林華，岳婷

綠色小水電及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

林華，岳婷

（四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063）

小水電對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)發(fā)展具有重要意義，但其快速、混亂的發(fā)展正在對(duì)環(huán)境和生態(tài)造成不良影響。提出現(xiàn)階段發(fā)展綠色小水電，向綠色、環(huán)保、可再生的清潔能源方向發(fā)展是必要的。綠色小水電的發(fā)展除了要合理規(guī)劃外，還應(yīng)該體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的技術(shù)層面。總結(jié)并列舉了新型前沿的技術(shù)，例如魚(yú)類(lèi)友好型水輪機(jī)、永磁發(fā)電技術(shù)、高油壓KAPLAN型水輪機(jī)、環(huán)保型上流式水輪機(jī)等有益于綠色環(huán)保的新技術(shù)，并分析了這些技術(shù)的應(yīng)用給綠色小水電的發(fā)展帶來(lái)的重要意義。

綠色小水電；清潔能源；水輪機(jī)

小水電一般指裝機(jī)容量小于25 MW的水電站及相應(yīng)的供電電網(wǎng)。目前我國(guó)已建成的小水電站有4.5萬(wàn)余座，預(yù)計(jì)到2022年新增裝機(jī)容量將會(huì)超過(guò)3500萬(wàn)千瓦。十年累計(jì)發(fā)電預(yù)計(jì)約1.39萬(wàn)億千瓦時(shí)，與煤電相比相當(dāng)于減少了12億噸二氧化碳和415億噸二氧化硫的排放。小水電由于其分散、簡(jiǎn)單、當(dāng)?shù)鼗蜆?biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展，緩解了供電緊張的局面，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，更加促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善了農(nóng)村地區(qū)的生活條件，已建成的小水電站如圖1所示。

快速發(fā)展的小水電也帶來(lái)了很多問(wèn)題。總體而言，我國(guó)小水電開(kāi)發(fā)比較雜亂無(wú)章。例如修建小水電站時(shí)沒(méi)有合理規(guī)劃，一味追求裝機(jī)容量最大化，僅僅是為了獲得最大經(jīng)濟(jì)利益，卻沒(méi)有充分考慮河流內(nèi)頻繁波動(dòng)的水量情況，導(dǎo)致水輪機(jī)長(zhǎng)期不能運(yùn)行在高效區(qū)，反而降低其能效指標(biāo)。同時(shí)，不經(jīng)過(guò)規(guī)劃而隨意過(guò)度的開(kāi)發(fā)必然造成環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題，常見(jiàn)的有河水銳減、河水含氧量降低、河流斷流、河床裸露等現(xiàn)象，如圖2所示。此外，這些隨意修建的電站使灌溉、防洪等方面得不到充分的水資源保障，影響了農(nóng)民的生活水平甚至生命安全，這也給社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)了不利影響。

圖1 已建成小水電站

圖2 嚴(yán)峻的河流問(wèn)題

我國(guó)的小水電技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大的差距[1]，很大程度上限制了小水電的良性發(fā)展。國(guó)內(nèi)早期的電站設(shè)備在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和安裝等質(zhì)量不盡如人意，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也沒(méi)有環(huán)境保護(hù)意識(shí)，只追求高效率，忽略了產(chǎn)品跑、冒、滴、漏等引起的環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)我國(guó)小水電的發(fā)展情況，特別是小水電開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的人與水、水與環(huán)境等不和諧因素，本文主要對(duì)發(fā)展綠色小水電及其技術(shù)進(jìn)行探討。

1 綠色小水電

小水電本身屬于綠色清潔能源，既不存在資源枯竭問(wèn)題，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接污染，發(fā)展小水電非常符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。合理開(kāi)發(fā)小水電這種可再生能源，利用水力資源發(fā)電以供生活或生產(chǎn)使用，尤其對(duì)農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響，可大幅提高人民的生活水平。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)家非常重視小水電的發(fā)展，具有廣闊的前景。

小水電對(duì)生態(tài)的影響主要集中體現(xiàn)在河段減脫水、魚(yú)類(lèi)保護(hù)、水土保持和地質(zhì)災(zāi)害等方面，但這種負(fù)面影響是有限的，可以通過(guò)嚴(yán)格監(jiān)管、合理規(guī)劃、技術(shù)創(chuàng)新等措施得到有效控制，也就是創(chuàng)建綠色小水電。綠色小水電顧名思義就是指在發(fā)展小水電的同時(shí)，以生態(tài)環(huán)境友好為目標(biāo)，最大限度地降低小水電開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響，保護(hù)河流生態(tài)。

