潮汐电站发电调度运行研究

2011-06-13陈晓芬汤春义陈国海

大坝与安全 2011年5期

关键词：涨潮潮汐水头

陈晓芬，汤春义，陈国海

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

0 引言

海洋能是有利于人类社会和谐发展的重要可再生能源之一，具有总蕴藏量大、可永续利用、绿色清洁等特点。潮汐能是海洋能中开发研究和利用最早、最成熟的一种，发电技术日趋成熟，产业进入了规模化发展阶段。

我国自1958年开始研究开发利用潮汐能，20世纪60年代开始建设潮汐电站，建成小型潮汐电站约40座，目前还在运行的仅有浙江的江厦和海山潮汐电站2座。1980年初建成的浙江江厦潮汐试验电站，其技术水平和规模在当今世界上仍位居前茅。

根据已有经验和成果并结合工程实际，开发建立潮汐电站发电调节计算模型，并将其应用于潮汐电站规划设计。

1 潮汐电站开发及运行方式

单库潮汐电站的开发方式主要有双向发电和单向发电两种。从理论上说，双向发电与单向发电相比，具有发电历时较长，发电量也可能较多，水库水位变化周期与自然潮汐较为接近，对生态环境的改变程度较小等优点。但按双向发电运行则潮差被相应分割，电站的平均水头将仅为天然潮差的一半左右，电站设计水头降低，发电机组尺寸相应加大，同时双向发电机组较单向发电机组运行工况更复杂、造价更高。潮汐发电采取双向发电或单向发电开发方式需研究分析后确定。

单向发电又分涨潮发电和落潮发电两种方式，由于潮汐发电电量的多少与所利用的水库容积成正比，而落潮发电是利用水库上部的容积，涨潮发电则是利用水库下部的容积，一般而言，潮汐电站的水库上部容积明显大于其下部，其他边界条件相同条件下，单向落潮发电电量大于单向涨潮发电电量。

潮汐电站的开发往往涉及养殖、围垦、生态景观、航运等综合利用要求，电站开发时应尽可能满足各方需求，统筹考虑，发挥综合效益。

2 潮汐电站发电调节建模基本资料

在建立潮汐电站发电调度模型之前，需拟定电站运行方式、基本参数和确定电站采用的基本资料，主要包括水库库容曲线、代表潮位过程、代表入库径流、电站装机规模、装机台数、机组出力限制线、机组过流曲线、水闸规模、水闸泄流曲线、发电水头损失、正常蓄水位、死水位等。

潮汐电站水库特征水位主要包括正常蓄水位（最高发电水位）、死水位（最低消落水位）及设计、校核洪（潮）水位。潮汐电站的正常蓄水位为电站正常运用的情况下，为满足兴利要求时蓄到的高水位，根据发电调节计算的最高库水位确定。潮汐电站水库死水位选择主要由能否获得较多电能、满足库区航深和渔业要求及对水工建筑物投资大小等因素确定，可综合发电调节计算的最低库水位确定。

水闸规模主要包括闸底板高程、水闸净宽和孔口高度。

3 潮汐电站发电调节建模

根据潮汐电站既定的发电运行方式，建立模型进行发电量模拟计算。若电站采用单库双向的开发方式，机组可以做正、反两个方向的发电运行；落潮时水流从水库流向海洋进行发电为正向发电，涨潮时水流从海洋流向水库进行发电为反向发电。

落潮时，泄水闸门关闭，当海侧水位与水库水位差达到最小发电水头时，机组开机正向发电。由于海侧潮位消落速度比库水位消落速度快，工作水头不断提高，机组出力随之增加，直到海侧开始涨潮，而库水位随着发电运行继续下降，工作水头便开始不断下降，机组出力亦随之降低，直到水头降至最低发电水头时，机组停机。开启泄水闸门加快库水排向海侧的速度以进一步降低库水位，为反向发电做准备，当库、海侧水位持平时，泄水闸门关闭，等待涨潮。

在正向发电过程中，若水库水位降低到最低控制水位，则机组停机，等待涨潮。

涨潮时，海侧潮位不断升高，至海侧潮位高于库水位达到最小发电水头时，机组开机反向发电。由于海侧潮位升高速度比库侧水位上升速度快，工作水头不断提高，机组出力亦随之增加，直至海侧开始落潮，而库水位随着发电运行继续上升，工作水头便开始不断下降，机组出力亦随之降低，直至水头降至最小发电水头时，机组停机。开启泄水闸门加快海水向库充水以进一步提高库水位，为反向发电做准备，当库、海侧水位持平时，泄水闸门关闭，等待落潮。

在反向发电过程中，若水库水位上升到最高控制水位，则机组停机，并保持库水位不变，等待落潮。

此外，在库水位和潮水位持平或者水头差较小时，有些潮汐电站的机组可发挥抽水工况的作用，使得库水位升高（或降低）而高出（或低于）潮位，在发电工况时升高（或降低）了库水位，发电水头提高了，电站的发电量增加。

