［美國］ S.V.阿馬拉爾 等

20世紀(jì)90年代初，美國能源部(DOE)意識到需要研制既能改善環(huán)境又能提高運行性能的水輪機，并開始實施一項旨在推動一些先進水輪機技術(shù)研發(fā)的計劃。特別是通過此項計劃提出了兩種親魚型水輪機的設(shè)計，在2005年該計劃結(jié)束之前，還對魚類通過水輪機受傷的機制進行了大量的研究，其中一種親魚型水輪機為奧爾登水輪機。

獲得專利的奧爾登水輪機的概念與任一現(xiàn)有水輪機設(shè)計都不同，其設(shè)計特點在于，能夠減少魚群通過水輪機時因剪應(yīng)力計和壓力計受損以及葉片打擊造成的傷亡。

目前正在進行的工作是確定適合安裝奧爾登水輪機的地點，評價全尺寸機組的動力性能和過魚的生存情況。

1 概念設(shè)計與中試

1993年，美國能源部、美國電力研究院(EPRI)和國家水電協(xié)會(NHA)的研發(fā)委員會開始設(shè)想開發(fā)親魚型水輪機。該項研究旨在減少對魚類的環(huán)境影響，從而保持并有可能提高水力發(fā)電。國家水電協(xié)會成立了非盈利組織水電科學(xué)基金會(HRF)，以支持其研究。隨著電力研究院和能源部配套產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的支持者50萬美元初次攤款到位，便開始著手實施先進水電水輪機系統(tǒng)(AHTS)的計劃。

AHTS的第1階段工作包括能源部進行的詢價競標(biāo)，有兩家公司中標(biāo)。其中一家是福伊特水電公司(VH)，另一家為奧爾登公司。VH的方法側(cè)重于如何改進現(xiàn)有的發(fā)電機組設(shè)計以提高效率并減少魚群損傷和死亡率。VH的概念適用于對現(xiàn)有的大型轉(zhuǎn)槳式水輪機進行升級或適合于設(shè)計新型水輪機，而且他們的方案很快就推進到包括現(xiàn)場測試在內(nèi)的第2和第3階段?，F(xiàn)場測試中最值得注意的是在美國哥倫比亞河邦納維爾(Bonneville)工程和沃納帕姆(Wanapum)工程中新安裝了轉(zhuǎn)槳式最小間隙轉(zhuǎn)輪(MGR)。

而奧爾登的概念則側(cè)重于設(shè)計全新的水輪機轉(zhuǎn)輪。這種設(shè)計將轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)量限定為3片，以降低壓力梯度和流速，消除了葉片之間以及內(nèi)部樞紐和外殼之間的間隙，并最大限度地提高了流道的尺寸。在給定水頭條件下，加大轉(zhuǎn)輪尺寸可使旋轉(zhuǎn)速度降低，加上轉(zhuǎn)輪只有3片葉片，葉片沖擊力度因此而降低。由于奧爾登轉(zhuǎn)輪還沒有建成，能源部出資建造了中試設(shè)備，以評估其動力性能和魚群生存能力。在奧爾登公司建造了約1/3大小的試驗設(shè)備，并于2001年和2002年進行了測試。

進行中試的設(shè)備是一個由2000馬力的變速泵驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)，通過一個水力摩擦測功機來吸收水輪機輸出并控制流速。在水輪機的上游和下游均安裝了魚群噴注系統(tǒng)，還有一個傾斜的網(wǎng)罩用來引導(dǎo)控制魚群，那些已通過水輪機的魚群則進入收集池回收。

中試的重中之重是生物學(xué)特性，但是也收集了初步的工程數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，其中包括了能量轉(zhuǎn)換效率。生物學(xué)評價的目標(biāo)是要確定幾種代表性魚類和不同大小的魚在通過水輪機時的存活率。在這項研究中，對長度為30～450 mm的6種魚在2種運行水頭、有(無)導(dǎo)葉、6種水輪機效率設(shè)置條件下的成活率進行了評估。測試程序使用的魚超過了4萬條，使之成為迄今為止開展的水輪機過魚直接死亡率研究中評估范圍最廣的活動之一。此外，本研究是第一次也是唯一一次在拍攝進入水輪機轉(zhuǎn)輪的魚群中使用了高速攝像技術(shù)。

