绿色水轮机及低水头水轮机的绿化技术

郑程遥

(广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635)

0 引言

就我国水轮机的开发进程而言，以转轮为标志，可将其划分为三代:第一代为20世纪70年代暂引系列型谱中的水轮机，如HL240、HL110等。第二代为“六五”、“七五”期间开发的列入1999年颁布的《中小型轴流式，混流式水轮机转轮分列型谱》 (JB/T 6310—1992)中的水轮机，如A224、D41等。第三代为针对国内一些大型水电站 (包括三峡)开发的具有世界领先水平的水轮机，有A551、D261等。前三代水轮机的发展，往往集中在如何提高效率、减少空蚀、扩大容量上，而对环境保护的因素涉及较少。

随着水力资源的开发，人类的生态环境也遭受了一定的破坏［1］，例如，水库电站对原河道水生环境的影响，水轮机对过机鱼类的额外死伤，水轮机用油对河流的污染，以及水轮机振动和噪声对人体的危害等［2］。因此，生态环境问题已成为当代水轮机及水电站设计关注的首要问题。目前，国际上生态水轮机的研究已取得显著的进展。例如，在美国的瓦纳普姆坝，1台设计先进的水轮机使发电容量增加14%，水的利用效率提高了3%，鱼类通过水轮机的生存率达97.82%［3］。法国罗纳河开发后，记录到的鱼种约有25类，与开发前基本相同。其中4种鲤鱼占生物总量的90%，这4种鱼在自然状态下占有的优势，在开发后仍然保持这种状态，鱼类平衡方面变化很小［4］。因此，借鉴国际上的成功经验和研究成果，开发利于生态环境的水轮机对中国社会的可持续发展具有积极的战略意义。

鉴于此，基于环境保护、生态可持续发展的我国第四代水轮机呼之欲出，很自然称之为绿色水轮机。本文阐明了绿色水轮机的基本概念，并对生态环境影响最为突出的低水头水轮机的绿化问题提出了基本措施。同时，介绍了一种新型的绿色水轮机(发明专利申请号 2015101453802)，即 ENT—16H—v(h)型高油压桨叶电液自动调节式水轮机。

1 绿色水轮机

绿色水轮机是指在水轮机的全寿命同期，充分考虑了生态环境及可持续发展的要求，具有人—机—鱼—水多目标交互最优化的生态水轮机。

综合国内外当前的研究成果，可简单的将绿色水轮机解释为具有亲人性、亲鱼性、高效性，且不污染河流的亲水性的水轮机。

1.1 亲人性

水轮机的振动和噪声对人体有不良的影响，会干扰人们休息、睡眠和工作，使人心律不适。长期承受振动会使人脊柱变形，长期噪声会使人耳聋。在振动和噪声环境下工作的人员容易疲劳，注意力分散，意外事故率升高。在此特别指出，0.1～0.63 Hz的超低频振动常引起人们一连串病症状，如从脸色苍白、头昏眼花开始，经过恶心呕吐到完全失去工作能力。而对于叶片不能随导叶协联调整的混流式或轴流定桨式水轮机，其在半负荷左右工况运行时，尾水管内将产生 ()fn(转动频率)的低频涡带压力脉动［5］。而 ()fn的频率范围包含了转速n从214.3～50 r/min的几乎所有大中型混流式和轴流定桨式水轮机转速的范围。例如，某水电站 n=150 r/min，即 fn=2.5 Hz，按厂家试验数，其涡带频率f涡= (～)fn=0.5～0.625 Hz，均在上述0.1～0.63 Hz范围内，将会对人体产生严重的不良影响;绿色水轮机应当避开上述振动频率。

再则，如水轮机材料和工艺选择不当，水力设计不合理，将在空蚀和磨蚀的影响下，产生大量电焊修补量，这就加大了电焊工的劳动强度，对其身体造成伤害。如焊工尘肺及肺功能铅中毒、电焊烟热、神经系统、生殖系统等危害。绿色水轮机要运用先进的设计理念和先进的工艺及制造技术，大幅度降低检修期的焊接工作量。

