影響軸流轉槳式水輪機過魚能力的關鍵運行參數

王 煜，翟振男，姜德政

(1. 三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2. 長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

大壩阻隔了魚類洄游及上下游種群基因交流的通道，對魚類資源發展帶來不利影響[1-2]。魚類隨水電站發電泄流主動或被迫進入水輪機流道，可能遭受水輪機流道極端水動力特性及復雜結構造成的損傷，甚至死亡。國內外學者研究成果表明魚類通過水輪機流道下行可能受到的傷害機理分為機械、壓強、剪切力和空蝕4種原因[3-6]，其中機械損傷主要為過機魚體與水輪機構件表面的撞擊、擠壓和摩擦損傷，與魚體尺寸、流道結構及魚體下行軌跡有關；壓強、剪切力及空蝕損傷主要為水輪機流道內壓強、壓強陡降、流速梯度、渦旋、湍動等極端水動力條件對過機魚體造成的水動力損傷[7]，如壓強陡降引起的魚鰾破裂和栓塞，導致魚類死亡[8]，負壓引起的魚體身體失衡和魚鰓受損[9]，流速梯度引起的剪切應力導致魚體眼睛損傷、體表挫傷、鱗片撕裂、魚鰓翻開、身體失衡[10]等，與水輪機結構及運行參數有關[11]。

國內外相關學者通過水電站原型過魚試驗和實驗室水動力單因子損傷實驗相結合的方式針對水輪機過機流對所挾魚體造成水動力損傷的關鍵因子[12-15]進行研究。Bradly等[16]通過在哥倫比亞河下游釋放傳感器魚及實驗室模擬實驗，得出大西洋鮭魚通過水輪機流道遭受壓力損傷的關鍵因子為魚體進入水輪機前的適應壓強與流道內最低壓強的比值。Deng等[10-12]通過將大馬哈魚放入模擬水輪機流速梯度的水流環境中，得出魚類通過水輪機流道下行受到剪切力損傷與流速梯度成正比。美國西太平洋國家實驗室[17]針對虹鱒魚，硬頭虹鱒魚，春季和秋季大鱗大馬哈魚，美洲西鯡魚承受模擬水輪機流道水力剪切的實驗研究中表明，當水流流速應變率大于500 (s cm)-1時，研究魚種均遭受明顯水力剪切損傷。綜上可見，水輪機流道內水流流速、流速梯度、壓強及壓強梯度是造成過機魚體遭受水動力損傷的關鍵水動力因子，水輪機不同運行參數下流道水動力特性將會對魚體安全通過水輪機流道下行產生影響。為探明影響軸流轉槳式水輪機流道水動力過魚能力的關鍵運行參數，本文通過構建水輪機流道水動力過魚能力評價方法，識別影響葛洲壩ZZ500軸流轉槳式水輪機流道水動力過魚能力的關鍵運行參數，為構建魚類友好的水輪機生態運行方式提供技術支撐。

1 水輪機流道水動力過魚能力評價方法

魚類通過水輪機流道下行受到水動力損傷的主要原因為：①過低的壓強和急劇變化的壓強梯度造成的氣壓損傷；②流道間隙、過流表面及水流渦旋引起的流速應變造成的剪切損傷；③過低的壓強引起水輪機汽蝕導致的空蝕損傷[18-20]。因此，本文在評價河流水環境對魚類棲息、繁殖適合程度的河流內流量增量法(IFIM)[21]基本原理的基礎上，提出采用水輪機流道內可能對過機魚體產生水動力損傷的空間體積與流道總體積比值PWUV(percent of weighted usable volume，魚類加權可利用體積占比)來評價水輪機流道水動力過魚能力的方法。

1.1 流道水動力特性對過機魚體產生水動力損傷區域判別方法

a.網格剖分水輪機全流道區域，通過水輪機穩定運行工況下全流道三維水動力數值計算，獲取各網格體積單元水動力參數值；

b.逐一將流道各網格體積單元的壓強、流速及與相鄰體積單元的壓強梯度和流速梯度與過機魚種相應的壓強、流速、壓強梯度、流速梯度損傷閾值進行對比，篩選出超出魚類損傷閾值的體積單元作為水動力可能損傷單元，其邏輯判別式為

Epdi={(Piv0)∨

(Pgi>Pg0)∨(vgi>vg0)}

(1)