发电调节计算采用的基本计算公式有：

V=f（z）——库容水位曲线；

Qt=f（h）——水头发电流量关系曲线；

Qz=f（h）——水闸水头流量关系曲线；

Qp=f（h）——水泵水头流量关系曲线；

N=f（h）——发电机组水头出力关系曲线。

式中：Vi：第i时刻库容；

Qfi：第i时刻入库流量；

Qti：第i时刻发电流量，落潮正向发电为“+”，涨潮反向发电时为“-”；

Qzi：第i时刻水闸流量，充水时为“-”，泄水时候为“+”；

Qpi：第i时刻水泵流量，充水时为“-”，泄水时候为“+”；

Ti：第i时刻的时间；

Ei：第Ti至Ti+1时段内的电量；

E：总电量。

若潮汐电站为单库单向开发方式，为利用涨潮时或退潮时发电，退潮时泄水或涨潮时充水，运行工况相对简单，为充水（或泄水）、等待、发电、等待四个连续工况组成一个循环过程。

双向发电潮汐电站计算程序框图如图1所示。

图1 潮汐电站发电调节计算程序框架示意图Fig.1 Frame of generation regulation procedures for tidal pow-er station

4 江厦潮汐电站发电调节应用

根据前述计算方法，按照拟定的电站开发及运行方式、电站基本资料进行潮汐电站的发电调节模拟计算。以江厦潮汐电站为实例分析该模型的应用情况。

江厦潮汐试验电站位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港，装机容量3.9 MW，是我国目前最大的潮汐电站，为试验性双向发电潮汐电站。江厦潮汐电站水库水面面积为1.6 km2，正常蓄水位以下库容为514万m3，发电有效库容为336万m3，发电最高控制水位1.7 m，最低控制水位-1.0 m。水闸设于堤坝和厂房之间，为5孔平底闸，每孔净宽3 m。电站的运行工况较为复杂，包括正向发电、泄水、等待、反向发电、充水、等待等六个工况组成一个循环过程，见图2。

图2 江厦潮汐电站发电调节库水位过程示意图Fig.2 Graph of generation regulating reservoir level of Jiangxia tidal power station

根据江厦潮汐电站调度运行部门统计资料，2010年江厦潮汐电站年发电量为731.74万kW·h，本次模拟计算的年发电量为758.39万kW·h，相差26.65万kW·h，误差3.64%。计算成果见表1和图3。

江厦潮汐电站2010年12月17～22日电站出力过程对比见表2和图3。

江厦潮汐电站12月17～22日电站日发电量计算成果表2。

图3 江厦潮汐电站2010年12月17～22日出力过程示意图Fig.3 Daily output graph of Jiangxia tidal power station from Dec.17～22,2010

对江厦潮汐电站2010年12月17～22日6 d发电量进行统计，日发电量最大误差为13.26%，最小误差为0.48%，6 d总发电量误差为2.32%。12月总发电量的误差为10.59%。从统计数据看，计算时段越小，相对误差越大，电站年发电量的误差不超过5%。

表1 江厦潮汐电站2010年发电量计算成果表（单位：万kW·h）Table 1:Generation calculation result of Jiangxia tidal power station in 2010

表2 江厦潮汐电站12月17～22日电站日发电量计算成果表（单位：kW·h）Table 2:Daily generation calculation result of Jiangxia tidal power station from Dec.17～22,2010

分析图3出力过程示意图可知，电站模拟计算出力与实际出力过程大致吻合；发电过程中，模拟出力常常略大于实际出力，其原因是实际发电运行过程中，发电过流造成水轮机上游水位略低于计算采用的上游水位。

此外由于模拟计算采用的电站资料为江厦潮汐电站初步设计阶段成果，与电站实际资料存在一定误差，使得计算成果有误差。

综合分析，采用的计算方法和计算模型是合理的，可应用于其他类似的潮汐电站。

5 江厦潮汐电站发电调节优化分析

江厦潮汐电站的运行方式为：在正向发电过程中，若水库水位降低到最低控制水位-1.0 m，则机组停机，等待涨潮；在反向发电过程中，若水库水位上升到最高控制水位1.7 m，则机组停机，并保持库水位不变，等待落潮。江厦潮汐电站共6台机组，正向发电设计发电最小水头为是1.00 m和1.50 m，反向发电设计发电最小水头均是1.50 m。模拟计算基于江厦电站既定的运行方式，若调整潮汐电站起始发电最小水头进行发电调节模拟，可计算得到不同的发电量，通过分析选择合适的起始发电水头可使得电站获得更大的发电效益。计算成果见表3。

由计算成果可见，江厦潮汐电站发电调度运行采用不同的最小发电水头，电站年发电量有所不同，采用2010年潮位资料模拟计算，以最小发电水头为1.5～1.6 m时，电站年发电量最大，江厦潮汐电站目前采用的调度运行方式是合适的。