水电设备环保问题的研究

水电设备环保问题的研究

据估计，到2025年，世界能源需求将翻了一番。在低碳经济时代，水资源无疑是解决人类能源需求并减少碳排放的首选。但是,随着人们环境保护意识的加强,与水力发电相关的水轮发电机组的一些环保问题引起了越来越多人的关注。这些问题主要表现为:水电厂的振动噪声及电磁辐射问题;水轮机漏油污染环境的问题;水轮机运行时转轮伤鱼的问题以及水电机组材料污染环境等问题。今后,随着人们环保意识的增强,水电机组设计制造中的环保问题将逐渐提高到重要地位。因此,未雨绸缪,研究水电机组设计制造中的环保问题有深远意义。1原子能工业的振动噪声和辐射1.1振动噪声水电厂的振动和噪声历来为环境公害,故在水电站机电设计中需采取措施降低振动和噪声。1.1.1影响因素选取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。在水轮发电机组的设计选型中,应采取措施降低机组的振动水平。1.1.1.转子流道设计为了减小水电机组的振动,在水力设计方面,应把机组稳定性放在首位,合理设计转轮及水轮机流道,增大转轮固有稳定运行范围;设计转轮叶片、导叶时,零部件的频率应避开卡门涡的频率;正确设计尾水管压力及流速分布,降低尾水管内的压力脉动;还可以采用加设稳定装置、尾水管补气等措施。1.1.1.降低谐波量为减小电磁振动,设计水轮发电机定子绕组时,可以采用分数槽绕组、斜槽、分布布置式并联支路和磁性槽楔等措施,减小谐波分量,降低高次谐波振动和次谐波振动;提高制造质量,消除定子合缝面间隙和错位,减小铁心波浪度,降低电磁振动。1.1.1.3.机器安装在机械设计方面,要提高制造和装配质量,消除机组转轮偏心、曲折、定转子中心不重合、转动质量不平衡等现象。1.1.2发电机噪声降低水轮发电机组噪声是另一个污染环境源。水电机组噪声包括电磁噪声、空气动力噪声和机械噪声。电磁噪声来源于水轮发电机的电磁振动,因此降低电磁噪声要减小定子产生的高次谐波,提高气隙磁场分布的均匀性;消除发电机定子叠片松动、定子合缝面大、不对中等现象。减小空气动力噪声的办法是合理设计发电机的通风元件和风路,降低旋转噪声、涡流噪声和鸣笛噪声。降低机械噪声要提高发电机转动部件质量的平衡度,还要降低电刷噪声、轴承噪声,消除转动部件与固定部件相擦产生的噪声,消除水电机组运行时零部件破断、脱落等产生的异常撞击噪声。1.2规范电磁干扰,限制磁阻水电厂很难避免各种各样电磁辐射的存在,这对工作人员健康和电子设备的安全易造成不良影响,甚至会产生破坏性的后果。水电站中,水轮发电机、电动机、高压开关柜等的高次谐波和控制设备元件的信号、谐波都可能是一种污染、一种干扰源。电磁辐射造成水电厂运行环境恶劣,其干扰源多而杂,很难全部消除。美国联邦通信委员会(FCC)早于1983年即颁布了20780文件,对计算机类器件的电磁干扰(EMI)进行限制;德国有关部门也颁布了限制电磁干扰的VDE规范,其在放射与辐射方面的约束比FCC规范更严;后来,欧洲共同体又在VDE规范基础上增加了RF(射频)抗扰性、静电泄放和电源线抗扰性指标。这些指标可对真机,包括主辅机进行准确测量,如实地反映真机状态,及时发现并处理真机振源。特别是在线监测和微机巡检可迅速及时地发现问题,亦可记录被测量对象的测量时间、幅度、频率等参数,有利于科学分析判断真机的状态和问题所在。在水轮发电设计中,要从设计源头开始,尽量降低电磁场中高次谐波的含量,避免高次谐波的共振;尽量降低电子器件的电磁辐射强度,并采取工程措施减少对人体的辐射量。