一种自适应双向微横流涡轮系统，配备单向旁路，用于水智能网络中的变流量能量采集：设计与验证

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A self-adaptive bidirectional micro crossflow turbine system with unilateral bypass for variable-flow energy harvesting in water intelligent networks: design and validation

　　姚瑶|沈志成|杜继云|王启亮|卢琳|杨红星
香港理工大学建筑环境与能源工程系可再生能源研究小组（RERG），中国香港

**摘要**
由于城市供水管道中复杂的流量波动，为智能水网（WIN）系统的数据监测和传输设备提供可靠且连续的电力供应，同时确保正常供水仍然是一个挑战。本研究开发了一种具有单向旁路的自适应双向微横流涡轮系统（SBTU），以更好地适应大都市供水系统的复杂水力条件。特别设计了一种创新的适应性偏转装置，能够根据流量变化动态调整旁路通道的几何形状。建立了六个具有不同偏转角度的涡轮流体力学模型，并通过数值分析其发电性能和流场特性，以确定设计运行条件下的最佳偏转角度和扭转弹簧刚度。随后制作了该系统的原型进行实验室测试。数值结果表明，在设计流量1.5 m/s时，偏转角度为35°的模型表现出比其他配置更好的水力性能和流场行为。实验室实验进一步证明，在城市管道中典型的流量波动范围内，SBTU能够实现高达280.05 W的功率输出，同时保持水头损失低于7.52 m。这些发现证实了适应性偏转机制在流量波动条件下的卓越调节能力，并表明SBTU能够满足在复杂多变水力环境中运行的WIN系统的电力供应需求。

**引言**
在全球许多国家和地区，城市的快速长期发展使得市政供水管道变成了庞大且高度互联的网络，其功能类似于城市的血管系统[1]。由于这些管道网络的大规模和结构复杂性，城市供水系统经常遇到管道老化、泄漏和堵塞等问题[2]。这些挑战因许多市政网络漫长的建设历史而变得更加严重[3]。这些问题大大复杂化了供水管理，并增加了大规模服务中断的风险。为了解决这些问题，越来越多的城市开始部署智能水网（WIN）[4]。WIN在监测水力条件、提供泄漏预警和确保水质监控方面发挥着关键作用[5]。它们的功能依赖于在管道系统内部广泛部署传感器和仪器，包括流量计、压力传感器和水质监测设备[6]。传统上，这些设备由传统的化学电池供电，但受到容量有限和服务寿命有限的限制[7]。因此，可能会出现意外的电力耗尽，从而影响WIN的运行，可能破坏连续的供水监测和管理[8]。此外，更换电池需要大量人力和多个市政部门之间的协调，给城市运营带来不便并增加维护成本[9]。这些挑战突显了为WIN传感基础设施提供更稳定、可靠和成本效益高的电力供应解决方案的迫切需求。因此，关于可持续管道内能量收集技术的研究已成为实现智能水管理系统长期自主运行的一个有前景的方向。

从市政供水管道中收集微水力发电已成为为WIN内的仪器供电的一种有前景的方法[10]。这种策略可以减少对传统化学电池的依赖，并减轻与电池更换相关的维护工作[11]。它还为布线成本高昂或不切实际的地方提供了替代方案，从而提高了分布式传感和监测的部署灵活性[12]。在现代城市供水网络中，主管道的压力通常超过消费者端所需的水平，因此通常通过减压阀（PRVs）来消耗多余的水头，以满足下游服务需求[13]。这激发了利用微水力在供水网络中进行能量回收的研究，包括可回收潜力的案例演示[14]，以及用具有量化效率和经济可行性的液压调节泵-涡轮（PAT）替代PRVs的研究[15][16]。最近的工作通过系统综述[17]和复杂网络中商业能量回收设备的技术经济比较[18]进一步巩固了部署前景。

