亲鱼型水轮机的研发与应用

［美国］ S.V.阿马拉尔 等

20世纪90年代初，美国能源部(DOE)意识到需要研制既能改善环境又能提高运行性能的水轮机，并开始实施一项旨在推动一些先进水轮机技术研发的计划。特别是通过此项计划提出了两种亲鱼型水轮机的设计，在2005年该计划结束之前，还对鱼类通过水轮机受伤的机制进行了大量的研究，其中一种亲鱼型水轮机为奥尔登水轮机。

获得专利的奥尔登水轮机的概念与任一现有水轮机设计都不同，其设计特点在于，能够减少鱼群通过水轮机时因剪应力计和压力计受损以及叶片打击造成的伤亡。

目前正在进行的工作是确定适合安装奥尔登水轮机的地点，评价全尺寸机组的动力性能和过鱼的生存情况。

1 概念设计与中试

1993年，美国能源部、美国电力研究院(EPRI)和国家水电协会(NHA)的研发委员会开始设想开发亲鱼型水轮机。该项研究旨在减少对鱼类的环境影响，从而保持并有可能提高水力发电。国家水电协会成立了非盈利组织水电科学基金会(HRF)，以支持其研究。随着电力研究院和能源部配套产业联盟的支持者50万美元初次摊款到位，便开始着手实施先进水电水轮机系统(AHTS)的计划。

AHTS的第1阶段工作包括能源部进行的询价竞标，有两家公司中标。其中一家是福伊特水电公司(VH)，另一家为奥尔登公司。VH的方法侧重于如何改进现有的发电机组设计以提高效率并减少鱼群损伤和死亡率。VH的概念适用于对现有的大型转桨式水轮机进行升级或适合于设计新型水轮机，而且他们的方案很快就推进到包括现场测试在内的第2和第3阶段。现场测试中最值得注意的是在美国哥伦比亚河邦纳维尔(Bonneville)工程和沃纳帕姆(Wanapum)工程中新安装了转桨式最小间隙转轮(MGR)。

而奥尔登的概念则侧重于设计全新的水轮机转轮。这种设计将转轮的叶片数量限定为3片，以降低压力梯度和流速，消除了叶片之间以及内部枢纽和外壳之间的间隙，并最大限度地提高了流道的尺寸。在给定水头条件下，加大转轮尺寸可使旋转速度降低，加上转轮只有3片叶片，叶片冲击力度因此而降低。由于奥尔登转轮还没有建成，能源部出资建造了中试设备，以评估其动力性能和鱼群生存能力。在奥尔登公司建造了约1/3大小的试验设备，并于2001年和2002年进行了测试。

进行中试的设备是一个由2000马力的变速泵驱动的闭环系统，通过一个水力摩擦测功机来吸收水轮机输出并控制流速。在水轮机的上游和下游均安装了鱼群喷注系统，还有一个倾斜的网罩用来引导控制鱼群，那些已通过水轮机的鱼群则进入收集池回收。

中试的重中之重是生物学特性，但是也收集了初步的工程数据和运行数据，其中包括了能量转换效率。生物学评价的目标是要确定几种代表性鱼类和不同大小的鱼在通过水轮机时的存活率。在这项研究中，对长度为30～450 mm的6种鱼在2种运行水头、有(无)导叶、6种水轮机效率设置条件下的成活率进行了评估。测试程序使用的鱼超过了4万条，使之成为迄今为止开展的水轮机过鱼直接死亡率研究中评估范围最广的活动之一。此外，本研究是第一次也是唯一一次在拍摄进入水轮机转轮的鱼群中使用了高速摄像技术。

