美国新桥水水电站的掺气水轮机

[美国]凯文.M.罗兰 杰森.M.福斯特 格瑞戈里.D.勒威斯 约翰.C.斯格蒙

苏 燕 译自美刊《水电评论》2010年第4期

已建的20MW桥水(也称布里奇沃特)水电站位于北卡罗莱纳州的卡托巴(Catawba)河、林维尔(Linville)河和帕迪(Paddy)河上。卡托巴坝、林维尔坝和帕迪坝这 3座坝建成后,形成了詹姆士湖(Lake James)。水电站就建在林维尔坝坝基上,于1919年开始运行。

在重新为工程申办许可证期间,杜克能源公司卡罗莱纳州有限责任公司的业主决定,需改进1915年设计的原林维尔坝,以满足联邦能源管理委员会(FERC)对大坝稳定性的现行要求指标。杜克能源公司雇用卡罗莱纳州 HDR工程股份有限公司(HDR｜DTA)进行可行性研究,并确定可以满足现行 FERC抗震稳定性要求的各种方案。HDR｜DTA研究结论表明,最有效的整体方案是拆除已建的桥水水电站,用下游较远处的一座新水电站取而代之,为已建土坝下游侧的大型补强土戗堤的扩建部分腾出空间。综合考虑了各项费用和施工能力等因素之后,认为这一方案优于采用碾压混凝土或环绕已建发电站的工程挡土墙的方案。

新的桥水水电站也给了杜克能源公司达到最小连续流量需求和坝址处水轮机过流量掺气的机会,以满足重办许可证时承诺的环境要求。如果保留已建水电站,那么将需要相当可观的投资去改造和修复已有的水轮机,以使其能够满足那些新的环境方面的要求。

桥水水电站建设为水电工程业主、工程顾问和设备供应商提供了一次绝无仅有的合作机会,利用水轮机技术的最新进展共同设计水电站。杜克能源公司选中伏伊特(Voith)水电公司来供应新水轮机设备。

1 溶氧问题

低溶氧(DO)是美国南部水库的通病。在夏末的较热月份里,这些水库会发生温差分层,导致水库分成截然不同的层次。最上层的特点是溶氧量高。在温跃层下,随着深度的下降,溶氧浓度迅速下降,在水库底部的某些地方可能会低至1mg/L。许多已建的水电工程,水轮机取水口远低于水库水面,这里溶氧量低。然后水流过水轮机,排入设备下游的尾水渠,这里的低溶氧含量可能对水质和水生生物有不利影响。

在超过一个日历年度的较短时期内,桥水水电站尾水渠内的溶氧含量可能会降到国家现行的水质要求(瞬时 4mg/L和日平均5mg/L)以下。如上所述,桥水水电站的水轮机改造为最新掺气技术的应用提供了一个极好的机会。

2 项目评估和设计

用新型水电设备解决增加溶氧的需求,促使桥水水电站工程进入了实施阶段,除掺气能力外,在始终保持最小流量的同时,新电站还要承担水库水位调节的正常职能。为了使发电量最大且满足这些需求,HDR｜DTA和杜克能源公司评估了各种机组台数和大小的几种不同电站的配置方式。经过慎重评估,最终选择安装2台较大的立式混流式机组(转轮进口直径为2.5m)和1台较小的混流式机组的方案(转轮进水口直径为0.9m)。

HDR｜DTA考虑了几种技术可行的方法来解决工程现场溶氧低的问题,初步研究的重点是上游方案,比如水库表面水泵和多孔管道扩散器。

经研究,最终的结论认为,对于水库表面水泵来说,库水面和布里奇沃特取水口之间的27m距离太远了,难以获得所需的效率;而氧气管扩散器是一项成熟的技术且相当行之有效,但是因为其初期安装费用和长期的年运行维护费与其他技术可行的方案增加的费用相比,没有优势,所以摒弃了该方案。

其他一些掺气方案在水轮机本体内部进行,运行时掺气部位形成低压区通向大气,从而产生一股自然流动的风进入水流道。这种掺气类型被称为自动掺气水轮机,是一个高性价比的为水轮机提供强气流的方法。主要有3种类型的自动掺气水轮机,包括中部、周边和分布掺气。每种方法都采用了独特的使系统从水轮机外部到流道内的不同部位均可输送大气的方案。3种掺气技术的概况见图1。