式中：Epdi為判別體積單元i是否為魚體水動力可能損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚體水動力可能損傷單元；Pi、vi、Pgi、vgi分別為體積單元i的壓強、流速、與相鄰體積單元的最大壓強梯度、與相鄰體積單元的最大流速梯度值；P0、v0、Pg0、vg0為過機魚種遭受損傷的壓強、流速、壓強梯度、流速梯度損傷的閾值。

c.由于魚類通過水輪機流道是否受到水動力損傷不但與流道內水動力特性有關，還與魚體規格(體長L0、體積V0)有關，因此還需根據水動力可能損傷單元體積、過機魚體體積、相鄰水動力可能損傷單元間距等進一步綜合評判體積單元i是否對過機魚類產生水動力損傷。綜合評判原則為：①相鄰水動力可能損傷單元中心距小于魚體體長1/2，說明魚體同時受兩個體積單元水動力作用，損傷概率較大，其相鄰水動力可能損傷單元都定義為水動力損傷單元；②水動力可能損傷單元體積大于過機魚體個體平均體積的1/2，說明魚體通過該體積單元，大面積承受超出其損傷閾值的水流水動力作用，損傷概率高，定義該體積單元為魚體水動力損傷單元。評判水動力可能損傷單元i是否為水動力損傷單元的邏輯判別式如下：

Edi={(ΔSi,j<0.5L0)∨(Vi>0.5V0)}

(2)

式中：Edi為判別水動力可能損傷體積單元i是否為魚體水動力損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚體水動力損傷單元；ΔSi,j為可能損傷體積單元i與其相鄰最近的可能損傷體積單元j中心點間距，Vi為編號為i的可能損傷單元體積。

1.2 流道水動力過魚能力評價方法

對水輪機全流道各體積單元逐一進行魚類水動力損傷單元判別，識別所有魚類水動力損傷單元并對其空間體積進行疊加運算，得出流道內造成過機魚體水動力損傷的空間總體積，將其與水輪機全流道空間體積相比，得出流道魚類水動力損傷體積占比，再將流道空間整體1減去水動力損傷體積占比，得出流道空間對過機魚體不造成水動力損傷的區域占比，即魚類加權可利用體積占比PWUV作為量化指標評價水輪機流道水動力過魚能力。

(3)

式中：∑Vi為水輪機流道內魚體水動力損傷單元體積總和；Vs為水輪機全流道空間總體積。

PWUV越大，說明水輪機流道空間對過機魚體不造成水動力損傷的體積越大，魚類通過水輪機流道下行越安全，反之亦然。

2 軸流轉槳式水輪機運行參數對流道水動力過魚能力的影響

軸流轉槳式水輪機具有過流能力大，運行范圍廣，運行效率高等優點，被廣泛應用于低水頭徑流式水電站，其流道是上下游水體貫通的主要通道，為魚類過壩提供了直接通道。為探明影響軸流轉槳式水輪機水動力過魚能力的關鍵運行參數，本文以葛洲壩水電站ZZ500型軸流轉槳式水輪機為例，運用流道水動力過魚能力評價方法，識別影響長江四大家魚幼魚通過ZZ500軸流轉槳式水輪機流道安全下行過壩的關鍵運行參數。

2.1 研究對象基本參數

葛洲壩水電站是長江干流上第一座大型徑流式水電站，對長江魚類的洄游和基因交流有著重要的影響[22-24]。葛洲壩ZZ500型水輪機為典型的大型軸流轉槳式水輪機，其主要參數見表1。

表1 葛洲壩ZZ500-LH-1020水輪機主要參數

長江青、草、鰱、鳙四大家魚是長江流域主要經濟魚類，占我國淡水魚類總產量的80%。四大家魚屬于江湖半洄游性魚類，在湖泊中育肥，在長江中上游產卵[25]。由于具有下行過壩需求的為四大家魚幼魚，因此水輪機流道水動力過魚能力評價主要針對魚類幼魚(0齡或1齡)展開，其體長通常在20 cm以下。通過前期研究已明確四大家魚幼魚受水輪機流道水動力因子損傷的閾值[9-26](表2)。

表2 四大家魚幼魚水動力因子損傷閾值

2.2 水輪機全流道三維水動力數值模擬

2.2.1幾何模型的構建及網格剖分

由于軸流轉槳式水輪機流道結構復雜，各部分水動力特性相差較大，故其流道空間依照水流順序劃分為蝸殼區域(進水口工作閘門至固定導葉出口面間的流道空間)、活動導葉區域、轉輪區域、尾水管區域(圖1)，各區域分別采用八叉樹網格剖分法進行網格剖分。采用水輪機額定工況下不同網格數量的數值模擬出力誤差值進行網格無關性驗證，當全流道網格數量為600.7萬時，水輪機出力誤差波動小于2%，滿足水輪機數值計算對網格無關性要求，選用該網格劃分方案為最終網格方案(表3)。