银隆召开第一届董事会第八次会议，决定免去孙国华的董事长及总裁职务，由卢春泉出任公司董事长，赖信华出任公司总裁。

总之，绿色水轮机的亲人性要求保护人的身心健康，最大限度地做到人—机和谐。

1.2 亲鱼性

亲鱼性水轮机的研究已成为当代的热门课题，国内外已有相当多的文献报道，鱼与水轮机的摩擦和相撞可使鳞片和粘膜损伤，眼睛受伤和内出血，甚至直接死亡。当鱼类从进口经过水轮机系统到达尾水管的过程中，将经受快速的压力改变，使鱼鳔损伤而造成较高的死亡率。例如，10 cm长的河鲈的鳔，当压力降至环境压力的40%时会破裂。此外，空蚀发生时，气泡爆裂，引起噪声、振动、压力波动，造成一定的冲击力，也会伤害鱼类。在叶片的前缘、转轮和导叶处有较大的剪切压力，当鱼进入水轮机系统剪切应力“伤害”区域时，鱼就会受伤，有时甚至是致命性的。在尾水管漩涡中的涡流也会产生剪切应力危害鱼类。水轮机系统中的紊流，也对鱼有伤害，尤其中尾水管中，大规模的紊流可使鱼迷失方向，容易被其他鱼类和鸟类所捕食。

亲鱼性水轮机国外研究较早，1994年，美国能源部与美国水电企业合作，制订了高级水轮机系统计划 (AHTS)，其目标是开发新型水轮机，使鱼受到的伤害或死亡率最低，并创造良好的环境(即保持通过水轮机的水有良好的水质)，同时高效地发电［6］。英国碳基金开发了一个项目，采用流体三维流动的数值模拟的CFD技术计算水轮机转轮及其流道的各类参数，然后将此参数输入到STRISER模型预测鱼类的伤亡状况，反复选代，得出亲鱼型水轮机的设计参数［7］。我们应积极借鉴国外的成功经验，开发亲鱼类水轮机。

1.3 亲水性

水轮机主要工作部件用油润滑与操作，如导水机构、各类轴承、导叶接力器、桨叶接力器等，由于磨损或老化，密封失效，油水混合，进入水中会污染河流。尤其是转桨式水轮机，其桨叶接力器置于转轮轮毂体内，压力油自然也进入转轮体，一方面润滑叶片轴套，另一方面也操作叶片调节机构。桨叶根部转轴与其衬套，在叶片承受较大的水压力而不断转动时，会磨损变形而使密封失效，从而使压力油注入河流。如某水电站，4台转桨式机组漏油量达80余吨/年［8］，可见其对生态的不良影响。

此外，为了防止某些微生物寄生在水轮机的一些部件上 (因为温度适宜)，将这些部件涂上有毒的漆，虽然消除了寄生物，但却在时时刻刻污染着河流。也有为了使水轮机部件上坚硬附着生物剥落而使用特别的化学药物，同样造成了对河流的污染。

上述“恶水”的水轮机，对各种生态都会产生不利影响，而绿色水轮机不污染水，有“亲水性”。

从上述讨论可知:环境保护、可持续发展使第四代水轮机势在必行，只有那些具有高效性、亲人性、亲鱼性、亲水性的水轮机才能称得上是绿色水轮机。绿色水轮机，不是单纯指使个别企业经济效益最优的水轮机，而是指人—机—鱼—水多目标平衡，全局效益最优的水轮机。研发、设计和制造及使用绿色水轮机，是水力发电行业一项新的挑战。

2 低水头水轮机的绿化技术

相对于那些高山峡谷之中，流量小、水冷鱼少的高水头水电站，低水头水电站往往流量大、鱼群丰富，且位于城镇附近，其水流往往为人畜的饮用水源，故其水轮机的绿化技术尤为重要。

2.1 水力性能

水轮机运行在高效区，则其水能利用率高，水流平顺，压力脉动小、振动小、噪声小、空蚀小，显然，这时的水轮机的性能表现为亲人性与亲鱼性。所以，绿色水轮机要求在各种工况下，包括水头变化、流量变化时，都具有较高的效率，即高效区显得平坦、宽广以及具有良好空蚀性能。