图1 水轮机掺气方法

分布掺气从顶盖(一般在水轮机机坑内)上几根管道吸入空气并收集到转轮上冠上的连通转轮室中。空气进入空心的轮叶,再沿着轮叶泄水边的一列狭槽进入水道。中部掺气时,空气从顶盖上方的区域输送到挡水锥四周的各个部位,或通过水轮机轴和挡水锥底部出来。周边掺气在更下游的地方进行,靠近尾水管的进口。一般来说,改造已建电站时,尾水管的进人廊道为输入管道的铺设提供了方便的位置。空气通过支管系统输送,支管系统将空气分布到尾水管外的四周。空气通过尾水锥管内表面的一条连续槽或多个孔引入水中。

3 掺气法

由于自动掺气水轮机的掺气法是利用流道内不同的注入位置,转轮下面的局部流态使得每种技术具有截然不同的特点。这些因素影响到尾水管内的气泡大小及其分布,这对掺气效率也有显著的影响,而且这些因素还使掺气影响着运行效率。

3.1 中部掺气

中部空气通过挡水锥吸入,进气形成了柱状气泡连续进入到尾水管内。图2显示了中部掺气时形成的气泡分布状况。注意这些图表对应的是水轮机满负荷的运行。

图2 中部掺气

虽然中部掺气法比起改造已有水轮机费用要便宜,但形成的柱状气泡只局限在尾水管锥体中部逗留,妨碍了气水混合物的传输,限制了溶氧作用。这种掺气方法在低负荷运行时最为有效,流出转轮的水流内存在旋流,降低了挡水锥上进气位置的静压。中部掺气还容易干扰尾水管内的水流,可能会使水轮机的效率大受影响。以下将探讨溶氧传输效率以及各掺气法对运行效率的影响。

3.2 周边掺气

从尾水锥管的内壁注入大气形成一气泡帘沿着流道周边运动。满负荷运行时,周边掺气的气泡分布见图 3。

图3 周边掺气

由于气泡连续通过尾水管进入到尾水渠内,气水混合所产生的气泡分布比中部掺气更加均匀。尽管增加了气水混合,尾水管流道中的气泡分布还不是很均匀。周边掺气在中高负荷时有效,且对水轮机的运行效率影响居中。

综上所述：在减速制动过程中，在流体阻力及阵列本身的惯性等作用影响下，阵列A与阵列B、信号发射气枪与信号接收分支阵列A均逐渐靠近；母舰减速缓和了阵列变形状态的间距变化；若减速制动过程中加速度过大，会导致阵列自身的摆动加剧从而使得分支阵列难以保持平衡。因此,在减速制动过程中阵列A、阵列B无法继续保持平行前进。

3.3 分布掺气

通过转轮轮叶掺气,利用轮叶后缘形成的低压将空气吸入到水轮机内。充气转轮的另一个主要特点是空气吸入点附近的流速梯度,切变流区有助于在尾水锥管内将吸入的空气破碎成细小的云雾状。图 4显示了掺气转轮在满负荷运行时的气泡分布状况。

图4 分布掺气

吸气槽位于转轮轮叶的泄水边,生成均匀的气泡分布,遍及整个尾水管。这些较小的、分布均匀的气泡使空气和周围排水量之间的接触面积最大。3种自动掺气备选方案中,已经证实分布掺气可产生提高溶氧的最佳效果,同时对运行效率的影响又最小。

虽然分布掺气可能是新桥水水电站选中的方法,但是与桥水水电站较小转轮有关的制造却限制或禁止使用掺气转轮。

4 掺气效果

上述气泡的特点在确定每种方法的相对掺气效果时起着重要的作用。可以通过比较每种方法的溶氧上升率来评估其效果。

(1)评估方程1

图5以函数 Q/Qopt(空隙率 φ=3)的形式显示了混流式自动掺气水轮机实测资料的 DO上升率。Qopt表示水轮机在最高运行效率时的流量。

(2)评估方程2

式中 Q气是容积流率;Q是各运行点的过流量。

在典型的混流式水轮机的正常运行范围内(Q/Qopt为0.8～1.2),分布掺气具有最大的 DO上升率,其次分别是周边和中部掺气。但是,在 Q/Qopt低于0.8的区域,中部掺气的 DO上升率明显大于分布和周边掺气。在这一运行范围内,转轮出口处的水流旋流增多,产生气泡分布,使挡流锥端部吸入的空气和周围的水能进行良好地混合。