2水轮发电机组油污染的成因世界各国,水轮机(尤其是转桨式水轮机)漏油污染是一个老大难问题,是水电机组运行中的重大环境问题。近20多年来,特别是在欧洲和北美,对水轮机漏油污染环境的问题越来越重视,这就催生和促使水力机械行业进行有关的研究与开发。水轮发电机组中主要有3个区域存在油泄露问题:发电机推力轴承、水电机组导轴承和水轮机导叶轴承、轴流式水轮机转轮体。其中以轴流式水轮机转轮体的漏油问题最严重。下面介绍几种减少水电机组油污染的结构。2.1第2阶段20022002年1990年代初,GE水电公司就启动了一项研究和开发计划,目标是为轴流转桨式转轮寻求环保方案。具体来说,解决水电厂漏油问题实际上经历了两个阶段。第一阶段是采用压力循环式供油技术,减少转轮轮毂中的油量,从而减少漏油污染。这主要通过在转轮轮毂下部安装一台组合式液压发动机和泵来实现,以便将压力油引入转轮轮毂里侧的轴承用作润滑,再通过主轴将油送回到转轮轮毂外油循环系统(见图1)。水轮机以正常转速运行时,磁力阀将润滑油开启,这将有助于保证泵不会长时间在干燥环境下运行。转轮采用了一种特殊密封结构,以确保油不渗漏到流道中。1990年代末期,GE水电公司第一台采用压力循环式供油的水电机组订货,机组运行后效果较好。第二个阶段是开发无油水轮机转轮体,从根本上解决水轮机漏油污染环境的问题。鉴于市场需求的增加,针对传统设计的大型轴流转桨式水轮机转轮轮毂中装有大量润滑油的情况,GE水电公司很早就开发了减少或取消其中润滑油的技术。1998年,GE水电公司制造的首台无油轴流转桨式转轮安装于瑞典Porjus水电中心的研发机组上,该机组转轮体中充满了水,且装有6种类型的永久润滑油轴承材料。2001年10月,采用无油设计的第一台商业机组在瑞典安装投入运行。2002年8月,第二台无油技术的商业机组安装投入运行。到2003年秋,同样采用无油技术的第3、第4、第5台商业机组也安装并投入运行。GE水电公司制造的Porjus电站9#机无油轴流转桨式转轮体见图2。考虑到在转轮检修平台检查操作机构,接力器放在下端,所有轴承均为永久润滑型,故在没有润滑油的情况下,轴承也不会遭到破坏。2001年2月,Porjus电站9#机即投入运行,一直运行正常。在上述两个技术成功运行的基础上,GE水电公司又将这些技术运用于瑞典Ligga电站3#转桨式水轮机的改造上。该机组单机容量181.7MW,是世界上单机容量较大的转桨式机组之一。由于采用工地改造,不可能将原有连杆轴承改为永久润滑轴承,故转轮体内仍需保留大量的油,因此采用干箱式润滑法,以尽量减少润滑油污染。干箱式润滑法的原理见图3、图4。GE水电公司的构想是让油只进入转轮体内的轴承润滑,而不是转轮充满油。一旦完成润滑,油便通过轴再抽走。整个过程通过在转轮内安装一套组合式液压马达和泵来实现。所有轴承都是永久润滑轴承,即使没有油润滑也不会造成损坏。油从一个独立的液压系统中抽取。当水轮机在正常运行速度时,电磁阀会打开取油,这会有助于确保泵不会长期干式运转。用一个恒定的流量阀,使油流以精确的流量和速度流向所需的地方。轴上的控制管通过增加两个管或油槽进行改造,一个进油用,一个回油用。油槽设计应使静油压与原设计一致,油槽将转轮连接到大气压。两个油槽用带活节的软管适当地连接到马达/泵组上,这与小型水轮机类似(如图5、图6所示)。2.2发电机导轴承瑞典Waplans公司长期致力于低污染水轮机结构的研究开发工作,1980年,该公司为Dalstuga电站制成首台转轮体中有自润滑轴套的轴流式水轮机;1990年为Bruksfallet电站制成首台在转轮体中装有接力器的轴流式水轮机。