正如所料，水輪機葉片打擊是造成傷魚的主源，造成傷魚的其他機制已被設(shè)計出來，中試結(jié)果表明，水輪機過魚生存率與魚長呈負(fù)相關(guān)。隨著水頭增加，生存率也下降，這是由于更高的轉(zhuǎn)速相應(yīng)地使魚群被葉片擊中的概率更大。高轉(zhuǎn)速也會產(chǎn)生更高的打擊速度，從而使魚群被擊中時受傷更大。在所有魚類測試中已經(jīng)確定了魚長和水輪機使用期限之間的一般性關(guān)系(較大的魚更容易受到葉片打擊)，美洲鰻和白鱘則是例外。美洲鰻是測試中最大的魚(約250～450 mm長，虹鱒魚、銀鮭、阿威夫和小嘴鱸魚的長度則為30～200 mm)，但其存活率卻最高(百分之百生存)。僅根據(jù)鰻魚長度來看其預(yù)期受到傷害的程度應(yīng)該很高，但其形態(tài)和行為可能有助于降低其損傷率。白鱘的存活率也較大，可能是因為它們沒有魚鱗而且只有軟骨骼，而其他魚類都長著真正的骨骼。

雖然設(shè)計的中試的水頭、流速及轉(zhuǎn)輪葉片速度均與原型機等值(即沒有調(diào)整)，但其轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速(rpm)非常高(約3倍)，而且葉片間距相當(dāng)?shù)?約1/3)，這就造成了全尺寸水輪機中的死亡率比預(yù)期的更高。因此，用測試數(shù)據(jù)建立了一個預(yù)測模型(葉片打擊概率和生存概率)，以估算在測試過的2種水頭條件下全尺寸奧爾登水輪機的過魚生存率。在12 m水頭和74 r/min轉(zhuǎn)速條件下獲得的測試數(shù)據(jù)表明，一個基于原有設(shè)計的全尺寸奧爾登水輪機效率約為90%，100 mm長的魚通過的生存率將約為98%。200 mm長的魚的生存率將大約為96%。在通過水電工程的魚類中，不足200 mm長的魚所占比例約為90%以上。從下文的討論中可以看出，這些預(yù)測的存活率是保守的，因為目前對水輪機葉片前緣的修改(修改為半圓形的形狀，并增加了厚度)，減少了因葉片打擊而造成的魚類死亡，這些是基于在奧爾登公司單獨進行的效果測試結(jié)果得出的。

2 修改的水輪機設(shè)計

美國能源部AHTS計劃于2005年結(jié)束之后，電力研究院繼續(xù)牽頭開展奧爾登水輪機的研發(fā)工作。為了提高水輪機的功率密度(單位尺寸的功率輸出)，工作最初的重點是重新設(shè)計蝸殼以使其流量處理能力增加1倍，之后重新設(shè)計了轉(zhuǎn)輪和尾水管，并對整體系統(tǒng)進行了概念優(yōu)化。除了重新設(shè)計水輪機之外，電力研究院還支持親魚型水輪機的研發(fā)。這些工作主要是檢查轉(zhuǎn)輪葉片的導(dǎo)緣形狀、厚度和速度對受打擊魚類生存率的影響。這些研究極大地擴展了現(xiàn)有的關(guān)于魚類受葉片打擊所造成傷亡的數(shù)據(jù)。

電力研究院的葉片擊打測試結(jié)果適用于大多數(shù)水輪機設(shè)計，并且在更換或修復(fù)現(xiàn)有機組時，該測試結(jié)果可視為提高水輪機過魚存活率的方法。葉片擊打數(shù)據(jù)也可以納入預(yù)測葉片打擊概率的模型開發(fā)中，用模型來估計水輪機過魚存活率，而不必從其他水輪機或魚類來推斷數(shù)據(jù)，也不用進行昂貴的現(xiàn)場研究。

葉片擊打測試的結(jié)果(魚類的計算機建模和實驗室評估)已被納入到預(yù)期的奧爾登水輪機原型機中(葉片前緣的形狀和厚度)。在未來可能的測試點以及美國東部的許多水電工程中，主要關(guān)注的魚類之一是回藍鯡魚。這些魚在向下游洄游時長度約為75～100 mm。因為在半圓形葉片的厚度等于或大于魚類體長條件下，魚群生存率非常高，所以實驗地的轉(zhuǎn)輪葉片厚度選為150 mm，以使魚群在通過水輪機時被葉片擊打后的生存率最大化?？紤]到大多數(shù)通過水電工程的魚類長度不到200 mm，所以這種葉片的厚度應(yīng)該也會為其他魚類提供保護。

增加功率密度的第一步工作是重新設(shè)計蝸殼以增大其尺寸，這也是為了與現(xiàn)有的常規(guī)水輪機進行競爭。重新設(shè)計的目標(biāo)是建造一種新的蝸殼，使其通過的水流雙倍于原來的設(shè)計流量，同時保持進入轉(zhuǎn)輪的流速不變，并不增加蝸殼的總體尺寸。這種增大后的蝸殼使得可利用動力增加約一倍。要注意的是應(yīng)盡量減少水頭損失，以維持渦輪的高效率。蝸殼的幾何尺寸通過倍增的所有流道面積來進行解析研發(fā)。進行了一系列的計算流體動力學(xué)(CFD)模擬實驗，以指導(dǎo)蝸殼幾何形狀更細(xì)微的反復(fù)修改，以及固定葉片和導(dǎo)向葉片的布局。原有的蝸殼幾何尺寸不包括固定葉片，且只有少數(shù)導(dǎo)向葉片，對這些功能的修改是為了制造出更大的渦輪，以增加其實用性和可行性。重新設(shè)計的蝸殼整體直徑只比原來的原型機大2%，而通過的流量為之前的2倍，流速保持不變。

