环境友好型水轮机研发的新进展

［美国］ T.霍根等

目前，一种鱼类友好型、高能效并能改善水质的水轮机已出现在市场，并有望得到大规模推广。这种新型水轮机经过了15 a以上的研发，解决了一些水电工程中最为棘手的问题，例如鱼类通过水轮机抵达下游时的鱼道安全、尾水渠水质的改善以及如何通过减少泄水增加发电量等问题。

20世纪90年代，美国能源部启动了一项旨在提高通过水轮机的鱼群存活率的研究项目。该研究项目名为“先进的水轮发电机组计划”(AHTS)，此计划支持两项水轮机的研发，即奥尔登公司研发的一种新型水轮机和福伊特水电公司研发的最小间隙转轮(MGR)。在开展研发工作的同时，也在测定过鱼存活率、量化鱼类过机可能造成损伤的机制，以及检验发电机性能所用的方法和所需设备方面取得了相当大的进展。

上述研究成果随后被纳入到高效水轮机设计或改造工程中，借助这些技术，在设计高效水轮机进行低碳发电的同时，也可考虑生物学准则。上述新方法和设备为现场验证全尺寸的预期水轮机性能提供了有效手段。

该水轮机除了有助于鱼类安全通过水轮机抵达下游之外，在改善下游水质的技术方面也取得了重大进展，包括降低尾水渠中水的溶解氧含量，以及水轮机润滑组件所用机油可能外泄的风险等。

1 背景

为了宣传和推广环境友好型水轮机在设计、评估及试验中所取得的成就，2011年5月，美国电力研究所(EPRI)和能源部在华盛顿专门召开了关于环境友好型水轮机的主题会议。组委会由联邦政府机构、电力研究所和私营企业代表组成。这种多元化的组成形式，有助于水电开发部门赢得与美国水电开发核心机构通力合作的机会。

更为重要的是，美国能源部(联邦政府机构)、垦务局和美国陆军工程师团，于2010年3月24日共同签署了一份水电谅解备忘录。该备忘录旨在各方通过建立长期的合作关系、确立共同目标，落实当前和今后一段时期可再生能源的开发计划，满足国家对安全型、经济型及环境可持续型水电的需求。备忘录中最具体的一项是召开研讨会，讨论当前如何通过联邦政府筹措资金，以及实现既定目标需要完成的新举措和技术研发工作。。

2 环境友好型水轮机的新突破

近年来，除了在新型水轮机的设计和研发上实现重大突破之外，在解决过鱼问题的设备和方法上也有进一步的发展。在新型水轮机的设计和研发过程中，最值得一提的是，这种水轮机不仅能使鱼类安全过坝抵达下游，有效地将鱼类伤亡率降至最低，而且还可充分利用原本为弃水或通过岸边溢洪道下泄的水进行发电。阿尔登水轮机和福伊特(Voith)最小间隙转轮(MGR)水轮机，就是两组亲鱼型水轮机的典范。

阿尔登水轮机采用了一种全新的转轮设计。为提高鱼类的存活率，早在21世纪初，试验室有关研究机构便对这种转轮进行了室内中试规模的试验，并随之概念化。在过去数十年的不断研发中，人们借助于现代化试验室和计算流体动力学技术，使该转轮的亲鱼特性与发电性能得以不断优化。

在美国能源部的资助下，美国电力研究所(EPRI)、福伊特公司及阿尔登研究工作室近期已完成了项目上的合作，目前阿尔登水轮机已准备投放市场。这种水轮机经过了精心、周密而严格的研究和设计，预计可大大提高过鱼存活率(体长小于20 cm的鱼，存活率可提高至98%以上，鳗鱼和鲟鱼的存活率可提高至99%)，水轮机效率也相应提高(达94%)。

由于水轮机过鱼的预期存活率提高，并可充分利用原本为弃水或通过岸边溢洪道下泄的水进行发电，满足了过鱼和下游最小流量的要求，因而阿尔登水轮机对市场极具吸引力。为部署推广和现场试验阿尔登水轮机，阿尔登研究工作试验室和美国电力研究院正在两地考察，研究在现场进行全尺寸的水轮机运行演示，这两地分别设在美国和法国。2011年9月，美国能源部表达了在美国示范地推广和试验该水轮机下一阶段的筹资意向。安装这一原型水轮机的示范地为纽约市布鲁克菲尔德(Brookfield)的学校街工程(School Street Project)，电站装机38 MW。布鲁克菲尔德新能源集团目前正在评估学校街工程安装阿尔登水轮机的经济合理性。两家机构同时也与法国电力公司(EDF)协作，在法国佩伯尼特(Pebernat)水电工程中安装阿尔登水轮机。目前，其工作重点主要放在站址的初步设计和筹资规划方面，下一步将由法国电力公司与福伊特公司签署水轮机购置协议。

