英国泰晤士河上的皇家电站

［英国］D.德洽博

1881～1884年，世界上第1座商业水电站的投运发电，点亮了英国萨里郡高达明村的街灯。早在这之前，英格兰率先在工业时代即已开始利用水电。

大约在121 a以后，现在的英国可再生能源公司(NPower)即着手在伊顿(Eton)和温莎(Windsor)之间设计罗姆尼(Romney)堰坝水电系统，期望以此能为温莎城堡的英国皇家官邸供电。然而该设计被证实为成本高昂，因此从未实施。

2007年，作者组建了西南电力工程公司(SEPEL)，并从埃尔姆布里奇(Elmbridge)镇摩尔(Mole)河上的堰坝开始，沿着伦敦通勤者居住带，勘测英国可供开发的小水电蕴藏量。英国环境署(EA)指派了一名电气工程师协助勘测工作，并提供进入堰坝的交通工具。SPEPEL研究了泰晤士河上的45座堰坝坝址，并编制了该河第1份水电蕴藏量报告。

2007年下半年，非常巧合，就在英国环境署的工程师和作者在坝址视察NPower公司项目进展情况的那天，NPower公司宣布放弃温莎坝址。由于已完成了项目的环境研究论证，因此罗姆尼堰坝成为开发的首选。

通过先进及恰当的技术选择，并与环境署的渔业、航运和洪水控制部门进行良好的协商、研讨，将NPower设计的装机容量从200 kW左右提高到现在的近320 kW。

2008年上半年，英国环境署和SEPEL达成了高层条款协议，SEPEL向英国环境署租用温莎堰坝，用以开发该河的第1座水电站。英国环境署和SEPEL一致同意将该坝址作为开发其他堰坝的试验性工程和样板。为此，必须对温莎坝址开展环境影响评估，以证实所设计水电站的安全性和环境友好性。

最终，与皇家官邸以其专用金之名签订了电力采购协议(PPA)。

2 独特的水轮机

该水电站对土木工程的需求相当低，根据设计参数以及对鱼类和环境友善的原则，SEPEL的工程师经过审慎研究，决定选择基于螺旋泵技术的水轮机。事实上，SEPEL已经注意到了有关英格兰达特公园(Dart Park)河安装螺旋泵开展的研究:有超过1 000条鱼被卷进了水轮机，包括长0.5 m的鲑鱼、各种大小的鳟鱼和鳗鱼等，然而没有一条受伤。

SEPEL花了2 a时间开展研究，对欧洲的4家主要螺旋泵制造商进行了严格的技术评估，最终选择了荷兰的一家公司作为供应商。

该水电站选用的水轮机在几个方面都是独一无二的，SEPEL获得了欧盟再开发基金的资助，以用于技术研发。温莎水电站水轮机将是首台采用这种规模(94 t/台)的螺旋泵，具有调整角，可以根据流量变化以跟踪河水水位。该工程的工程师团队坚信，由于减少了效率损失，将使发电量提高4% ～6%，因为尾水位升高时，通常将会淹没螺旋泵，从而导致搅动或泵送损失。

除了水轮机规模最大以外，温莎水电站的水轮机还是世界上首台采用5片叶片的螺旋泵。SEPEL相信，与相同直径的4叶片螺杆泵相比，5叶片将使出力提高9%左右。

为了能够承受2台流量为11.2 m3/s的螺旋泵及其所有的重量和相关的应力，还需要在堰坝设计方面做大量的工作。SEPEL不得不将堰坝的防冲长度增加2 m，延长闸墩(堰墙)，以适应这些巨大的水轮机。为此，设置有枢轴点和水轮机安装架，而且围绕1～4号港湾修建了一条围堰，将一块大小合适区域的水排干。为了加强对水轮机的防护力度，将河床防撞桩打入海平面2 m以下。

由于水轮机的重量和大小，安装极具挑战性:堰坝在2座岛之间，不通公路，因此，SEPEL不得不将所有设备(甚至重为120 t的起重机)运至下游2 km处，再用驳船运至工地。其间，发生了几起事故，差点将水轮机掉进河里，有2次几乎失去起重机。最后，一切顺利完成，现在SEPEL只需完成架线和开始试运行。

机组通过一条专用线路直接与温莎城堡相连，线路长约1 km。线缆必须跨过河流、下穿铁轨和达切特(Datchet)市公路、越过女王的后院、上到山顶并进入城堡的地下室。机组在2012年10月中下旬开始试运行。

3 工程概况

2台直径为4 m的螺旋泵水轮机已经安装在罗姆尼堰坝上，最高出力共约320 kW。按照英国环境署的要求，水轮机由定制的可变转速驱动系统控制，由帕克(Parker)控制公司根据SEPEL的规范制造，将螺旋泵的转速控制在0～22 r/min，且堰上水头的波动在1 cm内。

机组电压为400 V，升压到11 kVA，由长为1 km的专用线路将电力输送到城堡。系统的年输电能力约为180万kW·h，为400多个房间(或更大的城堡)供电绰绰有余!

水轮机的角度可以分别调整以适应不断变化的水位，调整范围为0°～22°。河水位发生变化时，利用4个液压缸来自动控制和调整2台重达94 t的水轮机。

每台水轮机有5片叶片或螺旋线，流量可达11.2 m3/s，发电 160 kW(共计 320 kW)。

水轮机旁设置有1条可供鸥亚目鱼类通过的鱼道，这样，在214 a时间里，所有种类的鱼和鳗鱼首次可以上溯到温莎堰的上游。

通过公开投标的方式，SEPEL还获得了在英国环境署下辖的其他3处堰坝坝址处承建水电站的任务，将在泰晤士河的贝尔(Bell)和马洛(Marlow)堰坝上修建水电站，同时，也将在摩尔河上的威尔达克(Viaduct)坝上新建一个发电系统。泰晤士河上2套新的系统将为附近的旅馆供电，摩尔河上的发电系统将为电网供电。