目前我國(guó)小水電的開(kāi)發(fā)率較低，特別是在一些比較貧困的地區(qū)，因此只要合理進(jìn)行綠色小水電站的規(guī)劃和建設(shè)，不僅會(huì)對(duì)改善偏遠(yuǎn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)具有重要意義，也將對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和諧發(fā)展起到重要作用。水利部【2016】441號(hào)文件《關(guān)于推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]中設(shè)立了推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的總體目標(biāo)：要在2020年，通過(guò)建立和完善綠色小水電的體系、制度和政策，把一批綠色小水電樣板電站創(chuàng)建起來(lái)；在2030年，綠色發(fā)展格局在全行業(yè)形成。

2 綠色小水電的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 科學(xué)規(guī)劃、嚴(yán)格管理

對(duì)于已建項(xiàng)目，結(jié)合國(guó)家七部委的聯(lián)合行動(dòng)，在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)446個(gè)自然保護(hù)區(qū)水電違規(guī)開(kāi)發(fā)等進(jìn)行排查，對(duì)破壞環(huán)境、影響生態(tài)、人水不和諧的小水電嚴(yán)格按照程序關(guān)閉，對(duì)減脫水河段嚴(yán)格生態(tài)流量監(jiān)管?！笆濉逼陂g，為改善中小河流的生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)對(duì)多座老舊電站進(jìn)行了增效擴(kuò)容改造。在確保河流生態(tài)需水、保護(hù)河內(nèi)魚(yú)類(lèi)和其他水生生物、水土流失等方面做出了許多努力，采取了多種有效的解決措施，有效降低小水電開(kāi)發(fā)對(duì)局部河流環(huán)境的不利影響，甚至是希望去消除這些影響[3]。

對(duì)于新建項(xiàng)目，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際流域的具體情況，充分考慮水能資源、電網(wǎng)建設(shè)等客觀條件，對(duì)各流域進(jìn)行合理科學(xué)規(guī)劃，確定小水電開(kāi)發(fā)規(guī)模，同時(shí)將全流域水能資源的綜合利用情況和保護(hù)生態(tài)環(huán)境有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行具體的電站設(shè)計(jì)。電站設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方案，盡量減少引水式電站數(shù)量，采用河床式電站，根據(jù)水文參數(shù)合理規(guī)劃電站裝機(jī)容量及臺(tái)數(shù)，不片面追求容量最大化。對(duì)小水電而言，裝機(jī)臺(tái)數(shù)盡量減少，追求水電站自動(dòng)化水平。廠(chǎng)房設(shè)計(jì)應(yīng)遵循簡(jiǎn)單、樸素、整潔、與環(huán)境協(xié)調(diào)的原則。修建電站廠(chǎng)房時(shí)廠(chǎng)址應(yīng)選擇在盡量不影響河道過(guò)水、無(wú)地質(zhì)災(zāi)害的地段[4]。

2.2 低水頭水輪發(fā)電機(jī)組的推廣使用

低水頭水輪發(fā)電機(jī)組可以直接應(yīng)用于水頭較低的河流中，水輪機(jī)直接安裝在河流中，無(wú)需引水設(shè)施，避免了將一條河流的水通過(guò)復(fù)雜的引水、輸水、排水設(shè)施引入另外一條河流發(fā)電，可以大大減少土建成本。與此同時(shí)，采用低水頭水輪發(fā)電機(jī)組后，水流的沖擊作用減弱，魚(yú)類(lèi)通過(guò)渦輪時(shí)的速度減小，可以降低其通過(guò)水輪機(jī)的死亡率，達(dá)到保護(hù)魚(yú)類(lèi)的效果。一般使用整裝軸流式、貫流式水輪發(fā)電機(jī)組較多，為追求簡(jiǎn)易廠(chǎng)房，盡量使水輪發(fā)電設(shè)備與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化。

2.3 魚(yú)類(lèi)友好型水輪機(jī)[5]的設(shè)計(jì)研發(fā)

