微水頭資源開發與發電裝置研究現狀及趨勢

張玉全，鄭源, ，孫科，楊春霞，羅紅英

（1. 河海大學能源與電氣學院，南京210098；2. 西藏農牧學院，西藏林芝 860000；3. 哈爾濱工程大學船舶工程學院，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生態環境重視程度的提高，加快發展可再生能源、保障生態環境安全、支撐社會經濟可持續發展，已成為世界各國關注的重點。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濟發展的障礙之一。根據我國《可再生能源發展“十三五”規劃》，我國可再生能源占一次性能源供應的比重，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模的清潔能源。我國小水電資源十分豐富，遍布全國1 500個縣，其中約有600個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（裝機容量≤50 MW的水電站）技術可開發量為1.28×108kW，截至2015年年底，已經開發7.5×107kW，開發率為58.6% [2]。因此，開發小水電技術符合可再生能源國家發展戰略，是我國優化能源結構、保障能源安全、緩解環境問題的優先選擇。

微水頭即水頭在0～3 m的水力資源，具有水力發電的潛力，但因為經濟開發價值太低，故一直未引起足夠的重視[3]。實際上，我國微水頭資源分布廣泛，具有不同于常規水電的獨特開發優勢：①資源豐富，種類繁多，具有巨大的開發潛力；②資源便利，結構簡單，二次能源回收，節省投資；③運河、管道、尾水等微水頭資源穩定，具有可預測性；④無需蓄水調節，對環境影響小。

水輪機是決定電站運行效率和效能產出的最關鍵設備，目前微水頭水電開發采取的水輪機設計主要有兩種方式：①沿用常規低水頭機型的設計方法。常規水電站的設計以水的勢能為核心參數，成本主要取決于水頭，水頭越低，經濟性越差。常規水力發電水輪機類型只有軸流式和貫流式兩種水輪機適應水頭范圍可低至2～3 m。但從實際運行來看，目前低水頭電站所采用的全貫流水輪發電機組和整裝式燈泡貫流機組并不完全適用于在微水頭段運行。②采用零水頭發電機組的設計方法。這類水輪機通常應用于天然河流、潮流、海流、人造水道以及其他具有足夠水流速度的流道，與常規水輪機的本質區別是將水的動能轉化為機械能再通過發電機進一步轉化為電能。這類水輪機結構簡單，通常安裝在開闊水域，棄水量大，理論極限效率只能達到59.3%，與同等裝機容量的內流水輪機相比，尺寸較大，安裝成本高，維護困難[4]。

可見，適應0～3 m微水頭發電的水輪機尚沒有成熟的機型可以應用，其成為制約微水頭水電開發的技術瓶頸。因此有必要梳理微水頭資源需求和應用特點，提出研發適合開闊流域和封閉流域特點的兩型微水頭水力發電水輪機，總結形成動勢能結合型微水頭水輪機設計方法。

二、微水頭資源開發研究現狀

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

對于微水頭發電，當運河和其他人工河道的水流速度大于1.5 m/s時能量轉換理想，它們具有可控、可測和相對清潔的特點。美國的風能和水能技術辦公室支持在已有的運河系統發展水動力能源[7]，例如華盛頓州的Roza運河。中國臺灣[8]和老撾[9]在農用水渠中建造了利用灌溉水的微型水電系統。總體來說，當運河和人工河道中有足夠的水流速度時，利用水流動能發電是可行的。此外，水流的速度越快，發電的潛力就越大。在一些泵站中，在特殊情況下泵可作為水輪機來發電，例如在中國的江都灌溉總渠，當淮河入流非常大時，泵機組可作為水輪機發出3 MW的電量。

在工業冷卻水循環系統管道，自來水廠和水電站供水管道中有大量的富余水頭。文獻[10]闡述了在冷卻塔管道中富余壓力從39～147 kPa的例子，在冷卻系統中安裝一個改進的混流式水輪機，從而回收冷卻系統浪費的能量。文獻[11]研究了300 kW的小型水輪機組，可以用來替代水電站供水系統中的減壓閥。許多水處理廠的引水管中的過壓也可以用來發電,在供水網絡中使用微型水力系統來發電可以控制系統的壓力。當利用城市供水網絡中的潛在能量時，必須注意避免對水質的影響，此外還可以設置旁通管路防止事故的發生。