图5 DO上升率

5 效率影响

掺气时水轮机的效率损失取决于以下几个参数,包括水轮机尾水管形状、空气数量(或空隙率)、进气位置、气泡大小和气泡分布。图 6显示了为数众多的 Q/Qopt=1.0的掺气工程现场试验得出的性能趋势。应当注意的是,效率(η)的变化定义为η不掺气-η掺气,以空隙率(Φ)的函数表示。

对于 Q/Qopt=1.0,显示出效率下降在很大程度上取决于空隙率。如果空隙率低于1,那么所有的掺气方法的效率影响都很小。但是,随着空隙率的变大,中部掺气的效率会显著下降。上述 DO上升率的关系以及掺气方法如何影响水轮机的性能,在优化桥水水电站水轮机的最终掺气方案中都进行了全面考虑。

图6 效率影响

6 溶氧预测

由于掺气时空气与周围的水混合,空气中的氧传输给周围的水。两相物质混合后,物质传递的问题已经受到了极大的关注,这些研究所取得的成果已经应用到各种掺气模式中。最成功的模式之一被称为分散气泡模型(DBM)。在设计阶段,为了在布里奇沃特能使所需的 DO得到提高,使用 DBM评估各种气流和气泡驻留时间。对水库上游溶氧含量的历史回顾表明,目标为 3～4mg/L的上升将可靠地包含预测的任何恶劣工况。这一含量附近很少出现问题且持续时间短,但是制定的设计依据包含了这些极值。这些计算合并了布里奇沃特运行的各个具体参数,包括现场工况、运行点、预测气流和水轮机的几何形状。

比较了2种通过水轮机过流量掺气来提高溶氧的设计构思。一种构思是基于利用传统的尾水管,另一种是加入一根更深更长的尾水管,以增加气泡的驻留时间并使其溶氧上升更多。DBM运算证实,空气量可能需要更深更长的尾水管,这些空气将用于混合水轮机过流量。根据计算,伏伊特水电公司可将这种尾水管纳入水轮机设计中。

在初步调查阶段,为了在流道中产生所需的更低静压以输出所期望的较大气流,预计水轮机的安装高程要比正常的安装高程要高。但是在设计阶段,设计优化分析(包括 DBM程序的使用)表明,降低水轮机安装高程仍然可以提供足以达到溶氧上升目标的气流。伏伊特水电公司采用较低的水轮机安装高程,供应较小、转速较快的水轮机,减少了土木工程和设备的成本。

7 最终方案

尽管分布掺气具有最佳综合掺气性能,但是与转轮尺寸有关的制造限制和妨碍了掺气转轮在桥水水电站的应用。于是,伏伊特水电公司使用周边和中部联合掺气技术来设计水轮机设备。需要溶氧的枯水运行期间,中部和周边进气系统都将投运;需要溶氧的洪水运行期间,中部掺气系统将关闭,以使效率和功率损耗最小,周边掺气将单独运行。两种方法的实施,为电站满足流量和溶氧上升需求的能力提供了一种灵活的手段。

HDR｜DTA确定气流速率和必要的溶氧上升含量以达到尾水渠的溶氧目标,伏伊特水电公司设计的进气系统可以产生进入设备的气流。对于新设备和水电站的设计,可以测量并确定穿过发电站的管道铺设线路,使对系统掺气性能有不利影响的弯曲和转弯最少(即水头损失)。对于修复工程,这种灵活性往往不适用,设计必须提供长且低效率的管道路线,向水轮机输送大气。

8 结 论

桥水水电站是首批掺气设计的新水电站之一。它是电站业主、工程顾问和设备供应商如何合作并找到最佳可行方案的实例。合作结果形成了独特的设计,利用先进掺气技术的组合,在电站的整个流量范围内,使溶氧量最大,同时对水轮机效率的影响最小。目前工程仍处于施工阶段,预计机组将于2011年末投入商业运行。