水电站水力机械设计中的环保工作

　　摘要：水电站水力机械设计中的环保工作是整个水电工程的一部分。从生态环境保护这一持续发展战略的高度，就水电站水力机械设计中的水轮机亲鱼、水轮机前拦鱼、设置小型水轮发电机作“黑启动”电源取代对环保不利的化学铅酸蓄电池、主机和附属设备材料的设计选择、利用太阳装置做照明电源、控制调峰期间上、下游水位变幅等方面，论述了水电站水力机械设计中的环保工作。

　　关键词：水轮机亲鱼；水轮机前拦鱼；压力机械设计；生态环境保护

　　中国分类号：TV734.1；X171.1　　文献标识码：A

　　1 水轮机的环保

　　鱼一旦进入水轮机系统，过机鱼便可能会受到伤害。伤亡的程度取决于鱼的大小、水轮机的类型、尺寸、转速和运行范围。研究小型水轮机发现，叶处撞击为鱼类受伤的重要因素，所以研究的重点是减少鱼类受叶片撞击的伤害。

　　现代化水轮机绝不能对水生野生生物构成伤害。对鱼类友善的水轮机，尖锐叶片不宜少，压力梯度应低，且使鱼易于通过。通过改变入流条件、加长叶片，可降低压力梯度、湍流、沿壁的剪切应力及作用在叶片上的冲击力。采用最小间隙转轮，其伤鱼率仅为1.5%，而标准转轮为2.5%（即低40%左右）。此外，最小间隙转轮水轮机还可使水轮机效率提高3%-4%。

　　清华大学曾研制过曝气式水轮机，其原理是在径流式水电站水轮机中注入空气，通过增氧，补偿水流中降低的溶解氧；国外曾研究过水轮机引水管上设置旁通引鱼管道；美国早期研制出环保型涡旋形水轮机，它由轴流式水轮机发展而来，其涡旋形外壳替代了易伤害鱼群的固定导叶和活动导叶部分，使水流可以适当的进入角流入转轮而不伤害鱼群。该种水轮机的转轮有3个等厚度叶片，叶片间流道大，高速水流区小，保证了鱼群可以安全通过转轮。其尾水管为直管，有利于鱼群安全通过。现由Alden研究实验室和NREC开发的新型水轮机，可使鱼类向下游洄游时更安全。根据设计，新水轮机只有3个叶片，以便将叶片进水边对鱼类的影响减至最小。为了获取相同的能量，叶片数量减少后，叶片相应加长，而叶片的高度不变。根据Alden和NREC的设计，叶片呈螺旋状绕中心体包卷。该几何形状可逐渐降低压力，将可能伤害鱼类的水流流速的突然变化减到最小。尽管几何形状没有明显改变，但是发电效率略低于目前的设计。美国还研究了水轮机引水系统导流引鱼方案。在日本，使用CFD技术修正转轮叶片，使其流道更通畅，水流更平顺，利于鱼群通过，将水轮机的空蚀危害减少到最少，也可减少过机鱼的伤害。

　　防止鱼类死亡的另一种方法是，大坝设鱼道或者利用声或光信号诱导鱼类离开压力钢管或进水道。而修建过鱼设施，让洄游鱼类正常返回栖息和繁殖地，越来越受到各界的关注。长江水利委员会水工程生态研究所在三峡库区的一级支流--乌江进行鱼道试验，彭水电站过鱼设施将作为建设鱼类洄游通道的试验点。

　　最新的水轮机设计趋向于减少水下部件所需的润滑剂，大力研究采用无油无润滑剂的转动部件，如：轴流转桨式转轮桨叶的轴承采用无油轴承，转轮采用无油操作等。

　　2 拦鱼措施

　　在水轮机转轮的亲鱼设计方面投入了大量的人力和物力，估计新型水轮机设计的成本将增加约30%，而且对发电效率会有影响。

　　2006年6月三峡工程三期围堰爆破时，为避免爆破伤及水中珍稀濒危鱼种，水利部中国科学院水工程生态研究所早在爆破前就采用自主研发的HGL-2型电赶拦鱼机进行了驱鱼作业。围堰爆破的能量将大坝前的水面掀起几十米高，但过后在距围堰长近600m、宽500m的临近水域却没有发现一条死鱼，体现了工程设计者对水生物的爱护、亲近之情。

