楊春霞,鄭源, ,張玉全,羅紅英
(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,南京211100;2. 西藏農(nóng)牧學(xué)院,西藏林芝 860000)
水電被歸類為可再生能源,《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出可再生能源是中國(guó)非化石能源的主力,也是中國(guó)未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的依托?!笆濉笨稍偕茉窗l(fā)電裝機(jī)總量年均增長(zhǎng)4.25×107kW、總投資規(guī)模將達(dá)2.5萬(wàn)億元。清潔低碳能源將是“十三五”期間能源供應(yīng)增量的主體[1,2]。黨的“十九大”報(bào)告提出要堅(jiān)持新發(fā)展理念。發(fā)展是解決我國(guó)一切問(wèn)題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,發(fā)展必須是科學(xué)發(fā)展,必須堅(jiān)定不移貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念,堅(jiān)持人與自然和諧共生。目前,生態(tài)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為國(guó)家和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在美國(guó),綠色環(huán)保組織基于三文魚(yú)的生態(tài)問(wèn)題長(zhǎng)期呼吁拆除哥倫比亞河下游的Bennevilee、Dalles、John Day、McNary四座電站大壩,緬因州肯納貝克河上的愛(ài)德華茲水壩最終于1999年拆除,成為一個(gè)標(biāo)志性事件。2015年,重慶市“小南海電站”建設(shè)項(xiàng)目被環(huán)境保護(hù)部叫停的事件,也折射出我國(guó)水電開(kāi)發(fā)中面臨的巨大生態(tài)困境。然而,簡(jiǎn)單地將“魚(yú)”與“水電”對(duì)立起來(lái)的認(rèn)識(shí)顯然是不可取的??紤]水電開(kāi)發(fā)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展已經(jīng)成為共識(shí),專家學(xué)者和管理者千方百計(jì)地尋找能夠緩解筑壩對(duì)魚(yú)類洄游阻隔的辦法。為上行過(guò)壩魚(yú)設(shè)置魚(yú)梯、升魚(yú)機(jī)、魚(yú)閘等通道;下行過(guò)壩魚(yú)則主要通過(guò)溢洪道或水輪機(jī)泄放到下游。
目前所有下行過(guò)魚(yú)設(shè)施都會(huì)對(duì)魚(yú)類產(chǎn)生一定程度的影響,且有些過(guò)魚(yú)設(shè)施工程造價(jià)高、施工難度大,還可能影響水電站的發(fā)電量[3]。
(1)當(dāng)采用機(jī)械運(yùn)輸時(shí),耗費(fèi)的人力和財(cái)力大,且魚(yú)類在捕撈和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到不可控制的傷害;
(2)魚(yú)類通過(guò)溢洪道下行的存活率受流速、水頭因素的影響,溢洪道作為目前常用的魚(yú)類下行過(guò)壩措施,效果很不理想;
(3)幼魚(yú)旁路系統(tǒng),常規(guī)工程中很難有橫穿大壩的旁路水道,若是采用駁船和卡車運(yùn)魚(yú),需要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力,且在運(yùn)輸過(guò)程中不可避免地會(huì)造成幼魚(yú)死亡;
(4)采用水表面通道,幼魚(yú)被誘導(dǎo)收集后仍需要通過(guò)機(jī)械運(yùn)輸或者溢流堰過(guò)壩。
對(duì)魚(yú)類通過(guò)各種過(guò)魚(yú)設(shè)施的生存率進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn),所有過(guò)魚(yú)設(shè)施都會(huì)對(duì)魚(yú)類產(chǎn)生一定程度的影響。
事實(shí)上,無(wú)論采用何種下行魚(yú)類過(guò)壩措施,都無(wú)法避免會(huì)有一部分魚(yú)類隨著水流進(jìn)入水輪機(jī)。因此,降低水輪機(jī)對(duì)魚(yú)類的傷害,提高魚(yú)類過(guò)壩存活率,對(duì)水輪機(jī)及其流道進(jìn)行改造十分重要。有研究表明,魚(yú)類通過(guò)設(shè)計(jì)良好的水輪機(jī)的存活率要高于通過(guò)溢洪道的存活率。
魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)時(shí)的存活率主要依賴于魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)系統(tǒng)時(shí)采取的路徑。一旦魚(yú)體離開(kāi)前池,進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng),它受到的傷害就和流道內(nèi)非常迅速的幾何物理變化和水流流動(dòng)特性變化密切相關(guān)。1995年,美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)成立了一個(gè)水輪機(jī)流道魚(yú)類存活率研究小組。通過(guò)分析,小組專家們將魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)流道下行時(shí)可能受到的傷害機(jī)理分為機(jī)械、壓力、剪切力和空蝕四種原因[4~6]。圖1給出了水輪機(jī)不同區(qū)域可能造成傷害的原因。
魚(yú)隨水流通過(guò)水輪機(jī)流道時(shí),直接與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片相撞、摩擦,摩擦傷害程度取決于流量和流速、水輪機(jī)葉片數(shù)目和間距以及流道的幾何形狀,但是并不能確定或區(qū)別由于摩擦所造成的損傷的量,魚(yú)的死亡率隨轉(zhuǎn)輪圓周速度的增加而增加;通過(guò)活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉等固定機(jī)械部件引起的擦傷;魚(yú)卡在葉片末端與外殼之間受到擦傷,可以通過(guò)檢查魚(yú)體判斷擦傷情況,如局部瘀傷、深層割傷,甚至是斬首傷害。但是,無(wú)法精確地判斷傷害是由摩擦還是擦傷造成的,并且一些由擦傷造成的基本癥狀也有可能是其他的損傷機(jī)制所造成。
圖1 水輪機(jī)不同區(qū)域可能造成傷害的原因
魚(yú)在撞擊水輪機(jī)系統(tǒng)部件時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生傷亡。魚(yú)體撞擊水輪機(jī)系統(tǒng)部件的可能性取決于幾個(gè)因素:魚(yú)的大小、葉片的數(shù)目及其間距、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、流速和流量等。早在1957 年,Raben [7]就提出了一種葉片撞擊模型,預(yù)測(cè)魚(yú)類和渦輪葉片的潛在撞擊概率,隨后很多研究者拓展這個(gè)模型并應(yīng)用在不同的渦輪機(jī)械中。直接的目測(cè)觀察不到撞擊傷亡的相關(guān)死亡率,也無(wú)法證明概率預(yù)測(cè)模型。Ploskey等[8,9]將其應(yīng)用在水輪機(jī)中,采用確定的和隨機(jī)的葉片撞擊模型來(lái)把新安裝的新型水輪機(jī)過(guò)魚(yú)性能和已有的水輪機(jī)進(jìn)行比較。通過(guò)確定性模型預(yù)測(cè)的受傷率高于實(shí)驗(yàn)中受傷率,通過(guò)隨機(jī)性模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。Esch等[10,11]將葉片撞擊模型應(yīng)用在泵中,投入1 253條鯉魚(yú)到軸流泵中,在一個(gè)較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)研究魚(yú)的損傷率,測(cè)量到的鯉魚(yú)死亡率和葉片撞擊模型得到的數(shù)據(jù)相一致。Deng等[12]通過(guò)對(duì)原型尺寸的活魚(yú)生存研究和物理水輪機(jī)模型中使用浮子的觀察發(fā)現(xiàn),兩種葉片撞擊概率預(yù)測(cè)模型相當(dāng)。隨機(jī)模型的預(yù)測(cè)比確定性模型的預(yù)測(cè)更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因?yàn)殡S機(jī)模型考慮了魚(yú)接近水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片前緣的方向。潘強(qiáng)等[13]研究了一種應(yīng)用在軸流泵中的葉片撞擊數(shù)學(xué)模型,對(duì)某一軸流泵的魚(yú)類通過(guò)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè),包括葉片撞擊概率、撞擊死亡率和魚(yú)類死亡率。
水流通過(guò)水輪機(jī)流道進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)水壓力發(fā)生改變,魚(yú)從高壓側(cè)移動(dòng)到低壓側(cè)時(shí),因壓力急劇變化使魚(yú)體受到損傷,魚(yú)體損傷的程度取決于壓差的大小和梯度、魚(yú)的類型、尺寸等因素。魚(yú)體能承受的壓力變化是和它們進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)前已經(jīng)適應(yīng)的壓力相關(guān)的,根據(jù)USACE的研究,魚(yú)體承受壓力的變化范圍是從低水頭水電站絕對(duì)壓力(146 kPa)到高水頭電站的絕對(duì)壓力(605 kPa)。
