海洋潮汐发电设备的优化和机型选择研究

2010-04-27哈尔滨电机厂有限责任公司刘孝忠

电器工业 2010年3期

哈尔滨电机厂有限责任公司刘孝忠

由于地球和月球或太阳之间相对的天体运动而引起海面的椭圆形周期性运行，不是高于就是低于平均海面。海面的上下运动称为潮汐，海水的水平方向运动称为潮流，它们的运动周期几乎相同，约为半日或一日。潮汐高度取决于地球的质量和半径、天体(月球或太阳)的质量，地球与天体之间的中心距离、潮汐在海面上所处的方位等。用于潮汐发电的潮差（涨潮和退潮两者之间的水位差）通常选在5m以上。潮流能量的特点是取决于每日两次的潮位变动和每月两次程度较大的潮位变动，而与季节无关。潮流同潮汐一样，流速呈正弦波状变化，其周期为12h25min。

1 潮汐发电原理

P=9.8 ηQH， kW

式中：η——能量变换的综合效率；Q——流量，m3/s; H——潮差，m。

潮流发电的功率P则按下式求得：

P=1／2 ηSV3， kW

式中：S——潮流断面，m3；V——潮流流速，m／s。

由上述2式可见：为了增加功率，应在电站选址时尽量选择潮差、流量、流速较大的海域。

原文：http://www.dpm.org.cn/collection/ceramic/226720.html?hl=%E8%B1%A1%E8%80%B3%E8%BD%AC%E5%BF%83%E7%93%B6

潮汐发电的运行机理与蓄水池的设置有关：

1.1 单池单向发电。有1个蓄水池，只在落潮时发电。涨潮时坝门打开，海水充满蓄水池；落潮时坝门关闭，潮水驱动水轮机发电。

1.2 单池双向发电。也是有1个蓄水池，却落潮和涨潮都发电，且与物水并用。为了保持落差，并非落潮一开始就发电，而是向蓄水池泵水，然后停机待机，直到潮水落到潮差的一半时才开始放水发电。反之亦然，涨潮一开始也不立即发电，而是将蓄水池剩余的水抽向大海，再停机待机一段时间，直到潮水涨到一半潮差时再开始发电。尽管如此，用于发电的时间远远超过泵水和待机的时间之和。

1.3 双池双向发电。此时备有上、下两个蓄水池，发电机组则置于两池之间。落潮时不是利用蓄水池与海面之间的落差发电，而是利用上下两池之间的水位差来发电，这就与不断变化的海面水位无关。涨潮时上池被充满，落潮时将下池放水，从而形成两池之间的水位差，利用该水位差可使机组连续运转。

发电方式选择

潮汐电站通常选址在海湾湾口，筑坝截流，形成水库，蓄水发电。发电方式有两种：双向和单向。

2.1 双向发电

在建的韩国西瓦即将成为世界上最大的潮汐电站，无论是装机容量(21MW，共12台)还是装机总容量(252MW)都超过了目前最大的潮汐电站——法国朗斯(10MW，共24台，总装机容量240MW)。法国朗斯和中国江厦都采用双向发电，即张潮和退潮2个方向都发电。此时需在6种工况下运行：分别在正向和反向时的发电、空载过水和泵水。西瓦水头范围为1～7m，退潮时的发电，当水头(潮差)降至1m时停止发电，而是空载放水当海湾水库水位降至与大海水位相等、水头(潮差)为零时进行抽水，即发电机组作为电动水泵将水库水泵向大海，人工降低水库水位，以便涨潮时形成更大的潮差，增加发电量。虽然泵水要耗电，但减少了发电等候时间，在发电效益和泵水耗能两者的差值中获益，最终结果还是使发电量增加10%。反方向的涨潮时发电工况类似发电水头降至1m时放水，水头为零时泵水。此时由大海向水库充水，以便加大正向(退潮)发电时的水头。双向发电方式的最大优点是充分利用潮汐能量。

双向发电的缺点是：①效率低。反向发电时水流先经转轮后至导水机构，转轮之前尚未形成水流环量，效率低；②造价高。发电机和水轮机都是可逆的，正反2个方向泵水工况时，导叶开度都将固定在90°～100°位置，增加了导水机构的传动机构和接力器等的制造成本；③寿命低。正反方向的泵水是在扬程(水头)很小(约1m)工况下运行，远离了水泵最优运行工况，不仅效率低，而且耗能大、运行稳定性差，影响机组寿命；④性能差。可逆转的双向运行要求转轮叶片双面弯曲翼型为S形，其压力分布很不理想，会使转轮空化性能恶化。

经过反复对比、权衡利弊，哈电提出西瓦采用双向发电方式。

2.2 单向发电

中国有9个潮汐电站已运行多年，其中7个是采用单向发电。这种发电方式很简洁，基本上就是一种发电工况，只不过在涨潮时向海湾水库充水(开闸)，退潮时则关闸发电。采用单向发电方式就避免了上述双向发电所存在的问题，运行可靠性、稳定性都高。

