張玉全，鄭源, ，孫科，楊春霞，羅紅英

（1. 河海大學能源與電氣學院，南京210098；2. 西藏農(nóng)牧學院，西藏林芝 860000；3. 哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001）

一、前言

隨著全球能源緊缺、氣候變化加劇和人們對生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，加快發(fā)展可再生能源、保障生態(tài)環(huán)境安全、支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，已成為世界各國關(guān)注的重點。目前我國能源普及率低、人均能源消耗量少，能源不足已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的障礙之一。根據(jù)我國《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，我國可再生能源占一次性能源供應(yīng)的比重，2020年要提高到15%，2030年要提高到20% [1]。水能是我國僅次于煤炭的第二大能源,也是可再生能源中能夠形成最大供給規(guī)模的清潔能源。我國小水電資源十分豐富，遍布全國1 500個縣，其中約有600個縣主要以小水電供電，解決了2 000多萬人口的用電。我國的小水電（裝機容量≤50 MW的水電站）技術(shù)可開發(fā)量為1.28×108kW，截至2015年年底，已經(jīng)開發(fā)7.5×107kW，開發(fā)率為58.6% [2]。因此，開發(fā)小水電技術(shù)符合可再生能源國家發(fā)展戰(zhàn)略，是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、緩解環(huán)境問題的優(yōu)先選擇。

微水頭即水頭在0～3 m的水力資源，具有水力發(fā)電的潛力，但因為經(jīng)濟開發(fā)價值太低，故一直未引起足夠的重視[3]。實際上，我國微水頭資源分布廣泛，具有不同于常規(guī)水電的獨特開發(fā)優(yōu)勢：①資源豐富，種類繁多，具有巨大的開發(fā)潛力；②資源便利，結(jié)構(gòu)簡單，二次能源回收，節(jié)省投資；③運河、管道、尾水等微水頭資源穩(wěn)定，具有可預測性；④無需蓄水調(diào)節(jié)，對環(huán)境影響小。

水輪機是決定電站運行效率和效能產(chǎn)出的最關(guān)鍵設(shè)備，目前微水頭水電開發(fā)采取的水輪機設(shè)計主要有兩種方式：①沿用常規(guī)低水頭機型的設(shè)計方法。常規(guī)水電站的設(shè)計以水的勢能為核心參數(shù)，成本主要取決于水頭，水頭越低，經(jīng)濟性越差。常規(guī)水力發(fā)電水輪機類型只有軸流式和貫流式兩種水輪機適應(yīng)水頭范圍可低至2～3 m。但從實際運行來看，目前低水頭電站所采用的全貫流水輪發(fā)電機組和整裝式燈泡貫流機組并不完全適用于在微水頭段運行。②采用零水頭發(fā)電機組的設(shè)計方法。這類水輪機通常應(yīng)用于天然河流、潮流、海流、人造水道以及其他具有足夠水流速度的流道，與常規(guī)水輪機的本質(zhì)區(qū)別是將水的動能轉(zhuǎn)化為機械能再通過發(fā)電機進一步轉(zhuǎn)化為電能。這類水輪機結(jié)構(gòu)簡單，通常安裝在開闊水域，棄水量大，理論極限效率只能達到59.3%，與同等裝機容量的內(nèi)流水輪機相比，尺寸較大，安裝成本高，維護困難[4]。

可見，適應(yīng)0～3 m微水頭發(fā)電的水輪機尚沒有成熟的機型可以應(yīng)用，其成為制約微水頭水電開發(fā)的技術(shù)瓶頸。因此有必要梳理微水頭資源需求和應(yīng)用特點，提出研發(fā)適合開闊流域和封閉流域特點的兩型微水頭水力發(fā)電水輪機，總結(jié)形成動勢能結(jié)合型微水頭水輪機設(shè)計方法。

二、微水頭資源開發(fā)研究現(xiàn)狀

世界上許多未開發(fā)的河流和溪流蘊含了豐富的微水頭資源，借助簡單的、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝合適的水力機組利用其來發(fā)電。美國電力研究院（EPRI）的一項研究表明，在美國從河流中水動力技術(shù)上可恢復的能量為119.9 TW·h [5]。通過流速型水輪機[6]可以僅僅使用水流（即無水壓頭）來產(chǎn)生電能。水流的速度和深度決定了可利用的水動力能量，并決定了可以使用的水輪機的尺寸。

