分布,遍及整個尾水管。這些較小的、分布均勻的氣泡使空氣和周圍排水量之間的接觸面積最大。3種自動摻氣備選方案中,已經(jīng)證實(shí)分布摻氣可產(chǎn)生提高溶氧的最佳效果,同時(shí)對運(yùn)行效率的影響又最小。

雖然分布摻氣可能是新橋水水電站選中的方法,但是與橋水水電站較小轉(zhuǎn)輪有關(guān)的制造卻限制或禁止使用摻氣轉(zhuǎn)輪。

4 摻氣效果

上述氣泡的特點(diǎn)在確定每種方法的相對摻氣效果時(shí)起著重要的作用。可以通過比較每種方法的溶氧上升率來評估其效果。

(1)評估方程1

圖5以函數(shù) Q/Qopt(空隙率 φ=3)的形式顯示了混流式自動摻氣水輪機(jī)實(shí)測資料的 DO上升率。Qopt表示水輪機(jī)在最高運(yùn)行效率時(shí)的流量。

(2)評估方程2

式中 Q氣是容積流率;Q是各運(yùn)行點(diǎn)的過流量。

在典型的混流式水輪機(jī)的正常運(yùn)行范圍內(nèi)(Q/Qopt為0.8～1.2),分布摻氣具有最大的 DO上升率,其次分別是周邊和中部摻氣。但是,在 Q/Qopt低于0.8的區(qū)域,中部摻氣的 DO上升率明顯大于分布和周邊摻氣。在這一運(yùn)行范圍內(nèi),轉(zhuǎn)輪出口處的水流旋流增多,產(chǎn)生氣泡分布,使擋流錐端部吸入的空氣和周圍的水能進(jìn)行良好地混合。

圖5 DO上升率

5 效率影響

摻氣時(shí)水輪機(jī)的效率損失取決于以下幾個參數(shù),包括水輪機(jī)尾水管形狀、空氣數(shù)量(或空隙率)、進(jìn)氣位置、氣泡大小和氣泡分布。圖 6顯示了為數(shù)眾多的 Q/Qopt=1.0的摻氣工程現(xiàn)場試驗(yàn)得出的性能趨勢。應(yīng)當(dāng)注意的是,效率(η)的變化定義為η不摻氣-η摻氣,以空隙率(Φ)的函數(shù)表示。

對于 Q/Qopt=1.0,顯示出效率下降在很大程度上取決于空隙率。如果空隙率低于1,那么所有的摻氣方法的效率影響都很小。但是,隨著空隙率的變大,中部摻氣的效率會顯著下降。上述 DO上升率的關(guān)系以及摻氣方法如何影響水輪機(jī)的性能,在優(yōu)化橋水水電站水輪機(jī)的最終摻氣方案中都進(jìn)行了全面考慮。

圖6 效率影響

6 溶氧預(yù)測

由于摻氣時(shí)空氣與周圍的水混合,空氣中的氧傳輸給周圍的水。兩相物質(zhì)混合后,物質(zhì)傳遞的問題已經(jīng)受到了極大的關(guān)注,這些研究所取得的成果已經(jīng)應(yīng)用到各種摻氣模式中。最成功的模式之一被稱為分散氣泡模型(DBM)。在設(shè)計(jì)階段,為了在布里奇沃特能使所需的 DO得到提高,使用 DBM評估各種氣流和氣泡駐留時(shí)間。對水庫上游溶氧含量的歷史回顧表明,目標(biāo)為 3～4mg/L的上升將可靠地包含預(yù)測的任何惡劣工況。這一含量附近很少出現(xiàn)問題且持續(xù)時(shí)間短,但是制定的設(shè)計(jì)依據(jù)包含了這些極值。這些計(jì)算合并了布里奇沃特運(yùn)行的各個具體參數(shù),包括現(xiàn)場工況、運(yùn)行點(diǎn)、預(yù)測氣流和水輪機(jī)的幾何形狀。

比較了2種通過水輪機(jī)過流量摻氣來提高溶氧的設(shè)計(jì)構(gòu)思。一種構(gòu)思是基于利用傳統(tǒng)的尾水管,另一種是加入一根更深更長的尾水管,以增加氣泡的駐留時(shí)間并使其溶氧上升更多。DBM運(yùn)算證實(shí),空氣量可能需要更深更長的尾水管,這些空氣將用于混合水輪機(jī)過流量。根據(jù)計(jì)算,伏伊特水電公司可將這種尾水管納入水輪機(jī)設(shè)計(jì)中。

在初步調(diào)查階段,為了在流道中產(chǎn)生所需的更低靜壓以輸出所期望的較大氣流,預(yù)計(jì)水輪機(jī)的安裝高程要比正常的安裝高程要高。但是在設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)優(yōu)化分析(包括 DBM程序的使用)表明,降低水輪機(jī)安裝高程仍然可以提供足以達(dá)到溶氧上升目標(biāo)的氣流。伏伊特水電公司采用較低的水輪機(jī)安裝高程,供應(yīng)較小、轉(zhuǎn)速較快的水輪機(jī),減少了土木工程和設(shè)備的成本。

7 最終方案

盡管分布摻氣具有最佳綜合摻氣性能,但是與轉(zhuǎn)輪尺寸有關(guān)的制造限制和妨礙了摻氣轉(zhuǎn)輪在橋水水電站的應(yīng)用。于是,伏伊特水電公司使用周邊和中部聯(lián)合摻氣技術(shù)來設(shè)計(jì)水輪機(jī)設(shè)備。需要溶氧的枯水運(yùn)行期間,中部和周邊進(jìn)氣系統(tǒng)都將投運(yùn);需要溶氧的洪水運(yùn)行期間,中部摻氣系統(tǒng)將關(guān)閉,以使效率和功率損耗最小,周邊摻氣將單獨(dú)運(yùn)行。兩種方法的實(shí)施,為電站滿足流量和溶氧上升需求的能力提供了一種靈活的手段。

HDR｜DTA確定氣流速率和必要的溶氧上升含量以達(dá)到尾水渠的溶氧目標(biāo),伏伊特水電公司設(shè)計(jì)的進(jìn)氣系統(tǒng)可以產(chǎn)生進(jìn)入設(shè)備的氣流。對于新設(shè)備和水電站的設(shè)計(jì),可以測量并確定穿過發(fā)電站的管道鋪設(shè)線路,使對系統(tǒng)摻氣性能有不利影響的彎曲和轉(zhuǎn)彎最少(即水頭損失)。對于修復(fù)工程,這種靈活性往往不適用,設(shè)計(jì)必須提供長且低效率的管道路線,向水輪機(jī)輸送大氣。

8 結(jié) 論

橋水水電站是首批摻氣設(shè)計(jì)的新水電站之一。它是電站業(yè)主、工程顧問和設(shè)備供應(yīng)商如何合作并找到最佳可行方案的實(shí)例。合作結(jié)果形成了獨(dú)特的設(shè)計(jì),利用先進(jìn)摻氣技術(shù)的組合,在電站的整個流量范圍內(nèi),使溶氧量最大,同時(shí)對水輪機(jī)效率的影響最小。目前工程仍處于施工階段,預(yù)計(jì)機(jī)組將于2011年末投入商業(yè)運(yùn)行。