有研究認(rèn)為魚(yú)對(duì)壓力的降低比對(duì)壓力的增加更敏感。壓力和死亡率相關(guān)是因?yàn)轸~(yú)鰾減壓而受到的損傷。圖2為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的由于壓力急劇下降導(dǎo)致的魚(yú)死亡率情況。Xu等[14]研究草魚(yú)在射流泵中的運(yùn)動(dòng)及傷害情況,指出壓力與速度變化導(dǎo)致的應(yīng)力可能導(dǎo)致魚(yú)鰓與魚(yú)鱗的損傷,非對(duì)稱的流道擴(kuò)散可能造成魚(yú)體與固壁的碰撞。
圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)得由于壓力急劇下降導(dǎo)致的魚(yú)死亡率情況
水流通過(guò)水輪機(jī)流道進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)水壓力發(fā)生改變。水輪機(jī)過(guò)流流道中靠近固體邊界附近出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力,剪切力和湍流越大,魚(yú)類受傷的可能性越大。最高剪切力值接近于流體和固體速度之間的交界面,比如葉片前緣、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉。福伊特團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析來(lái)證實(shí)上述區(qū)域的的高剪切力。當(dāng)魚(yú)進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)中的“破壞性”剪切力區(qū)域時(shí),魚(yú)會(huì)受到傷害,有時(shí)甚至是致命的。傷害的程度和魚(yú)的種類、大小及進(jìn)入剪切帶的方式有關(guān)。
大多數(shù)軸流式水輪機(jī)在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間有間隙,從這些間隙中的泄漏以及水輪機(jī)非最優(yōu)工況在高剪切力區(qū)域?qū)е铝鲃?dòng)分離從而產(chǎn)生渦。量化這些高剪切應(yīng)力區(qū)域可以協(xié)助水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行,從而減少剪切力區(qū)域,增強(qiáng)魚(yú)的生存能力。例如,對(duì)于軸流式水輪機(jī),最大化地傾斜葉片,并使葉片前緣角度和速度矢量相匹配從而減少渦,使剪切力區(qū)域減少。在混流式水輪機(jī)中,尾水管渦流中的漩渦也有相關(guān)的剪切力,并且可能是魚(yú)受到傷害的剪切力的主要來(lái)源。
Neitzel等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了魚(yú)類對(duì)剪切速度的安全極限受魚(yú)種類和方位的影響,用應(yīng)變率作為強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)描述魚(yú)在剪切環(huán)境中所受到的水動(dòng)力,在應(yīng)變速率等于或小于500 cm/s時(shí)魚(yú)沒(méi)有明顯損傷。Cada [16]通過(guò)數(shù)值模擬及原型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)幼鮭通過(guò)軸流式水輪機(jī)受到的剪切力損傷進(jìn)行研究,結(jié)果得出水輪機(jī)流道中可能造成魚(yú)體損傷或死亡的剪切力區(qū)域?yàn)楣潭▽?dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉附近區(qū)域、轉(zhuǎn)輪區(qū)域及尾水管區(qū)域。
空化氣泡在產(chǎn)生和潰滅時(shí)所產(chǎn)生的高壓沖擊波會(huì)使魚(yú)類產(chǎn)生損傷。
Turnpenny 等[17]采用水下火花發(fā)生裝置來(lái)產(chǎn)生空化氣泡,試驗(yàn)中,一組連續(xù)汽泡在試驗(yàn)魚(yú)頭部及身體周圍潰滅,并沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)魚(yú)造成組織損傷,但這并不代表水輪機(jī)內(nèi)的空化氣泡不會(huì)對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)造成損傷。這種裝置被認(rèn)為并沒(méi)有達(dá)到真正水輪機(jī)中空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高能量水平。邵奇等[18]采用人工模擬方法模擬鯉魚(yú)、草魚(yú)、鯽魚(yú)不同大小個(gè)體在不同水輪機(jī)工況條件下的損傷,發(fā)現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)下壓力梯度對(duì)魚(yú)類的生存構(gòu)成威脅,魚(yú)鰾受損,在肝、腎等處有出血點(diǎn)。