對于微水頭發(fā)電，當運河和其他人工河道的水流速度大于1.5 m/s時能量轉(zhuǎn)換理想，它們具有可控、可測和相對清潔的特點。美國的風能和水能技術(shù)辦公室支持在已有的運河系統(tǒng)發(fā)展水動力能源[7]，例如華盛頓州的Roza運河。中國臺灣[8]和老撾[9]在農(nóng)用水渠中建造了利用灌溉水的微型水電系統(tǒng)。總體來說，當運河和人工河道中有足夠的水流速度時，利用水流動能發(fā)電是可行的。此外，水流的速度越快，發(fā)電的潛力就越大。在一些泵站中，在特殊情況下泵可作為水輪機來發(fā)電，例如在中國的江都灌溉總渠，當淮河入流非常大時，泵機組可作為水輪機發(fā)出3 MW的電量。

在工業(yè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)管道，自來水廠和水電站供水管道中有大量的富余水頭。文獻[10]闡述了在冷卻塔管道中富余壓力從39～147 kPa的例子，在冷卻系統(tǒng)中安裝一個改進的混流式水輪機，從而回收冷卻系統(tǒng)浪費的能量。文獻[11]研究了300 kW的小型水輪機組，可以用來替代水電站供水系統(tǒng)中的減壓閥。許多水處理廠的引水管中的過壓也可以用來發(fā)電,在供水網(wǎng)絡(luò)中使用微型水力系統(tǒng)來發(fā)電可以控制系統(tǒng)的壓力。當利用城市供水網(wǎng)絡(luò)中的潛在能量時，必須注意避免對水質(zhì)的影響，此外還可以設(shè)置旁通管路防止事故的發(fā)生。

雖然污水廠水力發(fā)電的實施仍然處于發(fā)展階段，但是隨著新的低水頭水輪機系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)，在這些設(shè)施中存在的水能已得到越來越多的關(guān)注。自2002年以來，位于美國波士頓、馬薩諸塞州附近的鹿島污水處理設(shè)施，一直在從工廠流出的水中回收能源[12]。兩臺1 MW的水力發(fā)電機組安裝在該廠，每年發(fā)出超過6×106kW·h的電能，每年可節(jié)約60萬美元。在馬薩諸塞州米爾伯里的一個污水處理廠，有1.7 m的有效水頭，平均流量為1.4 m3/s，可以產(chǎn)生大約20 kW的電能。一般來說，在污水處理廠附近安裝水力裝置有兩種方案：第一種方案：水力裝置安裝在污水處理廠的上游。在這種情況下，水輪機部件應(yīng)該更耐腐蝕，并且導流管入口必須配備一個薄的攔污柵；第二種方案，水力發(fā)電機組安裝在下游，此處進入水力機組的水流更干凈，對各部件的耐腐蝕要求降低，但是產(chǎn)生的另外一個重要問題是空間受到限制。

水電站壩腳處蘊藏的水流以及補償流，或者從尾水管流出的水流依然具有相當大的水動力能量[13]。利用這些水流來發(fā)電將導致更低的流速，從而減少對沿線下游水工建筑物的侵蝕。在美國華盛頓州東南部的瓦納普大壩，可以將尾流中一定量的流場可視化，為水力機組選址提供了有用的參考點[14]。文獻[15]證實了印度Poringalkuthu水電站小水電項目的可行性。除了從尾流中獲取能量，熱電廠的冷卻水也被輸送到水電廠，通過卡普蘭水輪發(fā)電機來發(fā)電。

潮汐能包含了勢能和動能，可以分別通過潮汐水庫和潮流機組來發(fā)電。地球潮汐資源理論蘊藏量估計為8.8×1011kW·h/a，技術(shù)上可開采的潮汐能的潛力預計為8×1010kW·h/a [16]。美國國家可再生能源實驗室估計美國所有潛在的海洋可再生能源的總和超過目前全國電力能源需求，到2025年，總共有13 GW的新水動力技術(shù)可以利用，至少供應(yīng)美國10%的電力需求[17]。存在潛在海流能的國家或地區(qū)，包括愛爾蘭、亞馬遜河、英吉利海峽、直布羅陀海峽、斐濟島、墨西拿海峽、伊朗南部海岸和韓國等[18]。在中國，豐富的潮汐能資源有巨大的開發(fā)潛力，中國的潮汐能源超過80%分布在福建和浙江，長江口的南部海域具有豐富的潮流能[19]。然而，目前潮汐能的開發(fā)仍然面臨著復雜的海洋水動力環(huán)境、設(shè)備壽命短、維修困難、施工難度大、投資大等挑戰(zhàn)。

綜上所述，已有的研究和應(yīng)用表明，微水頭水力資源分布十分廣泛，且具有巨大的開發(fā)潛力。但是目前我國微水頭水力資源分布研究不足，對河流、運河、水庫、工業(yè)生活廢水、海洋新能源等微水頭資源需求和應(yīng)用特點的梳理及研究意義重大。