正如所料，水轮机叶片打击是造成伤鱼的主源，造成伤鱼的其他机制已被设计出来，中试结果表明，水轮机过鱼生存率与鱼长呈负相关。随着水头增加，生存率也下降，这是由于更高的转速相应地使鱼群被叶片击中的概率更大。高转速也会产生更高的打击速度，从而使鱼群被击中时受伤更大。在所有鱼类测试中已经确定了鱼长和水轮机使用期限之间的一般性关系(较大的鱼更容易受到叶片打击)，美洲鳗和白鲟则是例外。美洲鳗是测试中最大的鱼(约250～450 mm长，虹鳟鱼、银鲑、阿威夫和小嘴鲈鱼的长度则为30～200 mm)，但其存活率却最高(百分之百生存)。仅根据鳗鱼长度来看其预期受到伤害的程度应该很高，但其形态和行为可能有助于降低其损伤率。白鲟的存活率也较大，可能是因为它们没有鱼鳞而且只有软骨骼，而其他鱼类都长着真正的骨骼。

虽然设计的中试的水头、流速及转轮叶片速度均与原型机等值(即没有调整)，但其转轮转速(rpm)非常高(约3倍)，而且叶片间距相当低(约1/3)，这就造成了全尺寸水轮机中的死亡率比预期的更高。因此，用测试数据建立了一个预测模型(叶片打击概率和生存概率)，以估算在测试过的2种水头条件下全尺寸奥尔登水轮机的过鱼生存率。在12 m水头和74 r/min转速条件下获得的测试数据表明，一个基于原有设计的全尺寸奥尔登水轮机效率约为90%，100 mm长的鱼通过的生存率将约为98%。200 mm长的鱼的生存率将大约为96%。在通过水电工程的鱼类中，不足200 mm长的鱼所占比例约为90%以上。从下文的讨论中可以看出，这些预测的存活率是保守的，因为目前对水轮机叶片前缘的修改(修改为半圆形的形状，并增加了厚度)，减少了因叶片打击而造成的鱼类死亡，这些是基于在奥尔登公司单独进行的效果测试结果得出的。

2 修改的水轮机设计

美国能源部AHTS计划于2005年结束之后，电力研究院继续牵头开展奥尔登水轮机的研发工作。为了提高水轮机的功率密度(单位尺寸的功率输出)，工作最初的重点是重新设计蜗壳以使其流量处理能力增加1倍，之后重新设计了转轮和尾水管，并对整体系统进行了概念优化。除了重新设计水轮机之外，电力研究院还支持亲鱼型水轮机的研发。这些工作主要是检查转轮叶片的导缘形状、厚度和速度对受打击鱼类生存率的影响。这些研究极大地扩展了现有的关于鱼类受叶片打击所造成伤亡的数据。

电力研究院的叶片击打测试结果适用于大多数水轮机设计，并且在更换或修复现有机组时，该测试结果可视为提高水轮机过鱼存活率的方法。叶片击打数据也可以纳入预测叶片打击概率的模型开发中，用模型来估计水轮机过鱼存活率，而不必从其他水轮机或鱼类来推断数据，也不用进行昂贵的现场研究。

叶片击打测试的结果(鱼类的计算机建模和实验室评估)已被纳入到预期的奥尔登水轮机原型机中(叶片前缘的形状和厚度)。在未来可能的测试点以及美国东部的许多水电工程中，主要关注的鱼类之一是回蓝鲱鱼。这些鱼在向下游洄游时长度约为75～100 mm。因为在半圆形叶片的厚度等于或大于鱼类体长条件下，鱼群生存率非常高，所以实验地的转轮叶片厚度选为150 mm，以使鱼群在通过水轮机时被叶片击打后的生存率最大化。考虑到大多数通过水电工程的鱼类长度不到200 mm，所以这种叶片的厚度应该也会为其他鱼类提供保护。