圖1 ZZ500水輪機流道空間區域及網格剖分示意圖

表3 水輪機流道網格數量

2.2.2水輪機流道水動力數值模擬方法

計算域采用水電站進水口閘門斷面水流平均流速作為上游邊界條件，尾水管出口自由出流為下游邊界條件，蝸殼、座環、轉輪室、尾水管壁面為無滑移壁面，轉輪葉片、輪轂、泄水錐等壁面采用旋轉壁面條件。水輪機流道內水流的運動采用不可壓雷諾平均Navier-Stokes方程和連續方程進行描述，選用RNGk-ε湍流模型進行水動力數值模擬計算[27]。為驗證數值計算的可靠性，采用額定工況下水輪機出力數值模擬值與實測值對比，得出數值模擬出力值誤差小于2%，表明數值計算結果可靠(表4)。

表4 數值模型可靠性分析

2.2.3計算工況的擬定

為識別軸流轉槳式水輪機不同運行參數(水頭H、流量Q、導葉開度α0、槳葉轉角φ)對流道水動力過魚能力的影響，在葛洲壩ZZ500水輪機運行范圍內，按照流量、水頭等間距取值，實現運行范圍樣本工況全覆蓋的原則，選取不同水頭、不同出力下的典型運行工況101組(圖2)。針對選取的各運行工況，分別采用構建的水輪機流道水動力過魚能力評價方法進行過魚能力評價。

圖2 ZZ500型水輪機數值模擬工況

2.3 水輪機不同運行參數對流道水動力過魚能力的影響

根據葛洲壩ZZ500水輪機全運行范圍內101組不同運行參數工況流道水動力過魚能力量化評價結果得出：在水輪機穩定運行范圍內流道具有較好的水動力過魚能力，流道魚類加權可利用體積占比PWUV均達到92%及以上，其中最小值(92%)發生在水輪機最大水頭(26.4 m)、最小導葉開度(280 mm)和槳葉轉角(-10°)的低流量(268.99 m3/s)運行工況，說明水輪機在高水頭、低流量運行工況下，其流道水動力特性對過機魚體具有最大的損傷威脅；而較低水頭(12.6 m)，較大流量(6 521.2 m3/s)工況運行時，流道具有最大PWUV(97.6%)，說明ZZ500水輪機運行在此工況下流道對家魚幼魚造成水動力損傷的概率最小。

為識別影響軸流轉槳式水輪機過魚能力的關鍵運行參數，分別將葛洲壩ZZ500水輪機運行范圍內101組運行工況的主要運行參數與PWUV進行相關性分析。

2.3.1運行水頭H

由水輪機各工況下PWUV-H關系圖(圖3)可見，隨著H的增加，PWUV呈逐漸下降的趨勢，其中在最大水頭(26.4 m)運行條件下，不同流量工況的流道PWUV均小于93%；而在最小水頭(8.6 m)條件下，流道最大PWUV可達到97.5%，說明H越高魚體在流道內遭受水動損傷概率越大。同時，H越高，其同一運行水頭下不同流量工況的流道PWUV變化范圍越小，說明當水輪機運行在高水頭下，其流道PWUV受流量、導葉開度等其他運行參數影響較小，流道水動力特性對下行魚類十分不利。

圖3 Z500水輪機PWUV-H關系

2.3.2流量Q

根據101組運行工況PWUV-Q關系圖(圖4)，PWUV隨Q的增加呈現上升的趨勢，說明流量的增加使家魚幼魚通過該水輪機流道下行時遭受水動力損傷的概率減小，流道水動力過魚能力增強。當Q>402 m3/s時，PWUV均達到94%以上，流道適合魚類下行的空間較大，魚類在流道內受水動力損傷的概率較低。

圖4 ZZ500水輪機PWUV-Q關系

2.3.3導葉開度α0

由各運行工況下PWUV-α0關系圖(圖5)可見：PWUV與α0呈正相關，α0越大，流道水動力特性適合家魚幼魚下行的空間區域越大，流道具有較好的水動力過魚能力。當α0>460 mm(相對開度為0.65)時，PWUV>94%，且α0，PWUV越大，流道水動力過魚能力越強。根據國外關于魚類在水輪機流道遭受水動力損傷的相關研究[7-17]，魚類通過水輪機座環及活動導葉區域主要遭受因導葉間隙產生的流速梯度引起的剪切應力損傷。因此，α0的增大，可增加導葉間過流斷面積，減小流速梯度，進而降低流速突變對魚體造成剪切應力損傷，提高流道過魚能力。另外，α0的增加，同時增加了水輪機流量，優化了流道空間的水流狀態，進一步提高流道水動力過魚能力。