為了適應(yīng)重新進行概念設(shè)計后的雙倍流量，提出了2種轉(zhuǎn)輪的新設(shè)計方案。這兩種設(shè)計均使用了相同數(shù)量的葉片，其轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和水流流速與原來的中試的相同，以保持與原來設(shè)計相同的過魚生存率。其中一種設(shè)計采用的前緣葉片厚度與原來的中試的相同。另一種設(shè)計類似，但其半圓形前緣的厚度增加了，這是基于電力科學(xué)研究院主持的一項葉片擊打測試的結(jié)果。建造了一個單墩尾水管來完成水輪機的概念設(shè)計。對重新設(shè)計的水輪機及加厚了前緣葉片的轉(zhuǎn)輪進行了CFD模擬，以確定在一系列轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、水頭、水流和導(dǎo)葉開度條件下的最佳效率點(BEF)和水輪機的運行特征。對每個運行點上的性能(效率)進行了無量綱化繪圖，得到了普遍適用的一般特性。

這些CFD模擬結(jié)果表明，對全尺寸的轉(zhuǎn)輪來講，在很廣的運行條件下其效率接近94%。這表明，轉(zhuǎn)輪對各種入流水流的條件是不敏感的，對于增厚的半圓形葉片前緣來講這是一個很好的特征。這些結(jié)果表明，從水力學(xué)和進一步開展的處理其機械特性和損耗工作的角度來講，水輪機的這種設(shè)計是可行的。另外改進了轉(zhuǎn)輪設(shè)計以盡量減少尾水管湍流造成的損耗。據(jù)推測，水輪機的BEP位置可移動接近預(yù)定的工作點，而整體的水輪機效率將能與傳統(tǒng)設(shè)計相媲美。

3 現(xiàn)場應(yīng)用的水輪機設(shè)計

在美國能源部、電力科學(xué)研究院及行業(yè)合作伙伴的資助下，福伊特水電公司目前在進行奧爾登水輪機的工程設(shè)計。本階段研發(fā)的目標(biāo)是要完成水電站轉(zhuǎn)輪概念設(shè)計所需的附加工程，以便與現(xiàn)有的設(shè)計進行商業(yè)競爭。該研發(fā)工程包括:

(1)將概念設(shè)計轉(zhuǎn)化為一臺可以建造的機器所需的設(shè)計工程;

(2)建造一個物理模型并進行測試，以評估其工程性能和運行性能，并能夠?qū)ξ磥戆惭b進行經(jīng)濟分析。

該水輪機設(shè)計要能做到萬無一失，以使之具備商業(yè)價值，并準(zhǔn)備對其進行現(xiàn)場檢驗。由福伊特水電公司進行的工程設(shè)計將包括分析和優(yōu)化蝸殼、座環(huán)、固定葉片、導(dǎo)向葉片、頂蓋、水輪機葉片、水輪機轉(zhuǎn)輪、軸系、密封、支座和尾水管。盡管工程設(shè)計是針對可能的學(xué)校街(Schoo1 Street)水電工程的示范特點，但也可作較小的改動以應(yīng)用于條件不同的其他地方。

由福伊特水電公司進行的模型測試于2010年夏季開始，并于年底前完成?；诖隧椆ぷ鞒晒惭b到任一水利工程上的奧爾登水輪機都將達到約80%的設(shè)計水平。該模型轉(zhuǎn)輪直徑約為38 cm，它有一個半蝸殼、入水口、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、頂蓋、軸系、止推和徑向軸、密封件和尾水管，其制造均符合IEC600193標(biāo)準(zhǔn)。該模型安裝后將在一系列適用于典型工程的導(dǎo)葉開度和水頭大小條件下，測試其效率、功率、空化初生、空化分解、軸向推力和徑向推力。同時也將確定其飛逸轉(zhuǎn)速。其他的測量將收集有關(guān)導(dǎo)葉扭矩并描述在蝸殼與尾水管中壓力變化特征的時域數(shù)據(jù)。模型測試獲得的數(shù)據(jù)將有助于確保真機的性能。

