美國新橋水水電站的摻氣水輪機

[美國]凱文.M.羅蘭 杰森.M.福斯特 格瑞戈里.D.勒威斯 約翰.C.斯格蒙

蘇 燕 譯自美刊《水電評論》2010年第4期

已建的20MW橋水(也稱布里奇沃特)水電站位于北卡羅萊納州的卡托巴(Catawba)河、林維爾(Linville)河和帕迪(Paddy)河上。卡托巴壩、林維爾壩和帕迪壩這 3座壩建成后,形成了詹姆士湖(Lake James)。水電站就建在林維爾壩壩基上,于1919年開始運行。

在重新為工程申辦許可證期間,杜克能源公司卡羅萊納州有限責任公司的業主決定,需改進1915年設計的原林維爾壩,以滿足聯邦能源管理委員會(FERC)對大壩穩定性的現行要求指標。杜克能源公司雇用卡羅萊納州 HDR工程股份有限公司(HDR｜DTA)進行可行性研究,并確定可以滿足現行 FERC抗震穩定性要求的各種方案。HDR｜DTA研究結論表明,最有效的整體方案是拆除已建的橋水水電站,用下游較遠處的一座新水電站取而代之,為已建土壩下游側的大型補強土戧堤的擴建部分騰出空間。綜合考慮了各項費用和施工能力等因素之后,認為這一方案優于采用碾壓混凝土或環繞已建發電站的工程擋土墻的方案。

新的橋水水電站也給了杜克能源公司達到最小連續流量需求和壩址處水輪機過流量摻氣的機會,以滿足重辦許可證時承諾的環境要求。如果保留已建水電站,那么將需要相當可觀的投資去改造和修復已有的水輪機,以使其能夠滿足那些新的環境方面的要求。

橋水水電站建設為水電工程業主、工程顧問和設備供應商提供了一次絕無僅有的合作機會,利用水輪機技術的最新進展共同設計水電站。杜克能源公司選中伏伊特(Voith)水電公司來供應新水輪機設備。

1 溶氧問題

低溶氧(DO)是美國南部水庫的通病。在夏末的較熱月份里,這些水庫會發生溫差分層,導致水庫分成截然不同的層次。最上層的特點是溶氧量高。在溫躍層下,隨著深度的下降,溶氧濃度迅速下降,在水庫底部的某些地方可能會低至1mg/L。許多已建的水電工程,水輪機取水口遠低于水庫水面,這里溶氧量低。然后水流過水輪機,排入設備下游的尾水渠,這里的低溶氧含量可能對水質和水生生物有不利影響。

在超過一個日歷年度的較短時期內,橋水水電站尾水渠內的溶氧含量可能會降到國家現行的水質要求(瞬時 4mg/L和日平均5mg/L)以下。如上所述,橋水水電站的水輪機改造為最新摻氣技術的應用提供了一個極好的機會。

2 項目評估和設計

用新型水電設備解決增加溶氧的需求,促使橋水水電站工程進入了實施階段,除摻氣能力外,在始終保持最小流量的同時,新電站還要承擔水庫水位調節的正常職能。為了使發電量最大且滿足這些需求,HDR｜DTA和杜克能源公司評估了各種機組臺數和大小的幾種不同電站的配置方式。經過慎重評估,最終選擇安裝2臺較大的立式混流式機組(轉輪進口直徑為2.5m)和1臺較小的混流式機組的方案(轉輪進水口直徑為0.9m)。

HDR｜DTA考慮了幾種技術可行的方法來解決工程現場溶氧低的問題,初步研究的重點是上游方案,比如水庫表面水泵和多孔管道擴散器。

經研究,最終的結論認為,對于水庫表面水泵來說,庫水面和布里奇沃特取水口之間的27m距離太遠了,難以獲得所需的效率;而氧氣管擴散器是一項成熟的技術且相當行之有效,但是因為其初期安裝費用和長期的年運行維護費與其他技術可行的方案增加的費用相比,沒有優勢,所以摒棄了該方案。

其他一些摻氣方案在水輪機本體內部進行,運行時摻氣部位形成低壓區通向大氣,從而產生一股自然流動的風進入水流道。這種摻氣類型被稱為自動摻氣水輪機,是一個高性價比的為水輪機提供強氣流的方法。主要有3種類型的自動摻氣水輪機,包括中部、周邊和分布摻氣。每種方法都采用了獨特的使系統從水輪機外部到流道內的不同部位均可輸送大氣的方案。3種摻氣技術的概況見圖1。