三、微水頭發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀

選擇合適的水輪機型式對微水頭水力資源的開發(fā)十分重要。傳統(tǒng)的水輪機可以分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機，可以細分為以下幾類：沖擊式水輪機、斜流式水輪機、雙擊式水輪機、混流式水輪機、軸流式水輪機和貫流式水輪機。此外，還有二十多種將水能轉(zhuǎn)換成電能的新型水輪機型式，這些新型的水輪機可分為升力型和阻力型，其分類是基于作用在葉片上的力的原理，或是流動方向與水輪機旋轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系為水平或垂直而劃分的。

（一）傳統(tǒng)類型微水頭水力發(fā)電水輪機

水輪機選型通常采用的一種方法就是參考水輪機選型圖表，并利用它進行技術(shù)和經(jīng)濟比較。水輪機選型表可以為特定地址的水輪機型式確定提供參考信息，并且?guī)椭圃鞆S家來核實水輪機是否適合該特定地址的情況。有報道表明，一些結(jié)構(gòu)簡化的混流式水輪機可應(yīng)用在水頭低于3 m的情形，同時，重新設(shè)計的雙擊式水輪機也可應(yīng)用于沒有壓頭的情形。文獻[20]使用相關(guān)的研究成果創(chuàng)建了適合微水頭的水輪機選型圖表，該表考慮了技術(shù)和經(jīng)濟的可行性，甚至在水頭低至0.5 m或流速低至0.5 m/s的極端情況下，依然有水輪機型式可選。

一般來說，在微水頭應(yīng)用中很少使用明槽式的混流式水輪機。在流量低于1 m3/s時，混流式水輪機尺寸小，葉片數(shù)量多，因此加工困難，造價高。在相同的微水頭情況下，和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機相比，混流式水輪機的過流能力較差，出力較低。在較寬的水頭范圍內(nèi)或流量波動范圍內(nèi)，混流式水輪機穩(wěn)定性好，效率高，優(yōu)于軸流定槳式水輪機。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機由于其雙調(diào)節(jié)能力（即轉(zhuǎn)輪葉片和轉(zhuǎn)輪都可調(diào)），在較寬的范圍內(nèi)也展現(xiàn)較好的性能，但是葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)復雜并且在轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)需要適當?shù)陌惭b空間。由于這種復雜性，軸流轉(zhuǎn)槳式機組價格昂貴，因此在大流量、低水頭情況下更適合，經(jīng)濟性能更好。軸流定槳式水輪機更適合在微水頭中應(yīng)用，但對軸流（定槳）式水輪機最優(yōu)的出力運行范圍受到限制。

對微水頭的情況，貫流式水輪機是較好的選擇，因為水流筆直通過水輪機，過流量大，水力損失小。對于總流量較小的站址，可以使用單調(diào)節(jié)或無調(diào)節(jié)的貫流式水輪機來代替雙調(diào)節(jié)的類型以減少復雜性和降低系統(tǒng)成本。此外，可以適當?shù)睾喕瘜~和轉(zhuǎn)輪葉片的幾何形狀和數(shù)目來降低軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機和貫流式水輪機的制造成本。文獻[21]對江廈潮汐電站雙向燈泡貫流式水輪機（水頭范圍1.2～5.5 m）進行了優(yōu)化設(shè)計，將正反向發(fā)電效率提高了6%。文獻[22]研制了適用于2 m左右的超低水頭豎井貫流式水輪機。近年來，一種非常低水頭的水輪機已被證明適合在微水頭情況下運轉(zhuǎn)，它是一種新型的軸流式水輪機。

傳統(tǒng)的雙擊式水輪機由射流推動，通常應(yīng)用的水頭范圍較寬（5～200 m）。雙擊式水輪機的最佳效率略低于軸流式或混流式水輪機。然而，雙擊式水輪機在變負荷工況下效率曲線平坦，且它的結(jié)構(gòu)要求簡單，具有自凈能力[23]。此外，雙擊式水輪機可以改進為半浸沒或全浸沒式的，從而轉(zhuǎn)換電能的效率更高。因此，雙擊式水輪機可能是一種理想的用于微水頭的水能轉(zhuǎn)換器。

（二）新型微水頭水力發(fā)電水輪機

德國研制了阿基米德螺旋式水輪機，螺旋式水輪機的一個重要優(yōu)點就是對碎片的耐受性，阿基米德螺旋式水輪機具有對魚類友好的潛力，對環(huán)境影響小，轉(zhuǎn)速低，以及相對簡單的結(jié)構(gòu)需求[24]。文獻[25]通過多目標分析工具，認為阿基米德螺旋式水輪機是一種最適合低水頭能源的水輪機。然而，阿基米德螺旋式水輪機體積大，導致運輸和安裝困難。