4 學(xué)校街項目及其他現(xiàn)場示范

在水壩業(yè)主和監(jiān)管方之間達成了一個具有里程碑意義的和解協(xié)定。監(jiān)管方是指美國聯(lián)邦、州及負(fù)責(zé)管理和保護魚類資源的聯(lián)邦管理機構(gòu)，他們負(fù)責(zé)發(fā)放工程許可證。這個協(xié)定同意將奧爾登水輪機安裝在紐約州莫霍克(Mohawk)河的學(xué)校街水電工程上，以作為其過魚方式。布魯克菲爾德再生電力公司擁有并經(jīng)營這個項目。在美國這是首次有這樣的機構(gòu)將水輪機過魚視為一種可使魚群通過水壩到達下游的可行的方案。協(xié)定規(guī)定，如果水輪機安裝后測試確定的過魚生存率效果，等于或好于傳統(tǒng)的下游旁路系統(tǒng)，那么奧爾登水輪機可視為可接受的過魚方式。學(xué)校街工程中關(guān)注的主要過魚品種是回藍鯡魚幼苗和美國銀鰻魚，但非洄游魚類仍有可能測試其生存率。理論上在學(xué)校街工程中(約28 m的水頭和43 m3/s的水輪機過流量)，對于其目標(biāo)魚群來講，奧爾登水輪機的過魚死亡率不應(yīng)超過4%，轉(zhuǎn)槳式MGR水輪機過魚死亡率不應(yīng)超過20%。由于此分析是在增厚了葉片的半圓前緣之前進行的，所以目標(biāo)魚群的過魚生存率預(yù)計接近98%甚至更高。

除了學(xué)校街項目外，電力科學(xué)院還在已建或新建的水電項目中尋找另一個示范點來安裝和評估親魚型奧爾登水輪機。另外一個示范點將對在學(xué)校街的奧爾登水輪機的試驗性安裝和測試起到補充作用。通過在一個或多個示范點安裝和評估奧爾登水輪機的性能將能成功地完成其開發(fā)工作，并促使這些技術(shù)得到認(rèn)可，因為提高環(huán)保性能是水電行業(yè)的首要任務(wù)。水電業(yè)和聯(lián)邦及州的資源管理機構(gòu)對奧爾登水輪機模型驗收需要一個全面的現(xiàn)場示范，以驗證其預(yù)期的過魚生存率和水輪機性能。實現(xiàn)預(yù)期的生存率和運行性能將能有效地在已建或新建的水電工程上使其在環(huán)境影響和發(fā)電之間達到平衡。奧爾登水輪機也可以利用那些本來無法利用的水流來發(fā)電，例如和許可證要求相關(guān)的過魚旁路、娛樂和最低流量。

奧爾登水輪機的理想示范點將會有約12～24 m的水頭，并提供28～57 m3/s的流量。不過，如果能夠滿足與工程、運行和生物學(xué)特性相關(guān)的其他標(biāo)準(zhǔn)的話，不符合這些理想條件的地點也可予以考慮。

電力科學(xué)院將從遞交的申請中選擇最多3個地點以進行詳細(xì)的可行性評估。

5 市場潛力

據(jù)電力科學(xué)研究院最新評估，美國水電蘊藏量超過62000MW，其中大部分是通過對現(xiàn)有水電站擴容和新建電站實現(xiàn)的，這表明低碳能源有極大的開發(fā)潛力。據(jù)電力科學(xué)研究院進一步的保守估計，到2025年可以開發(fā)出其中的10000MW，其中大部分可以采用奧爾登水輪機，這取決于對下游過魚的需要。此外奧爾登水輪機也可作為過魚方式，以避免因為過魚而分水所造成的能源浪費。預(yù)計在北美和世界其他地區(qū)對這項新技術(shù)的興趣和需求將迅速增加。

6 結(jié)語

能源部的一項研究表明，對美國的水電工程來講，平均每個工程中的過魚成本超過了70萬美元(1991年)，每年超過6000MW的能量被浪費，這無疑增加了保護環(huán)境的成本和頻率。研制親魚型水輪機的設(shè)想就是在這一背景下提出的。隨著對清潔可再生能源的需求日益增加，考慮到這些環(huán)保成本，研發(fā)和應(yīng)用環(huán)境友好型水電技術(shù)的重要性顯而易見。所以在美國能源部和業(yè)界大力支持下，親魚型水輪機得以在美國各水電站安裝，以驗證其概念并減少發(fā)電損失和環(huán)境影響，消除目前水電發(fā)展的障礙。

奧爾登水輪機有可能成為又一個為水電工程業(yè)主們所利用的工具。他們需要新建水電項目并提高已建水壩的利用率來增加發(fā)電，同時確保魚類種群得到保護，而奧爾登水輪機可以滿足這一需要。奧爾登水輪機將在2011年投入商業(yè)應(yīng)用，在2013年可以安裝到一座或多座水電工程上進行生物學(xué)評價。如果成功的話，奧爾登水輪機可以廣泛應(yīng)用到目前因為考慮對魚群的潛在負(fù)面影響而還沒有進行水電開發(fā)的地方。