江河水流能发电影响因素分析及试验研究

张刚，乔伟，韩迎鸽，周芳德，魏海姣

(1.延长油田股份公司定边采油厂，陕西 榆林 718600；2.西安交通大学多相流国家重点实验室，西安 710049；3.北京工业大学，北京 100124)

0 引言

随着人们生活水平的提高，全社会对能源需求量逐渐增加。雾霾的产生，使得清洁能源的开发和利用受到空前的关注。为了减少化石能源的消耗，国家和各地方政府纷纷出台相应政策以提高可再生能源的利用率。可再生能源以风能、太阳能和水能为代表的资源最具开发利用价值，但风能和太阳能的间歇性导致了电能输出的不稳定性，严重影响电网安全[1-3]。水能以其连续稳定、响应快速和易调节等优势受到人们的重视。

我国水资源无论是蕴含量还是可开发量均居世界首位，截至2018年年底我国水电装机总容量为350 GW，年发电总量为1.20 PW·h。水能利用主要以抽水蓄能电站和拦河筑坝电站为主[4-7]，利用水的位能差转换成动能，进而转换为电能，抽水蓄能电站和拦河筑坝电站均有抬高水位发挥水能的优势，但该方法对地理条件要求苛刻，且资源有限，建造和安装成本较高。相比于抽水蓄能和拦河筑坝水电工程，水能流直接发电蕴含量巨大，据统计全国水能10 MW以上的33 886条河流均可利用，无数水能10 MW以下的河流亦可利用，将发电装置直接安装于河流中，可有效避开地理条件苛刻和成本高等问题。从经济角度考虑，10 MW的水能流发电投资成本约为0.3亿～0.5亿元，远低于常规水电站(1.0亿元)。因此，开发此类水流能发电技术实现河流高效能量利用，具有重要的应用价值和应用前景。

表1 水力涡轮发电机组设计参数

林星等人[8]将水流能利用与风力发电机组进行对比分析表明，水流能发电具有巨大的发电潜力和环保优势。王丹丹[9]利用计算流体动力学(CFD)方法模拟分析了直径为0.6 m三叶片水平轴水力涡轮机，研究其尾迹流场、扭矩和输出功率在不同流速下的变化情况，同时分析了单机组和多机组阵列尾迹流场变化规律，发现叶轮直径越大，尾迹恢复长度越长。朱占春等人[10]利用CFD仿真软件研究了叶片翼型和导流罩对捕获水能的影响，分析认为合理的叶片翼型和叶轮前方安装导流罩能提高水能利用率。孟维文利用CFD仿真技术研究了垂直轴水能流发电组的动力特性，研究发现提高变速箱传动比能满足水流能低速流动的要求[11]。

基于上述分析发现，现有研究针对水流能涡轮发电机组的可行性、水流能水力涡轮发电机组尾流特性、水流能水力涡轮发电机组叶片翼型和是否加装导流设备、及传动过程变速比对输出功率的影响，并未提及叶轮直径、叶轮级数、传动方式、水流入流是否有扩口汇流装置及河道流动特性对水流能水力涡轮发电机组输出功率的影响。因此，本文设计了应用于不同河道的江河流动水水流能直接发电的水流能水力涡轮发电机组，并在不同河道进行测试研究，旨在研究叶轮直径、叶轮级数、传动方式、水流入流是否有扩口汇流装置、及河道流动特性对水流能涡轮发电机组输出特性的影响规律。

1 试验原理及方案

1.1 涡轮发电机组功率计算理论依据

在自由河流中的叶轮可以将部分流动水能转换为机械能，与风力机类似，水流经叶轮后，叶轮输出功率可按下式计算[12]

(1)

式中：P为水力涡轮机输出功率，W；ρ为水的密度，kg/m3，本文取1 000 kg/m3；v为水流速度，m/s；Cp为能量利用系数，表示水能转换为机械能的最大值。Cp与叶片型线、扭角和弦长等参数有关，由贝兹理论可知，能量利用系数取最大值时，该值亦成为贝兹极限，表示涡轮机械获取能量最大利用率为59.3%[12]；A为叶轮扫掠面积，m2。