水轮机转速要相对的低，以减少对鱼的碰撞，但其单位转速应略高于最优单位转速，以防止脱流振动，保证水轮机的稳定运行，利于鱼类生存。水轮机的安装高程应留有充分的裕量，尽可能减少水轮机的空蚀，减少振动和噪声的危害，提高鱼的生存率。

另外，水轮机系统应有补气装置，可提高水中的溶解氧，改善鱼类生存条件，且可减少振动和噪声、缓解抬机危害，提高机组的稳定性。控制系统采用二段关闭，智能停机，减少水锺的危害。

应当特别指出，转桨式水轮机 (卡普兰型)导叶与桨叶协联配合，可形成最佳的协联关系，既有较宽广的效率区，又可避免发生叶片频率与压力脉动形成共振 (叶片自激振荡)，提高机组的稳定性，其水力性能各方面俱佳，为低水头水轮机“绿化”的首选技术。

2.2 结构与几何参数

当水头H≤25 m时，应选择贯流双调节水轮机(卡普兰型)，其效率高，流线平直，叶片数少 (3～5片)，转速低，空化性能好，过流量大，水流流动平稳，利于鱼类生存。为提高其“绿化”水平，应选择合适的灯泡比，尽量减少导叶数和叶片数，使过鱼存活率增加。最近的研究和实验表明，贯流机导叶数从16片减少至8片，效率降低4%;所以，可选择适当的导叶数，以在水轮机效率和过鱼性能方面求得平衡。此外，通过合理的设计转轮及流道参数，可使叶片数减少，过鱼性改善。如ANDRITZ公司在广东清远水电站，采用3叶片加厚并合理设计流道参数的办法，放弃4叶片方案，提高了引用流量且最大水头可达10 m，同时增强了亲鱼性。对这类水轮机，建议从绿色的角度，选择最优的叶栅稠密度。当水轮机工作水头H在25～60 m之间时，应选择轴流转桨叶式 (卡普兰型)，其叶片数少 (4～6)，高效率范围大而变化平坦，因而具有亲人性与亲鱼性。

定桨式机组高效区窄，不仅平均效率低，而且导叶、桨叶常常工作在非协联状况，叶片容易产生自激振荡，且噪声大，要尽可能改造为转桨式。但现行的转桨式机组最大缺陷在于“恶水性”，由于其桨叶接力器在轮毂体内，操作油进入了转轮体，而桨叶密封在水压力和桨叶随操作架不断转动时，难免老化和磨损，使密封失效，将操作油渗入水中，污染河流。

鉴于此，开始研究用水代替油来操作桨叶且用自润滑材料替代常规油润滑轴承的新型转桨式水轮机。1990年，Voith公司将1台较小的这种类型的轴流转桨式水轮机在欧洲投入了运行［5］。在我国，深圳恩莱吉能源科技有限公司研发了一种高油压桨叶电液自动调节式水轮机，这种水轮机将桨叶接力器外置于轴端，杜绝了油与桨叶的接触，从而杜绝了油对水的污染。目前，这种水轮机在广东英德红桥水电站 (灯泡贯流式 2×3 500 kW，直径3.56 m)和湖南衡东甘溪水电站 (轴流定桨式改转桨式，6×1 250 kW，直径1.8 m)成功运行，标志着我国绿色水轮机的研究与应用在某些方面进入国际领先的行列。

2.3 材料与工艺

绿色水轮机主要材料的选择应与水质和环境条件相适应。对容易空蚀的部件，应选用抗空蚀性能较好的不锈钢材料，对转轮叶片、转轮室球面体合适的范围，应采用VOD工艺生成的不锈钢。对含沙量较大，容易产生磨蚀的水轮机，应扩大不锈钢部套的范围，如转轮体、导叶、抗磨环等，对水轮机过流面焊缝宜打磨光滑;这样既可以避免水力损失，又可以避免擦伤鱼类。虽然这样做会使水轮机价格较高，但减少了焊接工作量及维修费用，防止了部件焊接、修补变形带来的性能恶化，同时也减少了空蚀振动对人体的影响。