圖1 水輪機摻氣方法

分布摻氣從頂蓋(一般在水輪機機坑內)上幾根管道吸入空氣并收集到轉輪上冠上的連通轉輪室中。空氣進入空心的輪葉,再沿著輪葉泄水邊的一列狹槽進入水道。中部摻氣時,空氣從頂蓋上方的區域輸送到擋水錐四周的各個部位,或通過水輪機軸和擋水錐底部出來。周邊摻氣在更下游的地方進行,靠近尾水管的進口。一般來說,改造已建電站時,尾水管的進人廊道為輸入管道的鋪設提供了方便的位置。空氣通過支管系統輸送,支管系統將空氣分布到尾水管外的四周。空氣通過尾水錐管內表面的一條連續槽或多個孔引入水中。

3 摻氣法

由于自動摻氣水輪機的摻氣法是利用流道內不同的注入位置,轉輪下面的局部流態使得每種技術具有截然不同的特點。這些因素影響到尾水管內的氣泡大小及其分布,這對摻氣效率也有顯著的影響,而且這些因素還使摻氣影響著運行效率。

3.1 中部摻氣

中部空氣通過擋水錐吸入,進氣形成了柱狀氣泡連續進入到尾水管內。圖2顯示了中部摻氣時形成的氣泡分布狀況。注意這些圖表對應的是水輪機滿負荷的運行。

圖2 中部摻氣

雖然中部摻氣法比起改造已有水輪機費用要便宜,但形成的柱狀氣泡只局限在尾水管錐體中部逗留,妨礙了氣水混合物的傳輸,限制了溶氧作用。這種摻氣方法在低負荷運行時最為有效,流出轉輪的水流內存在旋流,降低了擋水錐上進氣位置的靜壓。中部摻氣還容易干擾尾水管內的水流,可能會使水輪機的效率大受影響。以下將探討溶氧傳輸效率以及各摻氣法對運行效率的影響。

3.2 周邊摻氣

從尾水錐管的內壁注入大氣形成一氣泡簾沿著流道周邊運動。滿負荷運行時,周邊摻氣的氣泡分布見圖 3。

圖3 周邊摻氣

由于氣泡連續通過尾水管進入到尾水渠內,氣水混合所產生的氣泡分布比中部摻氣更加均勻。盡管增加了氣水混合,尾水管流道中的氣泡分布還不是很均勻。周邊摻氣在中高負荷時有效,且對水輪機的運行效率影響居中。

綜上所述：在減速制動過程中，在流體阻力及陣列本身的慣性等作用影響下，陣列A與陣列B、信號發射氣槍與信號接收分支陣列A均逐漸靠近；母艦減速緩和了陣列變形狀態的間距變化；若減速制動過程中加速度過大，會導致陣列自身的擺動加劇從而使得分支陣列難以保持平衡。因此,在減速制動過程中陣列A、陣列B無法繼續保持平行前進。

3.3 分布摻氣

通過轉輪輪葉摻氣,利用輪葉后緣形成的低壓將空氣吸入到水輪機內。充氣轉輪的另一個主要特點是空氣吸入點附近的流速梯度,切變流區有助于在尾水錐管內將吸入的空氣破碎成細小的云霧狀。圖 4顯示了摻氣轉輪在滿負荷運行時的氣泡分布狀況。

圖4 分布摻氣

吸氣槽位于轉輪輪葉的泄水邊,生成均勻的氣泡分布,遍及整個尾水管。這些較小的、分布均勻的氣泡使空氣和周圍排水量之間的接觸面積最大。3種自動摻氣備選方案中,已經證實分布摻氣可產生提高溶氧的最佳效果,同時對運行效率的影響又最小。

雖然分布摻氣可能是新橋水水電站選中的方法,但是與橋水水電站較小轉輪有關的制造卻限制或禁止使用摻氣轉輪。

4 摻氣效果

上述氣泡的特點在確定每種方法的相對摻氣效果時起著重要的作用。可以通過比較每種方法的溶氧上升率來評估其效果。

(1)評估方程1

圖5以函數 Q/Qopt(空隙率 φ=3)的形式顯示了混流式自動摻氣水輪機實測資料的 DO上升率。Qopt表示水輪機在最高運行效率時的流量。

(2)評估方程2

式中 Q氣是容積流率;Q是各運行點的過流量。

在典型的混流式水輪機的正常運行范圍內(Q/Qopt為0.8～1.2),分布摻氣具有最大的 DO上升率,其次分別是周邊和中部摻氣。但是,在 Q/Qopt低于0.8的區域,中部摻氣的 DO上升率明顯大于分布和周邊摻氣。在這一運行范圍內,轉輪出口處的水流旋流增多,產生氣泡分布,使擋流錐端部吸入的空氣和周圍的水能進行良好地混合。