此外，文獻[26]研制出了適用于0.5～3 m水頭范圍的正反轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)輪水輪機；丹麥研究建立了Wave Dragon漂浮型波浪發(fā)電場[27]；愛爾蘭研究建立了Wavebob波浪能發(fā)電場[28]；美國水電綠色能源公司與美國陸軍工程兵團聯(lián)合研制了安裝于密西西比河上的小水電站的流速水輪機；韓國Uldolomok海峽海岸安裝了戈爾洛夫螺旋形水輪機[29]；新加坡Altantis公司研發(fā)了設(shè)計流速為2.6 m/s的坐海底式定槳距水輪機，還研發(fā)了帶導流罩水輪機，并成功安裝運行測試[30]；中國在官山安裝了漂浮式雙轉(zhuǎn)子垂直軸水輪機、擺線式轉(zhuǎn)輪、二葉片水平軸葉輪等裝置，并進行了水道測試[31]；文獻[32]對矩形潮流能水輪機進行了研究，設(shè)計出一種適用于中低流速的垂直軸新型發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置。

在超低或零水頭下，流速型水輪機是由自由流動驅(qū)動的。這種類型的水輪機通常應(yīng)用在自然河流、潮汐、潮流、人工水道以及其他具有足夠水流速度的場所。水動力系統(tǒng)可以將流水的能量轉(zhuǎn)換成電能，可以通過像風電場一樣布置多機組來提供電力產(chǎn)量。此外，這些系統(tǒng)的機構(gòu)要求是最小的。但是，其相對較低的效率、空化性能，高昂的安裝成本和維修困難是推進水動力技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

四、趨勢與建議

綜上所述，目前的微水頭發(fā)電主要是利用其水流流速所帶來的動能轉(zhuǎn)化為機械能發(fā)電，常規(guī)水輪機在微水頭特點發(fā)電時顯示出諸多不足，因此，有必要對應(yīng)用于微水頭的水力發(fā)電裝置進行深入研究，提出微水頭水力發(fā)電原動機的設(shè)計方法和性能研究方案。

國際上已經(jīng)逐漸意識到微水頭資源的價值，并且有在運河、污水處理廠、水壩下游等微水頭應(yīng)用的典型個案。但是對于微水頭總體資源分布還沒有全面的統(tǒng)計，對于資源類型、特點、裝置適用性等還沒有清晰的論述。所以業(yè)界對于微水頭資源究竟可以創(chuàng)造多少經(jīng)濟價值尚缺乏清晰的認識，進而影響在該領(lǐng)域資金和技術(shù)的投入，制約了微水頭開發(fā)利用發(fā)展的步伐。應(yīng)首先進行微水頭資源的梳理和分類，總結(jié)國內(nèi)外微水頭資源的特點，進行設(shè)計方案的歸類，給出總體設(shè)計方案、系統(tǒng)集成化設(shè)計和經(jīng)濟性分析，吸引相關(guān)領(lǐng)域研究學者和業(yè)主的目光，推進微水頭水電開發(fā)技術(shù)的進步。

目前對于微水頭水力發(fā)電水輪機的研究，多以壓力型常規(guī)水輪機或速度型零水頭為母型，在適應(yīng)超低水頭特點上進行部分參數(shù)和部件的改進，或者是單個機型的發(fā)明創(chuàng)新，尚沒有一套針對“壓力頭”和“速度頭”同時并存的完整的設(shè)計理論和方法，相當于處在理論設(shè)計的空白階段，與常規(guī)水力發(fā)電的成熟技術(shù)相比有著遙不可及的距離，嚴重制約著微水電的發(fā)展。應(yīng)結(jié)合葉珊理論和葉素動量理論方法，建立動勢能結(jié)合型微水頭水輪機的設(shè)計理論和方法，為微水頭水輪機機型的完善和發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

開發(fā)微水頭水力發(fā)電技術(shù)符合可再生能源國家發(fā)展戰(zhàn)略，是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、緩解環(huán)境問題的優(yōu)先選擇。筆者通過梳理河流、運河、水庫、電廠尾水、管道供水、城市廢水、海洋新能源等微水頭資源需求和應(yīng)用特點，總結(jié)適合開闊流域和封閉流域特點的兩型微水頭水力發(fā)電水輪機，對形成動勢能結(jié)合型微水頭水輪機設(shè)計方法有了初步認知。本文可為開發(fā)微水頭小型水力發(fā)電裝置創(chuàng)新設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)。