目前,國(guó)內(nèi)外正積極努力研究既能高效發(fā)電又能幫助魚(yú)類安全下行的魚(yú)類友好型水輪機(jī)[19~22]。研究者們對(duì)魚(yú)類友好型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)研究主要從以下思路著手:①確定設(shè)計(jì)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),包括:確定過(guò)魚(yú)目標(biāo)存活率,確定水輪機(jī)目標(biāo)效率;②初步計(jì)算水輪機(jī)的外形尺寸,并進(jìn)行三維幾何建模;③采用CFD技術(shù)對(duì)水輪機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行模擬,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,使得上述的機(jī)械、壓力、剪切力、空蝕等因素滿足目標(biāo)魚(yú)體的存活率要求,同時(shí)還需滿足水輪機(jī)的效率目標(biāo)。
1. 魚(yú)類友好型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)計(jì)
美國(guó)能源部啟動(dòng)了“先進(jìn)水電站水輪機(jī)系統(tǒng)科研計(jì)劃(AHTS)”,該計(jì)劃的目的是提出既能減少對(duì)魚(yú)類損傷,又能提高水輪機(jī)運(yùn)行效率的魚(yú)類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案。在該計(jì)劃中,福伊特集團(tuán)(Voith)提出了魚(yú)類友好型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)理論:轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)可高效率運(yùn)行,沒(méi)有空蝕,可降低傷害魚(yú)類的概率;除去轉(zhuǎn)子中心體、葉片和轉(zhuǎn)輪室中環(huán)附近的間隙,包括導(dǎo)葉處的縫隙,轉(zhuǎn)輪體、葉片及出水環(huán)間的縫隙,以降低魚(yú)類受傷概率,并提高水輪機(jī)效率;去除導(dǎo)葉的突出部分,并通過(guò)變柱形出水環(huán)為球形出水環(huán)以減少間隙,同時(shí)提高能效;適當(dāng)?shù)夭贾霉潭▽?dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉位置,以消除因撞擊而使魚(yú)類受傷的可能性[23,24];采用生物降解的潤(rùn)滑液、潤(rùn)滑脂和無(wú)潤(rùn)滑脂的活動(dòng)導(dǎo)葉軸瓦,避免有害的污染物進(jìn)入水中;拋光所有的表面焊縫,以降低對(duì)魚(yú)的擦傷等。
2. 魚(yú)類友好型貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)
目前魚(yú)類友好型貫流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)主要按以下方法進(jìn)行優(yōu)化:①增大轉(zhuǎn)輪直徑,并相應(yīng)降低轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速;②減少轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量,減小轉(zhuǎn)輪體積,減小葉片長(zhǎng)度,采用厚的葉片前緣;③減少導(dǎo)葉突起;④增加導(dǎo)葉與葉片之間的距離;⑤合理布置活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉,使其位置及方向趨于一致;⑥優(yōu)化壓力梯度,減少壓力突變。
3. 魚(yú)類友好型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)
魚(yú)類友好型混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)主要從以下幾方面著手:①減少葉片數(shù),加大流道尺寸;②采用較厚的葉片進(jìn)口邊,使轉(zhuǎn)輪的效率和水頭特性曲線更平坦;③降低導(dǎo)葉的懸臂,以消除產(chǎn)生有害渦流的間隙,增加導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)輪之間的距離,并使導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉對(duì)齊等。
4. 其他魚(yú)類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)