为了增强水轮机的亲水性，绿色水轮机的导水机构设计应采用自润滑轴套代替润滑油轴套，即采用无油轴套。如果有可能，桨叶也可考虑用水作介质操作来代替透平油，就像前述Voith公司那样。对转桨式水轮机，采用高油压和桨叶接力器外置，桨叶转动密封采用自润滑材料，可杜绝油对河流的污染。

在工艺方面，可大力推广金属喷涂工艺。该技术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰中，其喷射速度达2 000 m/s，燃烧温度适中(小于3 000℃)，可保证硬质材料不脱碳。另外，高速燃气体使粉末材料紧密均匀地嵌在被喷涂物体表面上，与基材物理结合在一起，在基材温度低于120℃时，使基材不发生任何变形，从而形成低孔隙率、低氧合、高结合力、低残余压力的高质量涂层。

喷涂粉末适用于水轮机过流表面抗泥沙磨蚀和多泥沙河流运行的灯泡机组叶片，其操作方便，避免了大量电焊工作及焊接引起的部件变形，是一种具有“亲人性”的绿色技术。

3 ENT—16H—v(h)型绿色水轮机及应用

ENT—16H—v(h)型高油压桨叶电液自动调节水轮机是由深圳恩莱吉能源科技有限公司自主研发的一种中低水头绿色水轮机，其主要“绿色”特征是将小型机组转桨化和消除了转桨式机组桨叶操作油对河流的污染 (见图1)。

图1 ENT—16H—v(h)结构示意

ENT—16H—v(h)的基本特征是:操作油压为16 MPa，通过旋转进油器进入电磁阀控制的桨叶接力器，桨叶接力器外置于轴端，并随主轴一同旋转。接力器的轴向位移，通过主轴的桨叶推拉杆带动桨叶操作架，使桨叶转动，接力器的位移信号通过磁质传感器传送到微机调速的输入端，以实现导叶、桨叶的自动协联控制。

由图1可看出，ENT—16H—v(h)的桨叶接力器外置于轴端，通过纯机械轴传递力矩，控制桨叶。这不仅可使轮毂比减小，提高了水轮机效率，使转桨式水轮机向小直径、高水头发展，而且特别重要的是转轮体内无任何压力油，解决了油对河流的污染问题，保护了生态环境。此外，由于ENT—16H—v(h)采用了16 MPa的高油压，体积小，操作功大，使得转轮直径较小，容量较小的机组都可采用转桨式机组，以改善其“绿色”性能。

广东英德红桥水电站位于氵翁江中游段，是氵翁江干流的第10座梯级电站，坝址以上集水面积3 121 km2，电站装设2台灯泡贯流式水轮发电机组 (见表1)。

经分析，调速器导叶和桨叶调节均采用16 MPa高压油操作，有较大的优越性，故选择了ENT—16H—v(h)水轮机，比采用GD型定桨式机组提高效率10%以上，比采用传统低油压的灯泡贯流式机组节约成本10%;取消了结构复杂、密封困难的传统受油器，取消了调速器压力油罐，取消了高压气系统，代之以小体积的高压储能罐。因为采用了旋转进油器用止口定位，所以安装时省去了“盘车”等费时环节。同时，解决了漏油造成油系统电机频繁启动的能耗，杜绝了漏油对河流的污染。

表1 红桥水电站水轮机、发电机参数

工程于2013年9月11日开工，由于采用ENT—16H—v(h)，简化了机电和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2台机组自10月20日投运至今，运行稳定，调节装置工作可靠，免维护。

4 结语

(1)第四代水轮机即绿色水轮机的研制，对我国经济、社会可持续发展，对环境保护，均具有重要的战略意义。

(2)绿色水轮机是人—机—鱼—水多目标交互最优化的全局综合最优型水轮机，须从水力性能、结构与几何参数、材料与工艺诸方面深入研究，不断创新和突破，才能改进“绿化”水平，得到高水准的绿色水轮机。

(3)国际上从90年代开始研究绿色水轮机，不论是从管理和技术上，还是从理论和实践上，都取得了较大的进展，值得借鉴。国内ENT—16H—v(h)型高油压桨叶电液自动调节水轮机已开始应用，突破性地绿化了低水头水轮机，应积极推广。

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