英國泰晤士河上的皇家電站

［英國］D.德洽博

1881～1884年，世界上第1座商業水電站的投運發電，點亮了英國薩里郡高達明村的街燈。早在這之前，英格蘭率先在工業時代即已開始利用水電。

大約在121 a以后，現在的英國可再生能源公司(NPower)即著手在伊頓(Eton)和溫莎(Windsor)之間設計羅姆尼(Romney)堰壩水電系統，期望以此能為溫莎城堡的英國皇家官邸供電。然而該設計被證實為成本高昂，因此從未實施。

2007年，作者組建了西南電力工程公司(SEPEL)，并從埃爾姆布里奇(Elmbridge)鎮摩爾(Mole)河上的堰壩開始，沿著倫敦通勤者居住帶，勘測英國可供開發的小水電蘊藏量。英國環境署(EA)指派了一名電氣工程師協助勘測工作，并提供進入堰壩的交通工具。SPEPEL研究了泰晤士河上的45座堰壩壩址，并編制了該河第1份水電蘊藏量報告。

2007年下半年，非常巧合，就在英國環境署的工程師和作者在壩址視察NPower公司項目進展情況的那天，NPower公司宣布放棄溫莎壩址。由于已完成了項目的環境研究論證，因此羅姆尼堰壩成為開發的首選。

通過先進及恰當的技術選擇，并與環境署的漁業、航運和洪水控制部門進行良好的協商、研討，將NPower設計的裝機容量從200 kW左右提高到現在的近320 kW。

2008年上半年，英國環境署和SEPEL達成了高層條款協議，SEPEL向英國環境署租用溫莎堰壩，用以開發該河的第1座水電站。英國環境署和SEPEL一致同意將該壩址作為開發其他堰壩的試驗性工程和樣板。為此，必須對溫莎壩址開展環境影響評估，以證實所設計水電站的安全性和環境友好性。

最終，與皇家官邸以其專用金之名簽訂了電力采購協議(PPA)。

2 獨特的水輪機

該水電站對土木工程的需求相當低，根據設計參數以及對魚類和環境友善的原則，SEPEL的工程師經過審慎研究，決定選擇基于螺旋泵技術的水輪機。事實上，SEPEL已經注意到了有關英格蘭達特公園(Dart Park)河安裝螺旋泵開展的研究:有超過1 000條魚被卷進了水輪機，包括長0.5 m的鮭魚、各種大小的鱒魚和鰻魚等，然而沒有一條受傷。

SEPEL花了2 a時間開展研究，對歐洲的4家主要螺旋泵制造商進行了嚴格的技術評估，最終選擇了荷蘭的一家公司作為供應商。

該水電站選用的水輪機在幾個方面都是獨一無二的，SEPEL獲得了歐盟再開發基金的資助，以用于技術研發。溫莎水電站水輪機將是首臺采用這種規模(94 t/臺)的螺旋泵，具有調整角，可以根據流量變化以跟蹤河水水位。該工程的工程師團隊堅信，由于減少了效率損失，將使發電量提高4% ～6%，因為尾水位升高時，通常將會淹沒螺旋泵，從而導致攪動或泵送損失。

除了水輪機規模最大以外，溫莎水電站的水輪機還是世界上首臺采用5片葉片的螺旋泵。SEPEL相信，與相同直徑的4葉片螺桿泵相比，5葉片將使出力提高9%左右。

為了能夠承受2臺流量為11.2 m3/s的螺旋泵及其所有的重量和相關的應力，還需要在堰壩設計方面做大量的工作。SEPEL不得不將堰壩的防沖長度增加2 m，延長閘墩(堰墻)，以適應這些巨大的水輪機。為此，設置有樞軸點和水輪機安裝架，而且圍繞1～4號港灣修建了一條圍堰，將一塊大小合適區域的水排干。為了加強對水輪機的防護力度，將河床防撞樁打入海平面2 m以下。

由于水輪機的重量和大小，安裝極具挑戰性:堰壩在2座島之間，不通公路，因此，SEPEL不得不將所有設備(甚至重為120 t的起重機)運至下游2 km處，再用駁船運至工地。其間，發生了幾起事故，差點將水輪機掉進河里，有2次幾乎失去起重機。最后，一切順利完成，現在SEPEL只需完成架線和開始試運行。

機組通過一條專用線路直接與溫莎城堡相連，線路長約1 km。線纜必須跨過河流、下穿鐵軌和達切特(Datchet)市公路、越過女王的后院、上到山頂并進入城堡的地下室。機組在2012年10月中下旬開始試運行。

3 工程概況

2臺直徑為4 m的螺旋泵水輪機已經安裝在羅姆尼堰壩上，最高出力共約320 kW。按照英國環境署的要求，水輪機由定制的可變轉速驅動系統控制，由帕克(Parker)控制公司根據SEPEL的規范制造，將螺旋泵的轉速控制在0～22 r/min，且堰上水頭的波動在1 cm內。

機組電壓為400 V，升壓到11 kVA，由長為1 km的專用線路將電力輸送到城堡。系統的年輸電能力約為180萬kW·h，為400多個房間(或更大的城堡)供電綽綽有余!

水輪機的角度可以分別調整以適應不斷變化的水位，調整范圍為0°～22°。河水位發生變化時，利用4個液壓缸來自動控制和調整2臺重達94 t的水輪機。

每臺水輪機有5片葉片或螺旋線，流量可達11.2 m3/s，發電 160 kW(共計 320 kW)。

水輪機旁設置有1條可供鷗亞目魚類通過的魚道，這樣，在214 a時間里，所有種類的魚和鰻魚首次可以上溯到溫莎堰的上游。

通過公開投標的方式，SEPEL還獲得了在英國環境署下轄的其他3處堰壩壩址處承建水電站的任務，將在泰晤士河的貝爾(Bell)和馬洛(Marlow)堰壩上修建水電站，同時，也將在摩爾河上的威爾達克(Viaduct)壩上新建一個發電系統。泰晤士河上2套新的系統將為附近的旅館供電，摩爾河上的發電系統將為電網供電。