魚(yú)類(lèi)隨水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)流道經(jīng)常會(huì)受到傷害。通常情況下水輪機(jī)流道內(nèi)的水流速度較高，而一般轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)含有3～6個(gè)葉片、混流式水輪機(jī)含有13～19個(gè)葉片，水輪機(jī)葉片與魚(yú)類(lèi)高速撞擊導(dǎo)致其受傷。其次，水輪機(jī)葉片和輪轂之間的間隙，可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)不能順利通過(guò)。同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的水輪機(jī)本身對(duì)魚(yú)類(lèi)的存活率影響很大。因此，為降低水輪機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響，建立一個(gè)對(duì)魚(yú)類(lèi)友好的環(huán)境，非常有必要對(duì)水輪機(jī)及其流道進(jìn)行改造。

水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同大小的魚(yú)類(lèi)進(jìn)入水輪機(jī)后的情況也不盡相同，其受傷害程度與水輪機(jī)的類(lèi)型、機(jī)組容量、具體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況及當(dāng)時(shí)水流條件有關(guān)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)友型水輪機(jī)的特點(diǎn)如下：葉片數(shù)盡量減少，流道尺寸盡量加大，葉片長(zhǎng)度盡量加長(zhǎng)；葉片進(jìn)口邊加厚，水輪機(jī)外特性更加平坦；不采用導(dǎo)葉懸臂結(jié)構(gòu)；導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的相對(duì)距離進(jìn)一步加大，同時(shí)將導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉布置在相同的流線(xiàn)上；固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片和尾水管錐管等過(guò)流部件的粗糙度盡量提高。

目前美國(guó)ARL/NREC研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出“螺旋葉片水輪機(jī)”用于改造原混流式和軸流式水輪機(jī)，其特點(diǎn)是水輪機(jī)沒(méi)有導(dǎo)流葉片，可降低魚(yú)類(lèi)通過(guò)渦輪時(shí)所受到的傷害。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該型水輪機(jī)過(guò)機(jī)魚(yú)類(lèi)存活率不小于96%，水輪機(jī)效率達(dá)到90%以上。

2.4 永磁發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于低水頭水電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，應(yīng)用永磁發(fā)電機(jī)[6]可以提高發(fā)電機(jī)效率、降低機(jī)械損耗。如圖3所示，由于結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化，從而提高了永磁式發(fā)電機(jī)的可靠性，減少了停機(jī)維護(hù)的時(shí)間，降低了設(shè)備的全壽命周期成本；隨之減小的體積使得所需廠(chǎng)房空間減小，也就自然降低了土建成本。所以，永磁發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于低水頭水電項(xiàng)目是顯著的技術(shù)進(jìn)步。

永磁發(fā)電技術(shù)在船舶、汽車(chē)等行業(yè)的應(yīng)用已十分成熟，然而由于稀土永磁材料價(jià)格高昂，永磁發(fā)電技術(shù)尚未在水電行業(yè)普遍應(yīng)用。隨著稀土永磁材料的專(zhuān)利期滿(mǎn)，材料成本必然相應(yīng)降低，屆時(shí)將永磁發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于水電領(lǐng)域?qū)⒕哂休^高的性?xún)r(jià)比和綜合效益。永磁發(fā)電機(jī)由于不能對(duì)頻率和電壓同時(shí)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)操作，所以如何實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的互聯(lián)是永磁發(fā)電技術(shù)目前的難題，隨著研究的深入，會(huì)很快有所突破，隨后就是永磁發(fā)電技術(shù)在小水電上的大量應(yīng)用。

圖3 永磁發(fā)電機(jī)

2.5 高油壓KAPLAN型水輪機(jī)的應(yīng)用

高油壓受油器安裝于發(fā)電機(jī)頂軸上，用于水輪機(jī)調(diào)速器給槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配油，是利用微小間隙密封與液壓伺服自動(dòng)調(diào)心原理，實(shí)現(xiàn)高油壓、高速旋轉(zhuǎn)情況下不漏油，從而杜絕液壓油泄露對(duì)河流的污染。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理、密封性好、運(yùn)行維護(hù)方便、安全可靠等特點(diǎn)，如圖4所示。目前采用該裝置的高油壓KAPLAN型水輪機(jī)[7]已開(kāi)始應(yīng)用，提高了低水頭水輪機(jī)的環(huán)境友好程度，應(yīng)積極推廣。