　　随后，对此拦鱼机进行了研究，并将其运用到水轮机进口坝前的河段中，驱拦向下游洄游的鱼群，保护其免受过机伤害。此设计方案受到专家初步认可。作者认为拦鱼工程是非常必要的，也是可行的，可将其与声或光诱鱼信号配合使用，以产生长期效果。目的是通过此项拦鱼环保工程，贯彻环保思想，从而逐步落实保护鱼类的措施。

　　3 “黑启动”电源

　　2004年与2006年，世界上连续发生的大停电、特大停电，造成了巨大的经济损失，一时人们对此谈虎色变。局部电力系统遇到严重故障时仍有可能引发系统的连锁反应，最终导致大面积停电，所以对网内“黑启动”电源点的研究尤为必要。

　　水电站“黑启动”电源一般采用的是化学铅酸蓄电池，化学蓄电池价格昴贵，含有多种有害物质，对生产人员、操作人员的健康不利，其废品对环境产生威胁。高、中水头大型电站机组所需冷却水量较大，采用自流减压供水方式会给电站造成较大的电量损失，采用水泵供水，不仅效率较低，还会带来较大的运行维护工作量。研究采用通过小型水轮机从上游取水发电后的尾水给电站机组提供一定水头的技术供水水源的方案。该方案不仅有效利用了电站的水头，还给电站机组冷却系统提供了稳定而可靠的自流水源，可较好地解决电站技术供水系统的可靠性问题。采用在电站多台机组冷却系统的引水管道上设置小水轮发电机组，从上游取水发电后转换为直流电源，可作为“黑启动”电源而取代化学铅酸蓄电池，经济而环保。多台小水轮机发电机组保证可设置“黑启动”备用电源，保证了事故时“黑启动”的可靠性。平时可供景观照明或其他之需，事故时可及时切换作为“黑启动”电源。

　　4 振动噪声、电磁污染、电磁辐射

　　4.1 振动噪声

　　水电站的振动和噪声为环境公害，有些水电站还会对人员产生有害的电磁波等。在水电站机电设计中，需进一步深入研究环保措施。水电机组及动力设备的振动噪声主要有以下3种类型：电磁因素、水力因素和机械因素。值得一提的是：对于电磁振频、机组大部件振频、厂房混凝土构件振频，水力激振频率需防止发生共振。在水轮发电机组的设计选型中，应把机组稳定性放在首位，绝不能以牺牲稳定性去换取机组的高效率、高参数。充分重视发挥模型水轮发电机组的试验作用，通过光导纤维、内窥镜和摄像机进行全流道流场观察，运用CFD、数字网络计算等手段测析出高质量的宽域稳定运行区。

　　4.2 电磁污染

　　消除发电机、主变的电噪声及电磁污染是须密切关注的问题。对于发电机的电磁振动噪声，采用定子斜槽和转子斜极，加大气隙值、丢极、转子装设阻尼绕组，减少高次谐波的影响，减少振动。

　　辅助设备中如空压机、水泵、油泵、深井泵等，采用减振基础：在混凝土座墩上设置减振橡胶垫；空压机采用无基础减振装置；在出水管上装设减振喉等。在控制齿轮的噪声方面，采用斜齿轮的噪声可比正齿轮低3-10dB。

　　对于机械动力间的振动噪音，采用优质低噪音设备，采取隔离、吸音、加罩等方法来减少振动噪音。设备管道布置简洁有序，涂漆尽量色调一致，合谐美观。维护生产运行环境，保护运行人员身体健康。