1999年2月,为Rottnen电站18MW转桨式水轮机开发了一种自润滑导叶轴套和水润滑水轮机导轴承。Rottnen电站轴流式水轮机的显著特点在于其转轮体或导叶装置中没有润滑油,转轮体中采用了自润滑轴套,油只在接力器中出现,但少量的油可为微生物所分解。接力器置于操作架下游侧,以便能从下面检查检修活塞杆密封。水轮机导轴承则采用了水润滑型导轴承。第一台Waplans公司轴流式水轮机装配了推拉杆。推拉杆在转轮体中将操作架连接到置于发电机顶上的接力器上。从有利于环境的观点来看,这具有相当多的优点,因为在转轮体中没有一点油。由于接力器置于操作架下游侧,所以接力器活塞密封的维修比较方便,更换叶片期间在转轮体内无位移改变。因为位移改变易导致转轮体内压力过高或过低,这种压力反过来会磨损密封,同时也使水进出转轮体循环。由于离心力的清洁效应,如果有大的位移改变,污物就有带进转轮体的趋势,而这可以通过将接力器置于下游侧来加以避免。Rottnen电站水轮机转轮体剖面图如图7所示。2.3自润滑性轴瓦过去,水力发电机组的推力轴承瓦和导轴承瓦一直选用巴氏合金和橡胶类耐磨材料。1990年以后,世界各国逐渐推广到采用苏联研制的弹性金属塑料瓦。这些轴瓦具有自润滑性能,不仅可以提高机组轴承的可靠性,延长使用寿命,而且减少了推力轴承和导轴承的漏油。此外,水轮机叶片操作机构也采用了无油润滑的青铜氟塑料轴承。3新环保材料的选择3.1材料选择、机电设备水电站要确保安全可靠,需要采取得力的防火措施。若防治不力,发生火灾,机组受损不说,还会对环境造成污染。对此,水轮发电机可采用阻燃材料,水电设备可采用抗燃油。而在材料上,为适应现代环保要求,应逐步淘汰旧材料,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;选用环保耐用的配电导线的绝缘套等。在机电设备上,采用经环保论证鉴定的七氟丙烷、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离子感烟感温传感器,这些无害的现代产品可以避免劣质废品的离子产生放射源对人体和生物造成危害。3.2低毒溶剂漆近年来,水轮发电机用涂料和绝缘材料的环境污染问题也越来越受到重视,国内外电机绝缘已采用低毒溶剂漆,甚至用水溶剂漆取代传统易燃、易爆、毒性较大的溶剂;硅钢片涂漆则推广采用水溶性热硅钢片涂料、丙烯酸树脂半有机涂料、无铬环保涂料等环保涂料。3.3蒸发冷却介质水轮发电机蒸发冷却介质过去多采用氟里昂类物质CFC113,但该类材料对大气臭氧层有破坏作用,所以受到限制。为此,我公司与中科院电工所从1990年代初合作进行新蒸发介质的研究,对Fla、HFC-4310和HFCAR-3000等蒸发冷却介质进行了研究、试验。这些介质在性能上符合使用要求,蒸发温度适中、流动性好、传热能力强,无毒,无刺激性,使用安全。尤其不含氟元素,故不会破坏大气臭氧层,这类无氟蒸发介质已成功用于大寨电站10MW、安康电站52.5MW和李家峡电站400MW定子绕组蒸发冷却水轮发电机中。4环境保护因素水轮机作为公众利用水能的主要手段,一直处于不断的改进中。但以前的改进多集中在如何提高效率以及减少空蚀等层面,对环境保护因素关注不多,涉及较少。为了真正使水能开发成为一种可持续发展的行为,新的水轮机设计概念便呼之欲出。4.1新式水轮机ro3美国高德瑜教授发明了新式上流式开放出流水轮机。模型水轮机的设计、制造在美国完成,1999年底,模型水轮机在清华大学进行并完成了能量性能试验研究。