雖然污水廠水力發電的實施仍然處于發展階段，但是隨著新的低水頭水輪機系統技術的出現，在這些設施中存在的水能已得到越來越多的關注。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施，一直在從工廠流出的水中回收能源[12]。兩臺1 MW的水力發電機組安裝在該廠，每年發出超過6×106kW·h的電能，每年可節約60萬美元。在馬薩諸塞州米爾伯里的一個污水處理廠，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，水輪機部件應該更耐腐蝕，并且導流管入口必須配備一個薄的攔污柵；第二種方案，水力發電機組安裝在下游，此處進入水力機組的水流更干凈，對各部件的耐腐蝕要求降低，但是產生的另外一個重要問題是空間受到限制。

水電站壩腳處蘊藏的水流以及補償流，或者從尾水管流出的水流依然具有相當大的水動力能量[13]。利用這些水流來發電將導致更低的流速，從而減少對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，為水力機組選址提供了有用的參考點[14]。文獻[15]證實了印度Poringalkuthu水電站小水電項目的可行性。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，通過卡普蘭水輪發電機來發電。

潮汐能包含了勢能和動能，可以分別通過潮汐水庫和潮流機組來發電。地球潮汐資源理論蘊藏量估計為8.8×1011kW·h/a，技術上可開采的潮汐能的潛力預計為8×1010kW·h/a [16]。美國國家可再生能源實驗室估計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的新水動力技術可以利用，至少供應美國10%的電力需求[17]。存在潛在海流能的國家或地區，包括愛爾蘭、亞馬遜河、英吉利海峽、直布羅陀海峽、斐濟島、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，目前潮汐能的開發仍然面臨著復雜的海洋水動力環境、設備壽命短、維修困難、施工難度大、投資大等挑戰。

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

三、微水頭發電裝置研究現狀

選擇合適的水輪機型式對微水頭水力資源的開發十分重要。傳統的水輪機可以分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機，可以細分為以下幾類：沖擊式水輪機、斜流式水輪機、雙擊式水輪機、混流式水輪機、軸流式水輪機和貫流式水輪機。此外，還有二十多種將水能轉換成電能的新型水輪機型式，這些新型的水輪機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，或是流動方向與水輪機旋轉軸之間的關系為水平或垂直而劃分的。

（一）傳統類型微水頭水力發電水輪機

水輪機選型通常采用的一種方法就是參考水輪機選型圖表，并利用它進行技術和經濟比較。水輪機選型表可以為特定地址的水輪機型式確定提供參考信息，并且幫助制造廠家來核實水輪機是否適合該特定地址的情況。有報道表明，一些結構簡化的混流式水輪機可應用在水頭低于3 m的情形，同時，重新設計的雙擊式水輪機也可應用于沒有壓頭的情形。文獻[20]使用相關的研究成果創建了適合微水頭的水輪機選型圖表，該表考慮了技術和經濟的可行性，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，依然有水輪機型式可選。

一般來說，在微水頭應用中很少使用明槽式的混流式水輪機。在流量低于1 m3/s時，混流式水輪機尺寸小，葉片數量多，因此加工困難，造價高。在相同的微水頭情況下，和軸流轉槳式水輪機相比，混流式水輪機的過流能力較差，出力較低。在較寬的水頭范圍內或流量波動范圍內，混流式水輪機穩定性好，效率高，優于軸流定槳式水輪機。軸流轉槳式水輪機由于其雙調節能力（即轉輪葉片和轉輪都可調），在較寬的范圍內也展現較好的性能，但是葉片調節機構復雜并且在轉輪輪轂內需要適當的安裝空間。由于這種復雜性，軸流轉槳式機組價格昂貴，因此在大流量、低水頭情況下更適合，經濟性能更好。軸流定槳式水輪機更適合在微水頭中應用，但對軸流（定槳）式水輪機最優的出力運行范圍受到限制。

對微水頭的情況，貫流式水輪機是較好的選擇，因為水流筆直通過水輪機，過流量大，水力損失小。對于總流量較小的站址，可以使用單調節或無調節的貫流式水輪機來代替雙調節的類型以減少復雜性和降低系統成本。此外，可以適當地簡化導葉和轉輪葉片的幾何形狀和數目來降低軸流轉槳式水輪機和貫流式水輪機的制造成本。文獻[21]對江廈潮汐電站雙向燈泡貫流式水輪機（水頭范圍1.2～5.5 m）進行了優化設計，將正反向發電效率提高了6%。文獻[22]研制了適用于2 m左右的超低水頭豎井貫流式水輪機。近年來，一種非常低水頭的水輪機已被證明適合在微水頭情況下運轉，它是一種新型的軸流式水輪機。

