環境友好型水輪機研發的新進展

［美國］ T.霍根等

目前，一種魚類友好型、高能效并能改善水質的水輪機已出現在市場，并有望得到大規模推廣。這種新型水輪機經過了15 a以上的研發，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抵達下游時的魚道安全、尾水渠水質的改善以及如何通過減少泄水增加發電量等問題。

20世紀90年代，美國能源部啟動了一項旨在提高通過水輪機的魚群存活率的研究項目。該研究項目名為“先進的水輪發電機組計劃”(AHTS)，此計劃支持兩項水輪機的研發，即奧爾登公司研發的一種新型水輪機和福伊特水電公司研發的最小間隙轉輪(MGR)。在開展研發工作的同時，也在測定過魚存活率、量化魚類過機可能造成損傷的機制，以及檢驗發電機性能所用的方法和所需設備方面取得了相當大的進展。

上述研究成果隨后被納入到高效水輪機設計或改造工程中，借助這些技術，在設計高效水輪機進行低碳發電的同時，也可考慮生物學準則。上述新方法和設備為現場驗證全尺寸的預期水輪機性能提供了有效手段。

該水輪機除了有助于魚類安全通過水輪機抵達下游之外，在改善下游水質的技術方面也取得了重大進展，包括降低尾水渠中水的溶解氧含量，以及水輪機潤滑組件所用機油可能外泄的風險等。

1 背景

為了宣傳和推廣環境友好型水輪機在設計、評估及試驗中所取得的成就，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于環境友好型水輪機的主題會議。組委會由聯邦政府機構、電力研究所和私營企業代表組成。這種多元化的組成形式，有助于水電開發部門贏得與美國水電開發核心機構通力合作的機會。

更為重要的是，美國能源部(聯邦政府機構)、墾務局和美國陸軍工程師團，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系、確立共同目標，落實當前和今后一段時期可再生能源的開發計劃，滿足國家對安全型、經濟型及環境可持續型水電的需求。備忘錄中最具體的一項是召開研討會，討論當前如何通過聯邦政府籌措資金，以及實現既定目標需要完成的新舉措和技術研發工作。。

2 環境友好型水輪機的新突破

近年來，除了在新型水輪機的設計和研發上實現重大突破之外，在解決過魚問題的設備和方法上也有進一步的發展。在新型水輪機的設計和研發過程中，最值得一提的是，這種水輪機不僅能使魚類安全過壩抵達下游，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行發電。阿爾登水輪機和福伊特(Voith)最小間隙轉輪(MGR)水輪機，就是兩組親魚型水輪機的典范。

阿爾登水輪機采用了一種全新的轉輪設計。為提高魚類的存活率，早在21世紀初，試驗室有關研究機構便對這種轉輪進行了室內中試規模的試驗，并隨之概念化。在過去數十年的不斷研發中，人們借助于現代化試驗室和計算流體動力學技術，使該轉輪的親魚特性與發電性能得以不斷優化。

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目上的合作，目前阿爾登水輪機已準備投放市場。這種水輪機經過了精心、周密而嚴格的研究和設計，預計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%)，水輪機效率也相應提高(達94%)。

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

福伊特最小間隙轉輪水輪機是一款轉槳式水輪機，它經過精心改良，減小了轉輪的間隙，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1076 MW)中進行了此水輪機的原型試驗，結果表明，該水輪機的過魚存活率等于甚至大于現有水輪機。這種最小間隙轉輪水輪機，后來又安裝到瓦納普姆(Wanapum)水電工程(電站裝機1038 MW)中，并對其性能進行了評估。評估表明，初次由河入海的幼體大馬哈魚的存活率高達約97%。此外，這種水輪機能在不影響大馬哈魚過機存活率的情況下提高其效率。目前，準備將瓦納普姆電站中原有的10臺水輪機全部更換，并計劃于年內(2013年)全部換完。

此外，美國陸軍工程師團一直在進行一項交叉學科的研究，即魚類過機存活率計劃，目的是尋求拓展魚類過機環境的知識水平，減小傷及幼體大麻哈魚的影響，以及如何優化水輪機工況來保護魚類，同時通過改善水輪機設計來提高魚類過機的存活率。

美國陸軍工程師團工程研發中心(ERDC)準備建一套1∶25的物理模型來進行大規模的試驗，以實現上述計劃。該模型通過向水輪機流體中注入一種中性浮力(neutrally-buoyant)水珠或染料，便可實現水流的可視化。掌握了流體的動力特性，就易于確定魚類過機通道潛在問題的區域。

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

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

除了為保護魚類抵達河流下游的水輪機技術外，還研發了其他的水輪機技術，如增加電站尾水渠中水的溶解氧含量。溶解氧含量低，是某些進水口深的電站所應關注的環境問題，因為進水口深，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，保護下游的水生生境。

盡管給水輪機出流加氣并不是一項新技術，但有些更大的水輪機制造商，通過大量的計算分析，進一步優化了這項技術。近來還有更多的研究，都集中在某些更復雜的加氣現象模擬上，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特的分散氣泡模型來預測各種不同加氣方位(中央、周邊和分散注入點)的溶解氧吸收和氣泡分布狀況。然而要真正測出實際加氣的多少是困難的，資料表明，加氣水輪機在增加尾水渠溶解氧含量方面是有效，而對水輪機效率的影響卻微乎其微。