多项研究探讨了从管道水力条件中发电的可行性。Carminati等人[19]开发了一种用于无线水质监测系统电池充电的动能收集涡轮，在8–12 L/min的流量下实现了0.3–0.47 W的输出。Hoffman等人[20]设计了一种适用于家庭管道的旋转径向通量能量收集器，能够在20 L/min的流量下产生720 mW的功率。Hao等人[21]提出了一种无电池的智能电子流量计，结合了微型涡轮发电机，通过专用集成设计有效消除了更换电池的需要。这些研究主要集中在为单个设备或小规模监测单元供电，并主要安装在供水网络的下游部分，因此不适合大规模WIN部署。其他工作研究了供水系统中的减压策略和基于涡轮的能量回收。Ramos等人[22]比较了PRVs和PAT，展示了PAT在水力能量回收方面的潜力。Carravetta等人[23]研究了通过旁路系统和调节阀控制水头和流量来调节PAT性能的方法，而Du等人[24]展示了PAT在高层建筑供水系统中的可行性，报告在10 m3/h的流量下峰值输出为110 W，伴随着34 m的水头损失。尽管有效，但基于PAT的系统通常会带来显著的水头损失，使其不适合主管道，因为主管道的允许水头损失对供水可靠性有严格限制。一些研究人员还探索了专为紧凑和直径较小的管道设计的管道内涡轮概念。Yang等人[25]设计了两种类型的垂直轴管道内涡轮——提升型和阻力型——证明阻力型涡轮具有更稳定的启动性能，并且所需的临界流量更低。Chen等人[26]开发了一种适用于DN100管道的新型横流涡轮，具有结构简单、安装方便和适用于高速度、低压管道的特点。为了解决流量变化问题，Du等人[27]提出了一种具有可调机制的在线横流涡轮，能够在1.5–2.0 m/s的流量下将水头损失限制在5 m以下。Bizhanpour等人[28]进一步分析了使用偏转板在可变流量下提高性能的方法。最近的工作进一步扩展了供水网络中自供电设备的概念。Sinagra等人提出了一种自供电的多参数传感器和阀门（SWAMM），集成了微型横流涡轮、内置发电机和基于移动滑块的水力调节机制[29]。通过实验校准的流量自适应控制策略，该设备实现了高达100 W的电输出，在2 L/s时约为50 W，同时支持流量监测、LoRaWAN通信和阀门功能。这项研究展示了将能量收集与传感和水力调节集成在WDN节点中的强大潜力。然而，其主要目标是基于流量调节的多功能传感和阀门单元，而本研究则专注于用于城市主干管道的被动双向微涡轮，其中不确定的流动方向、大的速度波动和严格的水头损失限制是设计问题的主导因素。

尽管取得了这些进展，但大多数先前的研究要么专注于最大化能量提取，要么在稳定的下游流动条件下运行，对城市主干管道的实际和严格条件考虑有限。在这样的系统中，会出现两个关键挑战：由市政供水动态驱动的双向和不确定的流动方向，以及由于需求变化、泵调度和系统调节导致的大范围时间流量波动。城市供水系统在长时间运行下并不完全是单向的。定量研究表明，流量反转并非假设。在一项随机需求分配研究中，大约30%的管道出现了每日流量反转，而在时间平均模型中这一比例为15%[30]。Zhao等人[31]在一个实际供水网络的选定管道部分发现24小时内的反向流动时间比例为5.3%-21.1%。此外，Wright等人[32]证明，在实际供水网络上进行动态DMA操作可以将平均区域压力降低多达6.5%，表明阀门状态和局部水力路径在实际运行中可能会变化。Husband等人[33]在主干管道研究中也报告了与反向流动相关的水力试验，进一步证实了实际系统中可能会出现方向不确定的情况。因此，这里的重点不是每个主干管道都频繁改变方向，而是在多源和可操作重构的WIN中，候选安装节点的局部流动方向不能在长期服务中始终得到保证。在这种情况下，即使是间歇性的反向流动也足以证明永久安装的管道内能量收集器的双向兼容性。根据香港水务署（WSD）提供的数据，高度动态的主干管道中的流量通常在1.0 m/s到3.5 m/s之间变化。在这个范围内，必须在低流量下有效收集能量，同时在高流量下严格控制水头损失，这激发了本双向和自适应涡轮设计的需求。