　　4.3 电磁辐射

　　水电厂不可避免地存在各种各样的电磁辐射，这影响了电子设备的安全和人身的健康，甚至会产生破坏性的后果。水电厂的干扰源也多种多样。干扰源，指电流电压瞬变大而产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。如雷电、大爆炸、继电器、可控硅、电机、高压开关柜、高频时钟等都可能成为干扰源。水电厂中的运行环境恶劣，其干扰源大而杂，是重灾区。

　　美国联邦通信委员会（FCC）于1983年就颁布了20780文件，对计算机类器件的电磁干扰（EMI）进行限制；德国有关部门颁布了限制电磁干扰的VDE规范，在放射和辐射方面的约束比FCC规范更严格；欧洲共同体又在VDE规范中增加了RF（射频）抗扰性、静电泄放和电源线抗扰性等指标。FCC、VDE规范将电子设备分为A（工业类设备）和B（消费类设备）两类，具体限制如表1所示。

　　表1 电子设备抗扰性指标

　　重视真机实测，对真机（包括主辅机）进行准确的测量，可如实地反映出真机的状态，及时发现并处理真机振源漏源。特别是在线监测和微机巡检可迅速及时发现问题，还可记录被测量对象的测量时间、幅度、频率等参数，有利于科学地分析判断真机的状态和问题所在。测量监视系统工作需注意以下几点。

　　（1）选用优质自动化元件，加强测量监视的可靠性。

　　（2）设好设准测点，如空蚀、流量、噪声、发电机气隙等。确保测点能准确、有效地反映真机状态。测点的位置也可在模型试验中确定获得。

　　（3）对转轮漏油和其他漏油入水处要严格监测，以防污染下游江河。

　　5 材料设备

　　需确保水电站的防火措施安全可靠。一旦防治不力，发生火灾，不但机组受损，还会对环境造成污染。水轮发电机可采用阻燃材料。水电设备可采用抗燃油。目前抗燃油还存在易老化的现象，这与油中混进机械杂质、环境温度及油中含水率高有关。

　　在材料的选用上，逐步淘汰旧材料，选用环保新材料，如有害气体少的环保型焊条、CPVC氯化聚氯乙烯管材管件及阀门填料、阻燃材料、除铬钢材；为防止铁锈对环境的污染，在钢铁表面采用新型环保无污染防腐蚀涂料；采用无污染产品和“洁净技术”等；选用的配电导线的绝缘套要求环保耐用；选用优良的吸声材料如聚胺脂泡沫塑料。

　　过去采用氟里昂类物质CFC113作为冷却介质，但因其对大气臭氧层有破坏作用而被限制使用。为此，东方电机股份有限公司与中科院电工所从20世纪90年代初开始进行新介质的研究，经过筛选、分析实验、性能测试和机组运行考核等，已确定将Fla、HFC-4310和HFCAR-3000作为今后蒸发冷却系统使用的首选介质，该介质在性能上符合使用的要求，蒸发温度适中、流动性好、传热能力强，其次，它属氟磁氮化合物，不含氯元素，因而不会破坏大气臭氧层，无毒、无刺激性、使用安全。FLa已在大寨10MW蒸发冷却水轮发电机上得到应用，运行3a以来性能达到要求。

　　选用机电设备也应如此：采用经环保论证监定的现代产品，淘汰有害产品，如选用七氟丙烷、烟必静等灭火剂取代1211灭火剂；选用光电感烟感温传感器取代劣质的高子感烟感温传感器，以免劣质废品的离子产生放射源对人体和生物产生危害；选用CPVC氯化聚氯乙烯材料新型阀门，淘汰寿命低、易生锈的阀门；选用高效、低噪音电机（≤55dB），淘汰噪音大的老电机。