尽管传统水轮机效率较高,但传统水轮机除了存在转轮出口附近压力过低、叶片易发生空蚀破坏等问题外,水力机组运行还会引发一些环境问题,主要是对下游水质及河道水生环境产生的不利影响。这些环境问题,在过去的设计工作中并没有得到足够重视。新式水轮机则避免了传统水轮机设计中的缺陷,环保型水轮机的设计如图8所示。新式水轮机最大不同之处(如图9所示)是在设计思路中兼顾了环保因素和能量性能的需求,结构简洁、紧凑,它由底座、针阀、蜗壳、转轮、转轮输出轴等组成。相比传统水轮机,新式水轮机采用了全新的设计理念:(1)明显改善水轮机下游河道水体的通气状况。由于新式水轮机采用垂直向上流道和接近尾水表面的开放出流方式,所以尾水直接接触大气,这可以增加空气溶入;另一方面,残余动能使尾气与大气剧烈混掺,从而改善了出口水流的通气状况,提高了水质。(2)新式水轮机系统使用垂直移动的流线型针阀,依靠其上下运动调节流速、流量,取代排列紧密的导叶,减少了由于机械碰撞引起的鱼类死伤。同时,其开放式出流设计也减少了空蚀破坏,避免剧烈的压力变化,减少了由此引起的鱼的伤亡,尾水水质的改善也更加有利于鱼类的生存。(3)向上的流动方向、分离式转轮流道及开放式出流设计等的综合运用,节约了可观的结构建设、维护时间和成本。4.2自动通风水轮机美国哈特韦尔电站机械维护人员和田纳西流域管理局(TVA)共同改装了4台水轮机,主要是加装导流片和通气道以显著改善下游水质。其导流片设计,在使自然吸气量最大的同时,可使水轮机效率损失最小。福依特-西门子水电集团为美国J.S瑟蒙德电站设计并制造的自动通风水轮机(AVT)增加了3个顶盖通气口,其叶片是空心的,前缘、后缘较厚。空气从顶盖贯入空心的叶片,水和空气在叶片后缘混合,后缘采用机械开槽,加强通气。福依特公司和TVA的研究表明,水轮机叶片后缘空气/氧气注入系统可最大程度地确保水轮机通风,并使效率损失最小。5鱼朋友的亲水机的设计和开发5.1开发不伤害和减少损伤鱼类的水环境和公众利益现代水轮机是早在20世纪初设计开发的,受观念局限,当时还没有将保护洄游鱼类通过水轮机时的问题纳入设计考虑范畴。20世纪后期,环境保护的呼声一浪高过一浪,水电机组伤害鱼类的问题浮出水面。现代化的水轮机必须有助于保持水质和保护水生野生生物。一般说来,伤害的可能性多取决于鱼类的尺寸、水轮机的类型及其尺寸、流速和运行条件等。从环境保护和公众利益出发,有的国家已开始就水电站鱼群安全通过问题进行立法。迫于法律压力和公众舆论,水电站要求制造厂开发不伤害或尽量减少伤害鱼群的鱼友水轮机。对鱼类友善的水轮机,尖锐叶片宜少,水轮机内压力梯度低,使鱼易于通过。5.2低水面机械伤害英、美诸多专业人士调查了水电站中鱼类受伤的原因,问题主要集中在大型水轮机上。鱼类受伤的几个主要原因可分为两大类:一类是机械原因造成鱼类受伤,如受活动导叶的直接撞击、鱼卡在狭窄通道之间被擦伤;另一类是因水力现象致伤,如水流中很低或很高的压力与剪切应力。低水头水轮机使鱼类受伤有下述7个具体原因:(1)直接与旋转的转轮叶片相撞,鱼的死亡率随转轮圆周速度的增加而增加;(2)由活动导叶和固定导叶等固定机械部件引起的擦伤,这种情况变化很大,取决于转速;(3)鱼卡在叶片末端与外壳之间受到擦伤;(4)鱼类从转轮高压侧移动到低压侧时,因压力急剧变化损伤其鱼鳔;(5)剪切力和湍流越大,鱼类受伤的可能性越大,水轮机通道中剪切力的最大值出现在转轮附近的狭窄分界线上;(6)空化现象,即水蒸汽气泡在低压区的形成和突然消失,通常出现在叶片边缘及其背面的尾部,一些鱼皆因水蒸汽泡消失时的高压冲击而死亡;(7)受污染的水质也可能改变上述物理伤害机制的影响。