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

（二）新型微水頭水力發電水輪機

德國研制了阿基米德螺旋式水輪機，螺旋式水輪機的一個重要優點就是對碎片的耐受性，阿基米德螺旋式水輪機具有對魚類友好的潛力，對環境影響小，轉速低，以及相對簡單的結構需求[24]。文獻[25]通過多目標分析工具，認為阿基米德螺旋式水輪機是一種最適合低水頭能源的水輪機。然而，阿基米德螺旋式水輪機體積大，導致運輸和安裝困難。

此外，文獻[26]研制出了適用于0.5～3 m水頭范圍的正反轉雙轉輪水輪機；丹麥研究建立了Wave Dragon漂浮型波浪發電場[27]；愛爾蘭研究建立了Wavebob波浪能發電場[28]；美國水電綠色能源公司與美國陸軍工程兵團聯合研制了安裝于密西西比河上的小水電站的流速水輪機；韓國Uldolomok海峽海岸安裝了戈爾洛夫螺旋形水輪機[29]；新加坡Altantis公司研發了設計流速為2.6 m/s的坐海底式定槳距水輪機，還研發了帶導流罩水輪機，并成功安裝運行測試[30]；中國在官山安裝了漂浮式雙轉子垂直軸水輪機、擺線式轉輪、二葉片水平軸葉輪等裝置，并進行了水道測試[31]；文獻[32]對矩形潮流能水輪機進行了研究，設計出一種適用于中低流速的垂直軸新型發電轉換裝置。

在超低或零水頭下，流速型水輪機是由自由流動驅動的。這種類型的水輪機通常應用在自然河流、潮汐、潮流、人工水道以及其他具有足夠水流速度的場所。水動力系統可以將流水的能量轉換成電能，可以通過像風電場一樣布置多機組來提供電力產量。此外，這些系統的機構要求是最小的。但是，其相對較低的效率、空化性能，高昂的安裝成本和維修困難是推進水動力技術的最大挑戰。

四、趨勢與建議

綜上所述，目前的微水頭發電主要是利用其水流流速所帶來的動能轉化為機械能發電，常規水輪機在微水頭特點發電時顯示出諸多不足，因此，有必要對應用于微水頭的水力發電裝置進行深入研究，提出微水頭水力發電原動機的設計方法和性能研究方案。

國際上已經逐漸意識到微水頭資源的價值，并且有在運河、污水處理廠、水壩下游等微水頭應用的典型個案。但是對于微水頭總體資源分布還沒有全面的統計，對于資源類型、特點、裝置適用性等還沒有清晰的論述。所以業界對于微水頭資源究竟可以創造多少經濟價值尚缺乏清晰的認識，進而影響在該領域資金和技術的投入，制約了微水頭開發利用發展的步伐。應首先進行微水頭資源的梳理和分類，總結國內外微水頭資源的特點，進行設計方案的歸類，給出總體設計方案、系統集成化設計和經濟性分析，吸引相關領域研究學者和業主的目光，推進微水頭水電開發技術的進步。

目前對于微水頭水力發電水輪機的研究，多以壓力型常規水輪機或速度型零水頭為母型，在適應超低水頭特點上進行部分參數和部件的改進，或者是單個機型的發明創新，尚沒有一套針對“壓力頭”和“速度頭”同時并存的完整的設計理論和方法，相當于處在理論設計的空白階段，與常規水力發電的成熟技術相比有著遙不可及的距離，嚴重制約著微水電的發展。應結合葉珊理論和葉素動量理論方法，建立動勢能結合型微水頭水輪機的設計理論和方法，為微水頭水輪機機型的完善和發展奠定理論基礎。

五、結語

開發微水頭水力發電技術符合可再生能源國家發展戰略，是我國優化能源結構、保障能源安全、緩解環境問題的優先選擇。筆者通過梳理河流、運河、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用特點，總結適合開闊流域和封閉流域特點的兩型微水頭水力發電水輪機，對形成動勢能結合型微水頭水輪機設計方法有了初步認知。本文可為開發微水頭小型水力發電裝置創新設計提供技術基礎。