圖5 DO上升率

5 效率影響

摻氣時水輪機的效率損失取決于以下幾個參數,包括水輪機尾水管形狀、空氣數量(或空隙率)、進氣位置、氣泡大小和氣泡分布。圖 6顯示了為數眾多的 Q/Qopt=1.0的摻氣工程現場試驗得出的性能趨勢。應當注意的是,效率(η)的變化定義為η不摻氣-η摻氣,以空隙率(Φ)的函數表示。

對于 Q/Qopt=1.0,顯示出效率下降在很大程度上取決于空隙率。如果空隙率低于1,那么所有的摻氣方法的效率影響都很小。但是,隨著空隙率的變大,中部摻氣的效率會顯著下降。上述 DO上升率的關系以及摻氣方法如何影響水輪機的性能,在優化橋水水電站水輪機的最終摻氣方案中都進行了全面考慮。

圖6 效率影響

6 溶氧預測

由于摻氣時空氣與周圍的水混合,空氣中的氧傳輸給周圍的水。兩相物質混合后,物質傳遞的問題已經受到了極大的關注,這些研究所取得的成果已經應用到各種摻氣模式中。最成功的模式之一被稱為分散氣泡模型(DBM)。在設計階段,為了在布里奇沃特能使所需的 DO得到提高,使用 DBM評估各種氣流和氣泡駐留時間。對水庫上游溶氧含量的歷史回顧表明,目標為 3～4mg/L的上升將可靠地包含預測的任何惡劣工況。這一含量附近很少出現問題且持續時間短,但是制定的設計依據包含了這些極值。這些計算合并了布里奇沃特運行的各個具體參數,包括現場工況、運行點、預測氣流和水輪機的幾何形狀。

比較了2種通過水輪機過流量摻氣來提高溶氧的設計構思。一種構思是基于利用傳統的尾水管,另一種是加入一根更深更長的尾水管,以增加氣泡的駐留時間并使其溶氧上升更多。DBM運算證實,空氣量可能需要更深更長的尾水管,這些空氣將用于混合水輪機過流量。根據計算,伏伊特水電公司可將這種尾水管納入水輪機設計中。

在初步調查階段,為了在流道中產生所需的更低靜壓以輸出所期望的較大氣流,預計水輪機的安裝高程要比正常的安裝高程要高。但是在設計階段,設計優化分析(包括 DBM程序的使用)表明,降低水輪機安裝高程仍然可以提供足以達到溶氧上升目標的氣流。伏伊特水電公司采用較低的水輪機安裝高程,供應較小、轉速較快的水輪機,減少了土木工程和設備的成本。

7 最終方案

盡管分布摻氣具有最佳綜合摻氣性能,但是與轉輪尺寸有關的制造限制和妨礙了摻氣轉輪在橋水水電站的應用。于是,伏伊特水電公司使用周邊和中部聯合摻氣技術來設計水輪機設備。需要溶氧的枯水運行期間,中部和周邊進氣系統都將投運;需要溶氧的洪水運行期間,中部摻氣系統將關閉,以使效率和功率損耗最小,周邊摻氣將單獨運行。兩種方法的實施,為電站滿足流量和溶氧上升需求的能力提供了一種靈活的手段。

HDR｜DTA確定氣流速率和必要的溶氧上升含量以達到尾水渠的溶氧目標,伏伊特水電公司設計的進氣系統可以產生進入設備的氣流。對于新設備和水電站的設計,可以測量并確定穿過發電站的管道鋪設線路,使對系統摻氣性能有不利影響的彎曲和轉彎最少(即水頭損失)。對于修復工程,這種靈活性往往不適用,設計必須提供長且低效率的管道路線,向水輪機輸送大氣。

8 結 論

橋水水電站是首批摻氣設計的新水電站之一。它是電站業主、工程顧問和設備供應商如何合作并找到最佳可行方案的實例。合作結果形成了獨特的設計,利用先進摻氣技術的組合,在電站的整個流量范圍內,使溶氧量最大,同時對水輪機效率的影響最小。目前工程仍處于施工階段,預計機組將于2011年末投入商業運行。