A可由式(2)进行计算

(2)

式中：D为涡轮直径，m；n为叶轮级数，水力涡轮发电机组为单级叶轮时n=1。

1.2 水力涡轮发电机组设计及性能测试方案

1.2.1 水力涡轮发电机组设计

本文主要研究水力涡轮发电机组在不同河道内叶轮直径、叶轮级数、传动方式、水流入流是否有扩口汇流装置、及河道流动特性对功率输出特性的影响，故分别设计了1，5，10，50 kW级4种不同形式的水力涡轮发电机组，其设计参数见表1。

为方便进一步对试验数据和理论计算作比较，根据表1的设计参数得到4种不同水力涡轮发电机组输出功率随水流速度变化关系，如图1所示。

图1 4种水力涡轮发电机组输出功率随水流速度变化关系曲线

1.2.2 水力涡轮发电机组性能测试方案

针对上述4种不同形式的水力涡轮发电机组开展4组相关性能测试，测试方案及试验内容见表2。

表2中，试验河道内水流流速并未与表1中设计入流流速相同的原因为：大渡河主河道适逢洪期，故试验改在分河道内进行；试验(Ⅲ)是基于试验(Ⅰ)基础上对多级水力涡轮发电机组进行入口安装扩口汇流装置，故水流流速低于设计入流流速。相比于试验(Ⅰ)-试验(Ⅲ)，试验(Ⅳ)采用了液压动力传递代替二级齿轮箱动力传递，以万向节连接水力传动轴，叶轮带动油泵转动，油泵将低压工质油增压至10 MPa以上，高压工质油通过调速阀进入油马达，驱动发电机转动，产生电能，以减少齿轮箱制造成本和安装对实验的影响。图2 — 4为试验过程中所用叶轮，水力涡轮发电机组测试装置和负载测试用碘钨灯。

表2 水力涡轮发电机组性能测试方案

表3 水力涡轮发电机组功率测试结果

2 试验结果分析

按照上述试验方案对4种不同类型水力涡轮发电机组在不同河道内性能进行测试，并定义试验误差计算公式为

(3)

试验结果见表3，理论输出功率由图1获得。

图2 叶轮

图3 带有扩口段的水力涡轮机组测试装置

分析表3中测试功率与理论功率误差，5 kW级和50 kW级水力涡轮发电机组功率误差较大，分别为12.67%和13.64%，造成该误差的原因为：大渡河适逢洪期，河水中含有大量泥沙，密度高于设计值1 000 kg/m3；洪期分河道中河水流量变化较大，测量过程中近似认为河水流速为1.2 m/s，故而造成测试值高于理论值。

表4 水力涡轮发电机组功率计算结果

图4 负载测试用碘钨灯

对实际使用的叶轮来说，试验中能量利用系数Cpt可按式(1)变换进行计算[13]

(4)

式中：Cpt为试验测试能量利用系数，包括机械传动效率和发电机效率；Pt为试验测量水力涡轮发电机组输出功率，W；P0为水流经过叶轮可用能，W。

P0的计算公式为

(5)

由式(4)和式(1)可计算获得4种不同类型的水力涡轮发电机组的试验测试能量利用系数和额定工况时的输出功率，计算结果见表4。

由表4可发现，按现有试验条件对能量利用系数进行了计算，得到试验工况下的各功率系数，进而计算得到10，5，1，50 kW级在额定入流流速工况下的输出功率分别为10.13，5.50，0.92，41.67 kW，表4中功率误差与表3中功率误差基本相同，满足设计要求，试验方案合理。