圖5 ZZ500水輪機PWUV-α0關系

2.3.4轉輪槳葉轉角φ

軸流轉槳式水輪機轉輪槳葉與活動導葉保持協聯關系，以提高水輪機運行效率。根據葛洲壩ZZ500水輪機101組運行工況下槳葉轉角與PWUV關系圖(圖6)，可得出軸流轉槳式水輪機流道水動力過魚能力隨槳葉轉角的增大有增大的趨勢。槳葉轉角小于-5°的運行工況，大部分工況的流道PWUV在0.92～0.94范圍內；當槳葉轉角大于-5°時，流道PWUV基本都大于0.94。PWUV較高(≥97%)的工況槳葉轉角在-2°～10°之間，說明軸流轉槳式水輪機槳葉轉角為正值時，流道PWUV較高，特別是在水輪機運行在最優工況(φ=0°)及附近區域，流道具有較好水動力過魚能力。當φ>+10°時，隨槳葉角度增加流道PWUV值呈現下降趨勢，說明當水輪機偏離最優工況運行，流道水流水動力條件惡化，不但降低水輪機運行效率還增加了對過機魚體造成水動力損傷的概率。

圖6 ZZ500水輪機PWUV-φ關系

圖7 ZZ500水輪機PWUV-N關系

2.3.5水輪機出力N

水輪機出力受其運行水頭、流量、效率共同影響，是評價水輪機運行效益的關鍵指標。水輪機運行穩定性與其出力有較強的相關性，一般情況下，水電站運行在其額定出力的70%以上，機組具有較好的運行穩定性。根據葛洲壩ZZ500水輪機101組運行工況PWUV-N關系圖(圖7)可見，水輪機出力大于其額定出力的70%(90 MW)時，PWUV均大于94%，說明水輪機運行在大出力的穩定運行區域，流道水動力特性也具有較好的“親魚”性能。在水輪機小出力工況，多數工況PWUV較小，但也有少量工況PWUV較大，說明在水輪機出力較低時，其流道水動力特性穩定性較差，其流道水動力過魚能力受流量、導葉開度等其他運行參數的影響較大，但整體PWUV略低，對過機魚體帶來不利影響。因此，水輪機運行在大出力工況，不但具有較好的發電效益和運行穩定性，其流道水動力特性也更加適合魚類通過其安全下行。

3 結論與討論

a.軸流轉槳式水輪機在穩定運行工況下，流道具有較高的家魚幼魚加權可利用體積占比，葛洲壩ZZ500型水輪機均達到92%以上，說明低水頭大流量的軸流轉槳式水輪機流道空間具有較好的水動力過魚能力，可作為魚類安全下行的直接通道。

b.水輪機運行水頭及導葉開度與其流道水動力過魚能力有明顯的相關性。水頭越高，流道空間使過機魚體遭受水動力損傷的區域越大，魚類通過水輪機流道下行受到水動力損傷的概率越大；導葉開度越大，流道PWUV越大，流道水動力過魚能力越好。說明水輪機運行水頭與導葉開度是影響流道水動力過魚能力的關鍵運行參數。

c.軸流轉槳式水輪機過機流量與槳葉轉角對流道水動力過魚能力有一定影響。流道水動力過魚能力隨流量增大而增大，但當流量趨于水輪機最大流量時，流道空間魚類加權可利用體積占比趨于某一穩定值。水輪機槳葉轉角運行在最優工況附近區域，流道PWUV較大，水動力過魚能力最優；槳葉轉角為正值的工況，流道水動力過魚能力優于槳葉轉角為負角的工況。

d.水輪機運行在額定出力及其附近大出力工況時，流道PWUV較大，具有較好水動力過魚能力。

由此可見，影響軸流轉槳式水輪機水動力過魚能力的關鍵運行參數為運行水頭及導葉開度，同時過機流量、槳葉轉角及出力對其也有一定影響。水輪機運行在大流量、低水頭、大出力工況，不但具有較高的發電效益和運行穩定性，同時也具有較好的水動力過魚能力。這與Cada等[7-18]得出的水輪機過機魚體存活率是一個關于轉輪葉片轉角、導葉開度、水流狀態的復雜函數的研究結論基本相近。

上述結論得出軸流轉槳式水輪機運行參數對其流道水動力過魚能力具有較為明顯的影響，故可通過優化水輪機運行參數建立魚類友好的水輪機生態運行方式，以提高其流道水動力過魚能力。然而，魚類通過水輪機流道下行還可能因與流道構件的撞擊、摩擦、擠壓等遭受到機械損傷，其損傷概率與魚體下行軌跡、流道尺寸、魚體尺寸等因素密切相關，因此下一步研究還應以魚類水動力損傷概率及機械損傷概率綜合評價水輪機流道過魚能力。另外，本文主要針對四大家魚1齡以下的幼魚通過軸流轉槳式水輪機流道下行進行研究，魚體尺寸與流道水動力計算網格單元尺寸相差不大，對于尺寸較大的成魚，在判定水動力損傷單元區域時應進一步分析和討論。