增加功率密度的第一步工作是重新设计蜗壳以增大其尺寸，这也是为了与现有的常规水轮机进行竞争。重新设计的目标是建造一种新的蜗壳，使其通过的水流双倍于原来的设计流量，同时保持进入转轮的流速不变，并不增加蜗壳的总体尺寸。这种增大后的蜗壳使得可利用动力增加约一倍。要注意的是应尽量减少水头损失，以维持涡轮的高效率。蜗壳的几何尺寸通过倍增的所有流道面积来进行解析研发。进行了一系列的计算流体动力学(CFD)模拟实验，以指导蜗壳几何形状更细微的反复修改，以及固定叶片和导向叶片的布局。原有的蜗壳几何尺寸不包括固定叶片，且只有少数导向叶片，对这些功能的修改是为了制造出更大的涡轮，以增加其实用性和可行性。重新设计的蜗壳整体直径只比原来的原型机大2%，而通过的流量为之前的2倍，流速保持不变。

为了适应重新进行概念设计后的双倍流量，提出了2种转轮的新设计方案。这两种设计均使用了相同数量的叶片，其转轮转速和水流流速与原来的中试的相同，以保持与原来设计相同的过鱼生存率。其中一种设计采用的前缘叶片厚度与原来的中试的相同。另一种设计类似，但其半圆形前缘的厚度增加了，这是基于电力科学研究院主持的一项叶片击打测试的结果。建造了一个单墩尾水管来完成水轮机的概念设计。对重新设计的水轮机及加厚了前缘叶片的转轮进行了CFD模拟，以确定在一系列转轮转速、水头、水流和导叶开度条件下的最佳效率点(BEF)和水轮机的运行特征。对每个运行点上的性能(效率)进行了无量纲化绘图，得到了普遍适用的一般特性。

这些CFD模拟结果表明，对全尺寸的转轮来讲，在很广的运行条件下其效率接近94%。这表明，转轮对各种入流水流的条件是不敏感的，对于增厚的半圆形叶片前缘来讲这是一个很好的特征。这些结果表明，从水力学和进一步开展的处理其机械特性和损耗工作的角度来讲，水轮机的这种设计是可行的。另外改进了转轮设计以尽量减少尾水管湍流造成的损耗。据推测，水轮机的BEP位置可移动接近预定的工作点，而整体的水轮机效率将能与传统设计相媲美。

3 现场应用的水轮机设计

在美国能源部、电力科学研究院及行业合作伙伴的资助下，福伊特水电公司目前在进行奥尔登水轮机的工程设计。本阶段研发的目标是要完成水电站转轮概念设计所需的附加工程，以便与现有的设计进行商业竞争。该研发工程包括:

(1)将概念设计转化为一台可以建造的机器所需的设计工程;

(2)建造一个物理模型并进行测试，以评估其工程性能和运行性能，并能够对未来安装进行经济分析。

该水轮机设计要能做到万无一失，以使之具备商业价值，并准备对其进行现场检验。由福伊特水电公司进行的工程设计将包括分析和优化蜗壳、座环、固定叶片、导向叶片、顶盖、水轮机叶片、水轮机转轮、轴系、密封、支座和尾水管。尽管工程设计是针对可能的学校街(Schoo1 Street)水电工程的示范特点，但也可作较小的改动以应用于条件不同的其他地方。

由福伊特水电公司进行的模型测试于2010年夏季开始，并于年底前完成。基于此项工作成果，安装到任一水利工程上的奥尔登水轮机都将达到约80%的设计水平。该模型转轮直径约为38 cm，它有一个半蜗壳、入水口、导水机构、转轮、顶盖、轴系、止推和径向轴、密封件和尾水管，其制造均符合IEC600193标准。该模型安装后将在一系列适用于典型工程的导叶开度和水头大小条件下，测试其效率、功率、空化初生、空化分解、轴向推力和径向推力。同时也将确定其飞逸转速。其他的测量将收集有关导叶扭矩并描述在蜗壳与尾水管中压力变化特征的时域数据。模型测试获得的数据将有助于确保真机的性能。