福伊特最小间隙转轮水轮机是一款转桨式水轮机，它经过精心改良，减小了转轮的间隙，可减小鱼类的伤亡。在位于华盛顿的博纳维尔(Bonneville)水电工程(电站装机1076 MW)中进行了此水轮机的原型试验，结果表明，该水轮机的过鱼存活率等于甚至大于现有水轮机。这种最小间隙转轮水轮机，后来又安装到瓦纳普姆(Wanapum)水电工程(电站装机1038 MW)中，并对其性能进行了评估。评估表明，初次由河入海的幼体大马哈鱼的存活率高达约97%。此外，这种水轮机能在不影响大马哈鱼过机存活率的情况下提高其效率。目前，准备将瓦纳普姆电站中原有的10台水轮机全部更换，并计划于年内(2013年)全部换完。

此外，美国陆军工程师团一直在进行一项交叉学科的研究，即鱼类过机存活率计划，目的是寻求拓展鱼类过机环境的知识水平，减小伤及幼体大麻哈鱼的影响，以及如何优化水轮机工况来保护鱼类，同时通过改善水轮机设计来提高鱼类过机的存活率。

美国陆军工程师团工程研发中心(ERDC)准备建一套1∶25的物理模型来进行大规模的试验，以实现上述计划。该模型通过向水轮机流体中注入一种中性浮力(neutrally-buoyant)水珠或染料，便可实现水流的可视化。掌握了流体的动力特性，就易于确定鱼类过机通道潜在问题的区域。

例如，美国陆军工程师团水电设计中心和ERDC已与福伊特公司展开了合作，致力于改进华盛顿州蛇河下游装机603MW的爱斯哈宝(Ice Harbor)电站中的水轮机更新设计。为改进此设计，采用了一种综合研究方法，包括物理模型试验和CFD模型分析。该设计方法十分独特，其主要目标与改善过鱼通道密切相关，而不是提高发电量和水轮机效率。

同样，美国陆军工程师团也在哥伦比亚河约翰迪(John Day)电站(装机2160MW)建了一座CFD模型，以测算水轮机所产生的压力。美国陆军工程师团证实，该方法行之有效，能测算出鱼类在上述水轮机转轮环境中所能承受的压力，并可承受这些压力的机率。

除了为保护鱼类抵达河流下游的水轮机技术外，还研发了其他的水轮机技术，如增加电站尾水渠中水的溶解氧含量。溶解氧含量低，是某些进水口深的电站所应关注的环境问题，因为进水口深，而水库中的水是一种有温差的分层流，因此对这种情形，如果能采取某种方式增加下游的溶解氧含量，就能改善水质，保护下游的水生生境。

尽管给水轮机出流加气并不是一项新技术，但有些更大的水轮机制造商，通过大量的计算分析，进一步优化了这项技术。近来还有更多的研究，都集中在某些更复杂的加气现象模拟上，例如压力变化不定时的加气气泡的可塑性，以及两相流(水体与空气混合)的模拟。

又例如，福伊特公司利用其独特的分散气泡模型来预测各种不同加气方位(中央、周边和分散注入点)的溶解氧吸收和气泡分布状况。然而要真正测出实际加气的多少是困难的，资料表明，加气水轮机在增加尾水渠溶解氧含量方面是有效，而对水轮机效率的影响却微乎其微。

与此同时，为支持水轮机辅助设备的有效运行，对环境友好型水轮机的润滑系统也进行了改进。最新的技术有:可生物降解的润滑油、高效润滑油的管理和配置系统，以及自润滑无油衬套的运用等。

3 过鱼分析

评价水轮机生物性能所需的知识范围要求很广，从水轮机环境的个体物理现象的详尽特征，到对与鱼类安全过坝有关的所有机械、水力以及生物方面问题的全面系统的认识，无所不及。而计算流体动力学试验可作为桥梁，将生物数据(试验室和实际)、物理数据和鱼类行为特性紧密结合在一起。该方法可认为成本低、效果好，能很好地建立试验室对鱼类的评估与水轮机设计之间的有机联系。