为了应对城市主干管道固有的上述挑战，本研究提出并开发了一种具有单向旁路的自适应双向微横流涡轮系统（SBTU）。该系统包含了一种创新的适应性偏转机制，能够动态调整单向旁路的几何形状，从而自主响应管道流动条件的变化。在这项工作中，构建了六个对应于不同偏转角度的流体力学模型，并进行了计算流体动力学（CFD）模拟，以分析涡轮的发电性能和内部流动特性。这些模拟有助于确定设计点流量下的最佳偏转角度和扭转弹簧刚度。基于CFD优化的配置，随后制作了SBTU原型并进行了实验室测试。实验测试结果验证了涡轮在真实管道条件下的适应性和运行可靠性，展示了其强大的技术竞争力和在智能水网络中大规模部署的巨大潜力。

**方法论**
本研究采用的整体研究工作流程如图1所示。在最终确定微水力涡轮的设计配置之前，必须定义设计基础。根据WSD的数据，城市主干供水管道中的流量波动范围通常在1.0 m/s到3.5 m/s之间。为了确保可靠的供水性能，主干管道内的水头损失应控制在8 m以下。此外，为了保证稳定和长期的电力供应……

**讨论与分析**
在本部分中，从原型实验中获得的实证发现验证了流体力学模型产生的数值模拟结果，从而证实了数值分析方法在预测水力涡轮运行属性方面的准确性。随后进行了全面的数值分析，以研究旋转定位对水力涡轮性能的影响……

**确定扭转弹簧刚度系数**
基于上述分析，选择案例5作为设计运行条件，流量为1.5 m/s，上游旋转偏转角为35°。由于案例5中的最大效率出现在TSR为0.88时，因此采用该值作为设计TSR。对于较低的设计限制，即流量为1.0 m/s时，偏转角设置为45°，以完全关闭环形间隙，从而在低流量条件下增强发电能力并满足……

**作为案例研究的性能评估**
在完成实验室性能评估测试后，使用了当地WIN系统90天的实际水流数据来模拟一个实际工程项目的能量性能作为案例研究。具体来说，香港WIN管道中记录的流量-时间序列被用作输入，以表示需求驱动的波动。然后使用测量的功率-速度性能曲线模拟了SBTU的相应电力输出……

**技术经济考虑和实际实施**
除了涡轮方面的性能外，对城市智能水网络同样重要的是水力节点的电力供应策略。特别是在传统应用中，连续的高负荷数据传输往往受到电池容量的限制，而所提出的自供电SBTU系统能够在不降低传输频率的情况下实现不间断运行，从而延长电池寿命。因此，对仅使用电池的系统与SBTU系统进行实际的成本比较是很有必要的。

**结论**
本研究提出了一种具有单向旁路的自适应双向微横流涡轮系统，该系统能够在水力条件变化较大的供水管道中实现发电。开发了一种自适应导流系统，以调节涡轮在广泛流速范围内的性能。设计了六种不同的上游旋转导流角度配置，并通过数值分析和实验验证来明确导流角度对系统性能的影响。

**作者贡献声明**
姚瑶：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、数据整理、概念化。
沈志成：方法论设计、研究工作、概念化。
杜继云：撰写与编辑、方法论设计、概念化。
王启亮：撰写与编辑、验证、软件开发、方法论设计。
卢琳：撰写与编辑、方法论设计。
杨宏伟：撰写与编辑、监督工作、项目管理、方法论设计。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

**致谢**
本研究得到了香港特别行政区政府创新与技术基金（项目编号：ITS/240/18FP）的资助。作者特别感谢香港特别行政区政府水务署的合作与支持。