4 学校街项目及其他现场示范

在水坝业主和监管方之间达成了一个具有里程碑意义的和解协定。监管方是指美国联邦、州及负责管理和保护鱼类资源的联邦管理机构，他们负责发放工程许可证。这个协定同意将奥尔登水轮机安装在纽约州莫霍克(Mohawk)河的学校街水电工程上，以作为其过鱼方式。布鲁克菲尔德再生电力公司拥有并经营这个项目。在美国这是首次有这样的机构将水轮机过鱼视为一种可使鱼群通过水坝到达下游的可行的方案。协定规定，如果水轮机安装后测试确定的过鱼生存率效果，等于或好于传统的下游旁路系统，那么奥尔登水轮机可视为可接受的过鱼方式。学校街工程中关注的主要过鱼品种是回蓝鲱鱼幼苗和美国银鳗鱼，但非洄游鱼类仍有可能测试其生存率。理论上在学校街工程中(约28 m的水头和43 m3/s的水轮机过流量)，对于其目标鱼群来讲，奥尔登水轮机的过鱼死亡率不应超过4%，转桨式MGR水轮机过鱼死亡率不应超过20%。由于此分析是在增厚了叶片的半圆前缘之前进行的，所以目标鱼群的过鱼生存率预计接近98%甚至更高。

除了学校街项目外，电力科学院还在已建或新建的水电项目中寻找另一个示范点来安装和评估亲鱼型奥尔登水轮机。另外一个示范点将对在学校街的奥尔登水轮机的试验性安装和测试起到补充作用。通过在一个或多个示范点安装和评估奥尔登水轮机的性能将能成功地完成其开发工作，并促使这些技术得到认可，因为提高环保性能是水电行业的首要任务。水电业和联邦及州的资源管理机构对奥尔登水轮机模型验收需要一个全面的现场示范，以验证其预期的过鱼生存率和水轮机性能。实现预期的生存率和运行性能将能有效地在已建或新建的水电工程上使其在环境影响和发电之间达到平衡。奥尔登水轮机也可以利用那些本来无法利用的水流来发电，例如和许可证要求相关的过鱼旁路、娱乐和最低流量。

奥尔登水轮机的理想示范点将会有约12～24 m的水头，并提供28～57 m3/s的流量。不过，如果能够满足与工程、运行和生物学特性相关的其他标准的话，不符合这些理想条件的地点也可予以考虑。

电力科学院将从递交的申请中选择最多3个地点以进行详细的可行性评估。

5 市场潜力

据电力科学研究院最新评估，美国水电蕴藏量超过62000MW，其中大部分是通过对现有水电站扩容和新建电站实现的，这表明低碳能源有极大的开发潜力。据电力科学研究院进一步的保守估计，到2025年可以开发出其中的10000MW，其中大部分可以采用奥尔登水轮机，这取决于对下游过鱼的需要。此外奥尔登水轮机也可作为过鱼方式，以避免因为过鱼而分水所造成的能源浪费。预计在北美和世界其他地区对这项新技术的兴趣和需求将迅速增加。

6 结语

能源部的一项研究表明，对美国的水电工程来讲，平均每个工程中的过鱼成本超过了70万美元(1991年)，每年超过6000MW的能量被浪费，这无疑增加了保护环境的成本和频率。研制亲鱼型水轮机的设想就是在这一背景下提出的。随着对清洁可再生能源的需求日益增加，考虑到这些环保成本，研发和应用环境友好型水电技术的重要性显而易见。所以在美国能源部和业界大力支持下，亲鱼型水轮机得以在美国各水电站安装，以验证其概念并减少发电损失和环境影响，消除目前水电发展的障碍。

奥尔登水轮机有可能成为又一个为水电工程业主们所利用的工具。他们需要新建水电项目并提高已建水坝的利用率来增加发电，同时确保鱼类种群得到保护，而奥尔登水轮机可以满足这一需要。奥尔登水轮机将在2011年投入商业应用，在2013年可以安装到一座或多座水电工程上进行生物学评价。如果成功的话，奥尔登水轮机可以广泛应用到目前因为考虑对鱼群的潜在负面影响而还没有进行水电开发的地方。