3 发电机组对比

海洋潮汐发电机组属于低水头水电机组，除了海水，与传统的淡水江河用低乐头发电机组没有区别。

3.1 泡形贯流式

灯泡式机组属于轴流式水电机组的一个分枝，是一种新型机组，它比传统的轴流定桨或转桨式机组重量减轻了20%～30%，它的轴线几乎与水流平行而不像转桨式那样垂直。水流经过尾水管肘管要转90°以上的拐弯，对于上下游水位相差不大的低水头电站来说，平面尺寸和跨踌度间隔太大。

3.2 轴伸型贯流式

水轮机置于流道中，发电机则置于陆地上，其间用长轴传动，或通过齿轮增速器使发电机加速。当水头很低.甚至低子5m时, 采用这种又称为竖井式的机组则可通过增遮器来加大容量，而灯泡式机组却只能增大泡体直径来提高功率。

3.3 圆环形全贯流

这种机型水轮机在流道中，而发电机则装在水轮机外围，转子磁极直接装在水轮机转轮叶片外缘，其间采用迷宫密封来防止流道中的水漏到电机内部。这种机型特点：直径较大，可以增大功率，却不必像灯泡式那样加大泡体直径和流道开挖量。

3.4 圆筒形正交式

这是最新机型。与前述3种机型不同，它们的轴线几乎都与水流流线平行。而该型则是垂直，水轮机转轮呈圆筒形，通常为3～4个叶片，叶片断面类似螺桨，两面翼型不同，叶片长度方向与轴线平行，但断面翼型沿叶片全长都是一样，便于成型加工、大量生产。这种机型的过水能力比轴流转柴式大1.4倍，机组重量却减少约55%，混凝土用量也少12%，很有前途。

3.5 真机选型实践

经过反复论证、分析对比，哈电认为韩国西瓦电站适于选用灯泡式，主要论据如下：

①最新型正交式。俄国规划中和在建的大型潮汐电站都采用它，而且历经多次试验和中间机组的真机试验验证。虽然它也采用双向运行，但机组旋转方向不变是最大特点。而其他机型的双向水流不运行时，机组转向必须反复改变，对机组运行可靠性和寿命非常不利。

②全贯流式。这种机型设计新颖、结构简单、投资较少、费用较低。加拿大芬地湾安纳波里斯潮汐电站的19.9MW这种机型于1984年8月投运至今。与灯泡式比机组长度缩短约1/4，造价减少约20%，但能量指标不如灯泡式。磁极固定在转轮叶片上，叶片难于转动，只能定桨运行。潮汐负荷多变，易损部件也是主轴和叶片密封，这种机型又加上叶片外缘旋转密封，可靠性又难以保证，所以不选该型。

③竖井式机组。必须配备增速器，传动效率为90%左右，影响发电机效率，如果不是5m以下的水头，选它就不太合算，西瓦水头9m，就不能选它。

4 关键参数优化

对于潮汐电站用低水头机组，为了降低厂房高度和减少机组造价，只能尽量提高机组的比转速。与常规的江河水电站不同，海洋潮汐的水位变化很像正弦曲线，每个发电周期都要过一次极低水头发电的过程。此时水头很低，为获得更多电能，只能提高转轮的最优单位转速，这就必须相对减少叶片数目。对于法国朗斯电站，选用叶片数目为4枚，其比转速为1030mkW。如果选用3叶片方案，就能将该比转速值提高到1100mkW以上，哈电公司生产的木京水电站的常规灯泡式机组的重要参数与法国阿尔斯公司生产的朗斯机组对比见表1。在国际招投标会上，哈电与阿尔斯通为韩国西瓦潮汐电站提供的灯泡式机组参数对比见表2。由此可见，采用双向发电方式的朗斯机组效率只有73%，而采用单向发电方式的木京机组却高达91.4%，证明西瓦选择单向运行是对的。

5 电站造价减少

潮汐电站造价中，土建工程约占45%，发电设备约占50%，其他约占5%。开发潮汐电站的主要目标是降低造价、减少成本，以便提高其电费的竞争力。采用现代化浮运沉箱法，可以降低长坝造价的1/3以上，从而取代传统的固堰法。这种新方法是将大坝区段在船坞中成批制成后，用漂浮拖运法运到现场再填充砂砾沉入海中。发电机组已事先装入该薄壁钢筋混凝土模块之中。

采用现代化浮运沉箱施工法可以避免在深水中或易受风潮威胁的站址修建昂贵且复杂的围堰，而使工程造价减少25%～38%。虽然浮运结构内部复杂，而且影响浮运稳定性的因素很多，但是基于网络技术建立的潮汐电站浮运结构浮运定性分析智能软件，可以反映浮运结构形状和浮运稳定性之间的非线性关系，预报在任意吃水深度下的浮运稳定性。建立合理的模型可掌握不同阶段结构的受力变化及受力特点浮运施工技术的创新、数学方法的改进可进一步增加工作效率。