與此同時，為支持水輪機輔助設備的有效運行，對環境友好型水輪機的潤滑系統也進行了改進。最新的技術有:可生物降解的潤滑油、高效潤滑油的管理和配置系統，以及自潤滑無油襯套的運用等。

3 過魚分析

評價水輪機生物性能所需的知識范圍要求很廣，從水輪機環境的個體物理現象的詳盡特征，到對與魚類安全過壩有關的所有機械、水力以及生物方面問題的全面系統的認識，無所不及。而計算流體動力學試驗可作為橋梁，將生物數據(試驗室和實際)、物理數據和魚類行為特性緊密結合在一起。該方法可認為成本低、效果好，能很好地建立試驗室對魚類的評估與水輪機設計之間的有機聯系。

近年來，西北太平洋國家試驗室(PNNL)對有過魚經歷的水輪機環境特征進行了重點研究。其研究和評估方法包括:生物試驗技術、綜合評定和假設性試驗，如通過預計魚類過機最高存活率來確定水輪機的工況。

為確定相關壓力對魚類過機造成的傷害機制，西北太平洋國家試驗室已進行了綜合性試驗室研究。研究人員采用計算機控制的低壓缺氧室，模擬過機魚類所處的壓力變化狀態，從而確定魚類所受的影響。通過了解壓力變化對過機魚類的影響，水輪機運行人員和設計人員便可根據實際情況進行調整，從而進一步提高過魚存活率。

基于此項研究，PNNL在確定植入式聲波遙測技術對幼體大馬哈魚受傷率的影響方面也取得了一些進展。此項研究表明，該技術采用的是植入式聲波發射器，而這種發射器會產生一種負偏壓，影響到魚類存活率的估計，因而造成估計結果有誤。

由于美國陸軍工程師團在幼體大麻哈魚聲波遙測系統中運用了植入式魚類標簽，所以必須了解實際過魚存活率是否真正高于遙測技術所測的存活率，這一點很重要。為幫助消除這一差異，PNNL一直致力于設計和試驗一種新型的附著于外部而具中性浮力的聲波發射器，用以追蹤工程區域的魚類軌跡。最近的試驗室評估結果表明，在試驗室模擬水輪機工作的狀況下，這種新型的植入式標簽設計，對幼年大麻哈魚無任何不利影響。

然而，PNNL研制的這種新型標簽，尚未經過真實環境的檢驗，因此在這種新產品投入運用之前，仍沿用廣泛采用的氣球標簽(Hi-Z標簽)。而這種傳統式標簽，確實是估算過機魚類存活率的一種有效技術。

PNNL還開發了一種工具，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“先進的水電開發”項目基金的支持下，該聲納探魚器的設計又可上一臺階，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據，用CFD分析成果和通過魚類傷亡風險預測等各種來源的數據，開發出一套能預測水輪機生物性能的綜合性方法。

美國電力研究院還通過對水輪機葉片前緣的設計研究，構建了如何制造更親魚型水輪機的知識體系，并為阿爾登研究工作室多年的CFD技術和試驗室研究工作進行了籌資。研究工作中的一個重點是，評估了各種轉輪葉片的幾何形狀和厚度對魚類傷亡的影響。生物學評價結果表明，鈍而圓的葉片前緣對魚類的傷害較小。這些成果已運用到最新的阿爾登水輪機設計中，而且也同樣有助于提高其他類型水輪機設計的生物性能。

4 前景展望

人們在為解決水電工程相關的環境問題而研發出先進的水輪機技術方面，雖已取得巨大進展，但這些技術只有通過實踐檢驗后才能實現其真正的價值。首先，水電業需要在制定與水輪機環境性能相適應的準則、標準和先進方法方面得到支持。然而盡管在水輪機性能指標(功率、流量和效率等)上有不盡其數的規定，但在環境性能方面的管理標準卻相對較少。其次，水電業需要一定的財政支持，才能保證實地運用的新技術經濟風險最小。

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選定一個示范站點。鑒于美國和法國兩處建立示范點的協議還未最終敲定，因此兩家機構擬針對站址來修改水輪機設計，同時制定一項示范運行計劃和資金籌措計劃，啟動站點的初步設計。

一旦完成裝機，緊接的一個重要步驟就是現場試驗，對水輪機的預期性能進行驗證，并獲得相關行業和資源管理機構的認可，認為該水輪機為水電工程中魚類過機抵達下游的有效方式。美國能源部已表示支持該示范項目，并為下一階段在學校街工程中試驗和推廣阿爾登水輪機籌措資金。

隨著美國水電基礎設施的逐漸老化和現有非發電工程中增設水電的可能性，推廣運用先進的水輪機技術便為大勢所趨。為了研發先進的環境友好型水輪機技術，人們投入了大量的時間、人力和資金，現在，將這些投入轉化為效益正逢其時。