近年来，西北太平洋国家试验室(PNNL)对有过鱼经历的水轮机环境特征进行了重点研究。其研究和评估方法包括:生物试验技术、综合评定和假设性试验，如通过预计鱼类过机最高存活率来确定水轮机的工况。

为确定相关压力对鱼类过机造成的伤害机制，西北太平洋国家试验室已进行了综合性试验室研究。研究人员采用计算机控制的低压缺氧室，模拟过机鱼类所处的压力变化状态，从而确定鱼类所受的影响。通过了解压力变化对过机鱼类的影响，水轮机运行人员和设计人员便可根据实际情况进行调整，从而进一步提高过鱼存活率。

基于此项研究，PNNL在确定植入式声波遥测技术对幼体大马哈鱼受伤率的影响方面也取得了一些进展。此项研究表明，该技术采用的是植入式声波发射器，而这种发射器会产生一种负偏压，影响到鱼类存活率的估计，因而造成估计结果有误。

由于美国陆军工程师团在幼体大麻哈鱼声波遥测系统中运用了植入式鱼类标签，所以必须了解实际过鱼存活率是否真正高于遥测技术所测的存活率，这一点很重要。为帮助消除这一差异，PNNL一直致力于设计和试验一种新型的附着于外部而具中性浮力的声波发射器，用以追踪工程区域的鱼类轨迹。最近的试验室评估结果表明，在试验室模拟水轮机工作的状况下，这种新型的植入式标签设计，对幼年大麻哈鱼无任何不利影响。

然而，PNNL研制的这种新型标签，尚未经过真实环境的检验，因此在这种新产品投入运用之前，仍沿用广泛采用的气球标签(Hi-Z标签)。而这种传统式标签，确实是估算过机鱼类存活率的一种有效技术。

PNNL还开发了一种工具，即声纳探鱼器(sensor fish)。该工具为圆柱型，用聚碳酸酯材料制成，约为一条幼体大麻哈鱼大小，可用于探测通过水轮机的鱼类所受的压力变化、变化角速度及线性加速度。

在美国能源部近期“先进的水电开发”项目基金的支持下，该声纳探鱼器的设计又可上一台阶，并提高探测精度，降低成本。同时，PNNL也一直致力于同化现场水力资料(将各种不同来源的资料融合)，例如通过声纳探鱼器采集数据，用CFD分析成果和通过鱼类伤亡风险预测等各种来源的数据，开发出一套能预测水轮机生物性能的综合性方法。

美国电力研究院还通过对水轮机叶片前缘的设计研究，构建了如何制造更亲鱼型水轮机的知识体系，并为阿尔登研究工作室多年的CFD技术和试验室研究工作进行了筹资。研究工作中的一个重点是，评估了各种转轮叶片的几何形状和厚度对鱼类伤亡的影响。生物学评价结果表明，钝而圆的叶片前缘对鱼类的伤害较小。这些成果已运用到最新的阿尔登水轮机设计中，而且也同样有助于提高其他类型水轮机设计的生物性能。

4 前景展望

人们在为解决水电工程相关的环境问题而研发出先进的水轮机技术方面，虽已取得巨大进展，但这些技术只有通过实践检验后才能实现其真正的价值。首先，水电业需要在制定与水轮机环境性能相适应的准则、标准和先进方法方面得到支持。然而尽管在水轮机性能指标(功率、流量和效率等)上有不尽其数的规定，但在环境性能方面的管理标准却相对较少。其次，水电业需要一定的财政支持，才能保证实地运用的新技术经济风险最小。

美国电力研究院和阿尔登工作研究室一直在努力为阿尔登水轮机选定一个示范站点。鉴于美国和法国两处建立示范点的协议还未最终敲定，因此两家机构拟针对站址来修改水轮机设计，同时制定一项示范运行计划和资金筹措计划，启动站点的初步设计。

一旦完成装机，紧接的一个重要步骤就是现场试验，对水轮机的预期性能进行验证，并获得相关行业和资源管理机构的认可，认为该水轮机为水电工程中鱼类过机抵达下游的有效方式。美国能源部已表示支持该示范项目，并为下一阶段在学校街工程中试验和推广阿尔登水轮机筹措资金。

随着美国水电基础设施的逐渐老化和现有非发电工程中增设水电的可能性，推广运用先进的水轮机技术便为大势所趋。为了研发先进的环境友好型水轮机技术，人们投入了大量的时间、人力和资金，现在，将这些投入转化为效益正逢其时。