在试验(Ⅰ)中，表3所示10 kW级水力涡轮发电机组在水流速度为1.2 m/s时，未安装扩口汇流装置测试发电机输出功率为0.65 kW，安装扩口汇流装置测试发电机输出功率为3.00 kW，此时叶轮前方水流流速为2.0 m/s；根据表4计算结果，当叶轮前方水流速度为3.0 m/s时，发电机输出功率为10.13 kW。该试验说明，水流能直接发电技术可行，在叶轮前方安装扩口汇流装置可增加水流量，进而提高水力涡轮发电机组输出功率。

在试验(Ⅱ)中，测试了未安装扩口汇流装置的5 kW级3级水力涡轮发电机组，表3所示在水流速度为1.7 m/s时输出功率为3.38 kW，大于理论输出功率3.00 kW，此时功率系数Cpt=0.406(见表4)，高于单级叶轮设计值Cp=0.36(见表1)；若此时叶轮入口水流速度达到2.0 m/s时，发电机输出功率可达到5.50 kW，满足设计要求。该试验说明多级水力涡轮机利用水流能直接发电可以提高发电效率，是实现大规模集群水能流发电的有效方法与技术。

在试验(Ⅲ)中，河道选择为山区小河，该河流水流速度较低，故而采用3级叶轮，并在入口安装扩口汇流装置，以提高能量利用率。在河水流速为1.3 m/s时，涡轮入口水流流速约为2.0 m/s，发电机输出功率为0.92 kW，与理论值0.85 kW相符，具体见表3。该试验表明，多级叶轮前方安装扩口汇流装置有助于集聚水流，增加水流量，这种小型发电装置适合广大山区农村使用，在小河、小溪中可以方便地得到电能。

在试验(Ⅳ)中，设计了50 kW级10级水力涡轮发电机组，如前所述，该试验采用液压动力传递方式代替二级齿轮传动(见表4)，当水流速度为1.2 m/s时，发电机输出功率为9.00 kW；若水流速度达到设计值2.0 m/s时，发电机输出功率可达41.67 kW，基本达到预期的目标。该试验表明，多级水力涡轮发电机组采用液压动力传递方式代替二级齿轮传动，方案可行。

另外，试验(Ⅱ，Ⅲ)中水力涡轮发电机组均采用三级叶轮，叶轮直径分别为1.2 m和0.5 m，其能量利用系数Cpt分别为0.406和0.390，说明叶轮直径大小是影响多级叶轮输出功率的主要因素，直径越大，输出功率越大；相比于试验(Ⅱ，Ⅲ)，试验(Ⅳ)的叶轮直径为1.8 m，能量利用系数Cpt为0.409，与试验(Ⅱ)的Cpt=0.406几乎相同，说明在叶轮直径变化不大的情况下，增加叶轮级数可能会降低能量利用系数，造成该现象的原因为：随着叶轮级数的增多，末级叶轮入流条件复杂，受前方叶轮尾迹流动影响，湍动耗散效应增强，使能量降低，故而输出功率降低。

3 结论

本文对不同功率的水力涡轮发电机组在相应测试河道内进行试验研究，分析了叶轮直径、叶轮级数、传动方式、水流入流是否有扩口汇流装置、及河道流动特性对水流能涡轮发电机组输出特性的影响规律，得到如下结论。

(1)水力涡轮发电机组利用江河中水流能发电技术可行，在叶轮前方安装扩口汇流装置可增加水流量，提高了发电机组输出功率。

(2)采用多级水力涡轮机可以提高水力涡轮发电机组发电效率，在叶轮入口处安装扩口汇流装置，助于集聚水流，提高发电效率，该发电方式可应用于广大山区农村小河和小溪中，亦可实现江河大规模集群水能流发电。

(3)采用液压动力传递方式代替二级齿轮传动方案可行，降低了齿轮箱制造成本和安装对试验的影响。

(4)多级水力涡轮发电机组中，在涡轮级数和设计能量利用系数相同时，影响功率输出的主要因素为叶轮直径，直径越大，输出功率越大；受叶轮尾迹湍动耗散的影响，增加叶轮级数会导致输出功率降低。