奧爾登(Alden)公司側(cè)重于設(shè)計(jì)全新的水輪機(jī)[25]。奧爾登水輪機(jī)采用螺旋狀的葉片及葉片前緣裝置旋轉(zhuǎn)罩來(lái)消除常出現(xiàn)在葉緣附近的低壓渦流阻力,使魚(yú)類可恰好從轉(zhuǎn)輪葉片與座環(huán)的間隙通過(guò),如圖3所示。通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算表明,在葉片附近,流動(dòng)沿著下游方向,并且在輪轂和輪緣之間的葉片表面沒(méi)有流動(dòng)分離,如圖4所示。雖然奧爾登水輪機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)是消除可能造成魚(yú)類傷亡的關(guān)鍵因子,但其模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雖然保證了水輪機(jī)的高效率,但水流在尾水管處存在大量漩渦,這有可能使魚(yú)類在通過(guò)尾水管時(shí)被繞暈,致使其到下游后易被其他魚(yú)類或鳥(niǎo)類捕食。
圖3 奧爾登魚(yú)友型水輪機(jī)示意圖
圖4 奧爾登水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪前緣流速分布
阿爾斯通(ALSTOM)研制了一種最小間隙轉(zhuǎn)輪(簡(jiǎn)稱MGR),其概念為除結(jié)構(gòu)上必須的間隙外,葉片與輪轂、葉片與轉(zhuǎn)輪室之間無(wú)間隙或者間隙盡可能小[26]。最小間隙轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以減小與間隙相關(guān)的碾磨、空化、剪切力及湍流所引起的過(guò)魚(yú)損傷。ALSTOM 的設(shè)計(jì)人員還提出了一種計(jì)方法稱為“最小間隙導(dǎo)葉(MGGV)”,即完全消除導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu)。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)是采用回轉(zhuǎn)表面底環(huán)嵌入一物,每只導(dǎo)葉處有一個(gè)嵌入物,嵌入物的形狀保證了在任何導(dǎo)葉開(kāi)度下導(dǎo)葉與底環(huán)之間無(wú)間隙。MGGV 的應(yīng)用可以完全取消導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu),極大地減小流場(chǎng)中的剪切力區(qū)和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)下游區(qū)域的紊流,從而提高過(guò)機(jī)魚(yú)的存活率。此外,ALSTOM 公司還開(kāi)發(fā)了渦旋形水輪機(jī)(Vortex Turbine),其采用渦旋形的外殼取代傳統(tǒng)水輪機(jī)中容易傷害魚(yú)群的固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉,使水流以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水角進(jìn)入轉(zhuǎn)輪而減小對(duì)魚(yú)群的傷害。然而這種機(jī)型主要用于小型水電站,其直錐形的尾水管雖有利于魚(yú)群通過(guò),但會(huì)增加下游河床的沖刷和水電站的開(kāi)挖高程。
此外,格蘭特縣公共事業(yè)管理區(qū)的工程師和Voith 的代表組成研究團(tuán)隊(duì),以美國(guó)瓦納普姆(Wanapum)水電站(共10臺(tái)機(jī)組)為依托進(jìn)行魚(yú)類友好型水輪機(jī)研究[3,27],如圖5所示。研究?jī)?nèi)容包括:轉(zhuǎn)輪尺寸和葉片數(shù)的改變、降低轉(zhuǎn)輪安裝高程以改善空化性能、延長(zhǎng)固定導(dǎo)葉以改善流態(tài)、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉對(duì)齊、尾水管改型等。通過(guò)這些綜合設(shè)計(jì)研究,使水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)更平穩(wěn),提高水力性能。
圖5 瓦納普姆水電站魚(yú)類友好型水輪機(jī)
(1)我國(guó)大型水電基地所在河流內(nèi)珍貴洄游魚(yú)類對(duì)壓力、剪切力等損傷因子的承受閾值尚不明確,需對(duì)它們的生物特性、行為特性進(jìn)行深入研究,確定各種特殊水動(dòng)力學(xué)條件下魚(yú)類傷害的閾值,建立相應(yīng)的魚(yú)類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的生物準(zhǔn)則。
(2)設(shè)計(jì)研究合理的試驗(yàn)系統(tǒng),分析壓力、水流剪切力、空化特性以及機(jī)械碰撞等對(duì)魚(yú)體傷害情況的定量化影響,并觀察不同試驗(yàn)環(huán)境下魚(yú)類的行為特性和反應(yīng)。
(3)目前我國(guó)正在大力發(fā)展海洋能資源,開(kāi)展我國(guó)海洋典型魚(yú)類在海洋發(fā)電裝備水動(dòng)力學(xué)條件下的傷害機(jī)理研究意義重大。
(4)已有的多種魚(yú)類友好型水輪機(jī)大多是基于軸流式水輪機(jī)進(jìn)行的開(kāi)發(fā),對(duì)于魚(yú)類友好型的混流式水輪機(jī)還有待深入研究。