模拟水下世界

　　一群身处“欧洲硅谷”的阿尔斯通工程师，正在实验室里研究如何满足中国客户对“大功率”的追求，或者让水轮机和鱼类和平共处。

　　文｜CBN记者 倪妮

　　在各种大型机器的包围下，一名工程师正盯着两块并排着的液晶屏幕。一块屏幕上呈现着水下的情景，仔细看，还能察觉出水的流动；另一块屏幕上是一组曲线图，分别代表着水流速度、水轮机转速等参数。这可以帮助工程师们看到肉眼无法看到的水轮机内部的情况。

　　作为阿尔斯通法国格勒诺布尔水电实验室中的一员，他和这里另外49名工作人员，每天的工作免不了要和“水”打交道—不过，并不是水电站中的水。

　　水电装机容量占全球25%以上份额的阿尔斯通，在全球各地建有6个水电技术中心，其中，位于巴黎东部的格勒诺布尔中心是最大的一座。这里统筹着阿尔斯通各式水轮机的全球研发业务，并拥有可以模拟水电站实际运行情况的6座全尺寸水轮机测试平台。阿尔斯通为中国向家坝水电站提供的4台水轮发电机组，就是在这里测试研发的。去年6月，它们已全部投入使用。

　　所以，格勒诺布尔技术中心中的工程师们每天接触的“水”，只是封闭式测试台中的水，更准确地说，其实是通过流体动力学（CFD）信息技术在计算机上呈现出的“水”—毗邻阿尔卑斯山的格勒诺布尔，因机器制造、冶金、电机、电子等产业发达，也有“欧洲硅谷”之称。

　　“从试验台数量和测试数量来看，这里堪称全球最大的水电实验室。”阿尔斯通水电业务研发和产品管理副总裁Maryse Fran?ois-Xausa对《第一财经周刊》说。目前，该中心内正在研发和试验50个水电新项目、65个改造项目以及747个服务项目。

　　走进格勒诺布尔水电中心，随处可见那些令人望而生畏的复杂机器。比如该中心最近增加的一台抽水蓄能水轮机测试台，近两层楼高，面积相当于半个足球场。它能够测试功率为450千瓦、水头（水从大坝高处落入低处的高度）为140米的水轮机。

　　水轮机的所有部件会按照项目需要以1:5或1:30的缩尺比例制造成模型，然后在测试台上进行稳定性、水推力、动力等方面的模拟测试。

　　一座水电站得以运行需要3个条件：额定的水头以产生水压；释放的流量来转动水轮机；一个固定的转速，从而能在电网允许的频率下发电。而测试台则会使用水箱来代替上下水库并形成高度落差，用泵来为水流加压，利用变速发电机模拟转速。

　　这些“模拟水电站”的精密程度和技术含量，堪比真实水电站。

　　为了更精准地测试水轮机性能，尽可能地延长机组寿命及降低后续维修成本，测试台上遍布着大约60个传感器，它们会不间断地记录水轮机的所有物理参数，工程师们则会通过调整参数值，来测量水轮机在各种条件下所能承受的极限。能共享最新技术成果的阿尔斯通6个技术中心，测试误差水平目前都在0.2%至0.3%左右。

　　而格勒诺布尔技术中心还拥有两个“秘密武器”：激光多普勒速度仪和Fast Cam水下高速摄像机。前者可以利用激光束测量水流速度，这样就不用再安装相应传感器，以免影响水流；后者则能够拍摄出水流过水轮机转轮模型一瞬间的超慢镜头图片。这可以帮助工程师们来呈现水轮机内部的情况—这些情况肉眼无法看?到。

　　此外，该中心刚刚升级了其数据采集系统，将同时记录的动态参数从原先的不到20个，增加到了50个。

　　不同于间歇性的风电、太阳能，水电拥有可再生、可持续、成本效益高等优势。目前，水力发电占全球总发电量16%以上，占全球可再生能源发电量的比例更高达80%。考虑到全球仅开发了33%的水力资源，以及对电力越来越庞大的需求，在可预见的范围内，水电或许仍将是全球最重要的清洁能源。

　　然而，与风能、太阳能相比，这也是一个极易引起争议的清洁能源，比如阿尔斯通也参与了的三峡水电站，就引起过不少破坏生态环境的争论。

　　据Fran?ois-Xausa介绍，阿尔斯通的欧美客户已经提出诸如“让水电站降低对鱼群迁徙的影响”等要求。由于快速的压力变化、部件之间的空隙会困住鱼类以及被叶片击中，水轮机常常会导致鱼类死亡。

　　格勒诺布尔技术中心正在负责领导研发一种“鱼类友好型”技术。它从导致鱼类死亡的几方面原因入手，比如让水轮机叶片间的交叉处和水轮中心齐平，从而减少能够困住鱼类的空间，并且在设计叶片时尽量降低被击中鱼类的伤害程度。这样，水轮机在下游鱼群迁徙期间就不需要关闭，以免影响发电。

　　中国客户同样会有很多特殊要求。目前，阿尔斯通在中国大型水电市场大约占据20%的份额。“正在建造新水电站的客户，越来越需要大功率的机组，因为少量但功率大的机组是一种更具成本效益的解决方案—尤其是来自中国和巴西的客户，会更多地提出这种要求。”Fran?ois-Xausa说。

　　比如阿尔斯通为向家坝水电站所提供的机组，每台水轮机的功率达到80万千瓦级，重量超过400吨，是迄今全球最大、功率最强的发电机—建造如此庞然大物之前，对其模型的测试精度，必然会提出更高的要求。事实上，向家坝水轮机的缩尺模型直径也达到了4米。

　　由于中国的机组功率都很大，为了在非满负荷运转的情况下储存剩余的水电，中国客户还会要求这些大功率机组同时能够以20%至30%的低功率运行。为此，格勒诺布尔技术中心的工程师们需要研究相应的技术，并不断增加测试条件。

　　去年9月，已是阿尔斯通全球最大水电设备工厂的天津基地，也引入了一座水轮机模型试验台，并成为阿尔斯通全球第6座技术中心。这意味着，它离有各种“刁钻”需求的中国客户更近了。