　　6 厂内外环境

　　机电设备尺寸的精确计算，设备的优化布置，良好的厂房通风、采光、防潮措施，都有益于厂内环境。

　　采用建筑材料隔吸声。用混凝土制成的墙壁具有隔声作用，墙内壁衬上吸声材料效果会更好。在发电机排气管周围粘贴玻璃棉吸音材料，可降低风道出口管周边噪声30dB。用隔声罩直接把机组产生的噪音封闭起来能降低噪音值，在多数情况下是采用密度大而刚性低的材料将一部分声波反射回去。

　　地下式厂房不破坏地面原貌，利于环保。气垫式调压室的型式有利于环保。

　　7 水电站厂用电

　　对于水电站设计，提倡节约用电，如采用节能照明灯泡，确保通风，选择耗电量、配用功率少的机电设备。辅机设计各种电器设备选型时，要进行计算，如导体、导线的选择计算，配用功率的选择计算等。通过节电节能树立节约型社会风气，减少耗散污染，从而间接减少对环境的压力。

　　8 库区清洁供电

　　库区的建设需要用电，由于库区有些地区偏远，电网供电较困难，而且还存在电网污染的问题。因此，库区要进行现代化建设，服务好三农，发展多种小型、微型能源，以发展环保事业，保证物种的多样化。多种能源中以自然能为主，如太阳能、风能、生物质能、小水电及沼气能，以自然能代柴是库区柴计划的一部分。在开展农村小水电及小电网建设工作中，高质量、可靠耐用的发电设备元疑对环境保护作用重大。库区供电建设可依托水电站的效益，设立自然能发电装配供应维修厂，如太阳能发电加工装配厂、风能发电加工装配厂等。

　　9 太阳能的利用

　　应大力发展水电、太阳能、风能等多种可再生能源。利用水电站厂房设置太阳能发电系统，可供部分照明用电，并可作为紧急照明用电。根据重庆江口水电站的计算，750m2的厂房可利用太阳能，太阳能发电容量可达750kW，晴天时，日发电量不小于7500kW?h。

　　日前我国太阳能光伏发电成本为4元/（kW?h），据预测，到2010年可望降至3元/（kW?h），到2020年可降至1元/（kW?h），到2030年才能与常规的火电电价竞争。而我国南通强生光电科技有限公司通过引进国际最新技术开发的非晶硅太阳能薄膜电池生产线，与目前国内普遍使用的多晶硅电池技术相比，具有原料供应充足、投资成本低、应用范围广等多方面优势。更主要的是，其薄膜电池的光电转换效率明显高于多晶硅电池，通过不同的技术路径，能将太阳能电价从目前的4元/（kW?h）降至1元/（kW?h），从而使上网电价在2a内这到欧美、日本的商用水平。这无疑将大大提速太阳能发电在我国的推广和普及，提高经济和环保效应。

　　10 上、下游水位变幅

　　由于发电的需要，特别是调峰期间水位的剧烈变化，使河岸的生态环境、极不稳定，河岸也因冲刷而失去堤滩的稳定。因此需控制调峰期间上、下游水位的变幅。

　　可以通过加大导叶开度设置水轮机最大出力，这样机组不仅可应对高水头工况下发生的振动问题，也可减少汛期弃水，增加发电量，节省成本。对于调峰来说，在满足同样调峰发电量的情况下，设置最大出力可减少下泄水量，相应地可减少水位变幅。

　　11 结语

　　在水利水电工程建设中，必须将环保理念深入人心，走可持续发展的道路。为此应做好以下几方面的工作：研发出行之有效的亲鱼、拦鱼系统；设置小型水轮发电机作“黑启动”电源取代化学铅酸蓄电池；在主机和附属材料的选用上，应淘汰旧材料，选用新型环保材料；充分利用太阳能；控制调峰期间上、下游水位变幅等。

　　参考文献：

　　[1]牛兰花，张小峰，李云中三峡电站调峰试验两坝间非恒定流原型观测分析人民长江，2006，（12）

　　[2]顾慰慈水库水位降落速度和土坝坝坡的稳定性水力发电学报，1990，（3）