圖4 高油壓KAPLAN水輪機(jī)受油器

2.6 減泥沙裝置的應(yīng)用

應(yīng)用于農(nóng)村的小水電站水輪發(fā)電機(jī)組基本上都運(yùn)行在含沙水中，會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致水輪機(jī)使用壽命大大減短，機(jī)組效率降低，機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，常需要停機(jī)檢修，不利于電站正常運(yùn)行。一種新型的水輪機(jī)減泥沙磨損裝置可以達(dá)到再次排沙的作用，該裝置安裝在水電站進(jìn)口壓力鋼管上，含有泥沙的水首先進(jìn)入進(jìn)口管，在導(dǎo)流錐和固定葉片的作用下產(chǎn)生離心力，利用固液分離原理，將具有一定流速的固液混合流體進(jìn)行分離，如圖5所示。該裝置的泥沙分離效率高低取決于水力設(shè)計(jì)，可以借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從而提高泥沙分離效率。

圖5 減泥沙裝置及其布置圖

2.7 環(huán)保型上流式水輪機(jī)[8]的應(yīng)用

傳統(tǒng)水輪機(jī)從水庫(kù)底層取水并采用淹沒(méi)出流尾水管，轉(zhuǎn)輪出口的水流經(jīng)尾水管排出，此時(shí)含氧量比較低的水流得不到很好的通氣，這對(duì)于下游的河流環(huán)境會(huì)有不利影響。一種環(huán)保型上流式水輪機(jī)可以改善出口水流的通氣狀況，基于傳統(tǒng)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，在比尾水面高的位置安裝軸，流道采用垂直向上型式，取消了尾水管，采用開(kāi)放出流，如圖6所示。這樣的結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)輪出來(lái)的水流直接與大氣接觸，水流的殘余動(dòng)能促使其可以與空氣產(chǎn)生劇烈的混合攪動(dòng)，不僅使出口水流的通氣狀況得到了改善，也增加了溶入的空氣，這對(duì)提高水質(zhì)有很大的作用，對(duì)整個(gè)河流環(huán)境和魚(yú)類(lèi)保護(hù)都是有益的。加上開(kāi)放式出流的設(shè)計(jì)對(duì)減少空蝕有一定效果，尾水也不會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力變化，對(duì)魚(yú)類(lèi)能起到一定的保護(hù)作用。與此同時(shí)，該環(huán)保型上流式水輪機(jī)的調(diào)水機(jī)構(gòu)沒(méi)有采用取導(dǎo)葉型式，而是使用流線(xiàn)型針閥，該閥可以垂直移動(dòng)，這樣就減少了因魚(yú)類(lèi)與導(dǎo)葉相互撞擊而受到的傷害。

圖6 環(huán)保型上流式水輪機(jī)

3 總結(jié)

小水電由于其自身的優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)經(jīng)歷了快速發(fā)展的一段時(shí)間，當(dāng)發(fā)展面臨生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的時(shí)候，應(yīng)毫不猶豫地選擇全力發(fā)展綠色小水電。除了需要合理、科學(xué)地規(guī)劃小水電建設(shè)，加強(qiáng)各級(jí)監(jiān)管力度，通過(guò)提高自身的技術(shù)研發(fā)能力更是關(guān)鍵的措施。從多方面的角度考慮，研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，改善河流水質(zhì)，保護(hù)魚(yú)類(lèi)不受傷害，大力發(fā)展綠色小水電，共同構(gòu)建一個(gè)和諧的生態(tài)環(huán)境。

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Green-small Hydro Power and Trend of Technology Development

LIN Hua，YUE Ting

( Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu 610063, China )

Small hydro power plays an important role in optimizing energy structure and promoting rural economic development. But its rapid and chaotic development is having a negative impact on the environment and ecology. It is necessary to develop green and small hydro power to develop green, environmental and renewable clean energy at this stage. Besides reasonable planning, the technical aspects of product design should be reflected to develop the green small hydro power. The new cutting-edge technologies are summarized and enumerated, such as the fish friendly turbine, permanent magnet power generation technology, high pressure KAPLAN turbine, environmentally friendly flow turbine and so on. The application of these technologies to the development of green small hydro power is also analyzed.

green-small hydro power；clean energy；turbine

TV472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.003

1006－0316 (2018) 03－0010－05

2017－07－20

林華（1967－），男，四川南充人，本科，高級(jí)工程師，主要從事水電設(shè)備研究工作；岳婷（1991－），女，甘肅文縣人，碩士，助理工程師，主要從事流體機(jī)械研究工作。