5.3鱼友水轮机工程解决鱼类受伤问题总的办法:一是设计水轮机时,通过改变入流条件,降低作用在叶片上的冲击力;通过加长叶片,降低压力梯度、湍流以及沿壁的剪切应力。另一种解决办法是在径流式水电站的水轮机中注入空气。注入空气,通过对水流的增氧,尤其在夏季低流量期间或暴雨之后,以补偿水流中降低的溶解氧。鱼友水轮机工程的主要目的是以计算流体力学(CFD)和鱼类伤害预估模型方法,探究现有水轮机对鱼类造成伤害的主要因素,以改进水轮机的水力和机械设计,减少其负面影响。这方面的研究,美国和英国走在了前面。1995年,美国能源部启动了“先进水电站水轮机系统计划”,资助VoithSiemens水电公司和Georgia工学院开展“最小间隙转轮”的研究,并资助阿登(Alden)研究实验室和北方研究工程公司开展鱼友水轮机转轮的研究。为促进有益于环境保护水电工程的发展,美国能源部还选择使用GE水电公司研发的有利于鱼类的水轮机技术。该公司水轮机设计为固定式桨叶转轮,无导叶或导叶较少,桨叶较长,计算表明鱼类死亡和受伤率可减少50%以上。此项设计最大限度地减小了水压梯度、高剪力区,并最大限度地减小了在水轮机流道中的无规律水流,诸如漩涡、低水压区和气穴等阻塞。与传统设计相比,采用减少闸门数量、降低水轮机转速的方法也提高了鱼类通过水轮机时的存活率。5.4近年来，主要鱼友收割机的开发5.4.1降低伤鱼率,提高存活率最小间隙转轮主要用于轴流式水轮机的设计。最小间隙是指叶片与转轮中心体之间的间隙尽可能地小,叶片尖与转轮室之间的间隙也尽可能地小。1995年,美国RockyReach电站在更换11台老式转桨式水轮机时,选用了意大利VoithRiva公司生产的最小间隙转轮转桨式水轮机,单机出力117MW。过鱼试验表明,伤鱼率由老式水轮机的6.1%降低到5%,降低了20%左右。1997年,美国一些实验室在RockyReach电站(1287MW)和Wanapum电站(900MW)进行过鱼实验,研究叶片伤鱼的机理、主要部位等,发现鱼通过中心体附近比通过叶片中部更容易受伤。1999年,美国在Bonneville电站第一厂房安装了1台改进型最小间隙转桨式水轮机(6#机,61.2MW)。1999年11月到2000年1月,进行了6#机和传统老式5#机过鱼对比实验。实验分5批进行,共放鱼7200尾,同时还放流一批“传感器鱼”进行实测。实验结果表明,采用最小间隙的转轮,鱼的存活率高于标准转轮。在叶尖附近,鱼的存活率由标准转轮的90.8%～95.6%提高到93.8%～97.5%。后来又放流5000尾鱼进行实验,发现最小间隙转轮的伤鱼率仅为1.5%,(标准转轮为2.5%)。此外,最小间隙转轮水轮机还使水轮机效率提高3%～4%。图10为美国Bonneville电站的最小间隙转轮。5.4.2dg/w增强型齿轮的特点ARL/NREC水轮机转轮是美国阿登研究实验室(AldenResearchLaboratory)和北方研究工程公司(NorthernResearchandEngineeringCo.)专门开发的一种新颖的鱼友水轮机转轮。如图11所示,该转轮流量为28.3m3/s,水头26m。初步设计时取转轮直径6.2m,约为传统转轮的2倍,但在第二阶段计算机模拟时,发现转轮直径太大,于是将其降为4m,并对转轮结构进行了改进。该转轮的新颖之处在于:可以使鱼安全通过转轮,且水轮机转轮效率仍然较高(约90%),空化性能非常好。ARL/NREC转轮有3个螺旋形叶片,叶片长度为宽度的数倍,从上向下呈螺锥形。叶片进水边很短,可避免鱼遭击打。转轮内水流的绝对压力很小,