风光柴海水淡化综合系统工程设计方案及应用浅析

文 | 汤群益

风光柴海水淡化综合系统工程设计方案及应用浅析

文 | 汤群益

浙江省海岛数量居全国之首，全省拥有3061个岛屿，约占中国海岛总数的2／5，海岛旅游产品正由观光型向观光度假型提升。但海岛旅游资源的开发受电力、饮用水紧缺和交通困难的制约。海岛上电力紧缺而风能资源十分丰富，开发风能资源以解决岛上电力不足，具有明显的实际意义。近年来，浙江省及沿海市县各级政府对海洋经济开发、海岛资源利用、海岛居民生活条件的提高日益重视。海岛有较好的风能和太阳能等可再生能源可利用，建设生态海岛、环保海岛，促进海洋经济发展，提高海岛居民的生活品质。

该风光柴海水淡化系统工程拟安装7台单机容量30kW的风电机组、100kWp的光伏发电系统、1台200kW柴油发电机及一套50t/d海水淡化系统，总装机容量510kW，并设有蓄电池组调节。风电机组在升压站AC400V侧汇流。设置1台315kVA升压变压器，海水淡化系统与居民用电负荷错峰运行。

设计规模

一、风力发电规模：

在该工程西北侧和西南侧布置分别布置4台和3台单机容量30kW的风电机组，共有7台，总建设规模210kW。

二、光伏发电规模

可与风力发电互补，设100kWp的光伏发电系统。

三、柴油发电机规模

可虑电网稳定运行及用电负荷要求，设1台200kW柴油发电机。

四、海水淡化规模

该岛常住人口约300人，部队约50人，为解决当地居民及部队水电短缺问题，拟建立一套风光柴海水淡化系统，生产淡水50t/日，在风力发电电量过剩时，用于海水淡化系统生产淡水，以解决淡水资源短缺现状。

设计方案

一、 风电机组选型、布置及发电量

（一）机组选型

该岛距离大陆较远，本工程所需的各种设备均需通过船只运输，交通较不方便；岛内交通也较不便。考虑到该岛交通运输现状，结合岛上用电负荷较小的特点，本工程宜选择单机容量较小的风电机组。经分析按照单机容量30kW的风电机组进行设计。

单机容量30kW的风电机组技术特性见表1。

（二）风电机组布置

根据岛内风能资源分布特点将风电机组布置在风能资源较好的区域；为减少工程投资及降低施工难度，风电机组布置在岛内交通较方便的区域；避开岛上部队设施等敏感因素；根据岛上用电负荷特性及本工程风、光、柴、海水淡化综合系统的设计需要，本工程拟安装单机容量30kW的风电机组7台，总装机容量210kW。

表1 单机容量30kW的风电机组技术特性

风电机组布置图详见图1。

（三）年发电量计算

本工程7台单机容量30kW的风电机组其年上网电量为30.55万kWh，等效满负荷小时数约1455h。

二、 光伏系统选型、布置

（一）并网光伏系统工程（100.8kWp）光伏系统选型

太阳电池组件选用单晶硅太阳电池组件，其他直流接口设备包括：在方阵场安装的光伏阵列防雷接线箱和电源机房内安装的直流配电柜等。

（二）光伏方阵场布置

WXS－180S型组件以2*10的排列方式串联成一个阵列，根据纬度情况计算组件朝向为正南方，倾斜角20°，根据冬至日10点太阳高度角，计算太阳电池组件方阵安装间距为1040mm。光伏工程布置28个太阳电池组件方阵，光伏发电场合计为100.8 kWp，布置汇流箱6只，将汇流后的电流接入光伏直流配电箱。

三、海水淡化选型和布置

本海岛常住人口约300人，部队约50人，为解决当地居民及部队水电短缺问题，拟建立一套风光柴海水淡化系统，在风力发电电量过剩时，用于海水淡化系统生产淡水，以解决淡水资源短缺现状。

（一）工艺选择及流程说明

日产50t/日淡水反渗透海水淡化工程包含海水预处理、反渗透海水淡化及产品水后处理。工艺流程如下：海水取水泵—→海水原水池—→原水增压泵—→多介质过滤器—→保安过滤—→海水高压泵＋ 能量回收装置—→反渗透海水淡化装置—→淡水蓄水池。

（二）海水淡化厂布置

海水淡化厂主要为海水淡化车间、海水原水池、淡水蓄水池及取水泵房。

四、电气设计

(一) 负荷估算

本海岛因受电源限制，用电负荷较小，负荷估算：居民用电负荷按常住人口300人，约100户家庭，户均2kW估算，用电负荷约200kW；部队用电负荷约40kW；海水淡化系统负荷约24kW。总用电负荷约264kW，年总用电量约47.08万kW h。海水淡化和供水泵负荷可与居民用电负荷错峰运行，实有用电负荷约240kW。

图1 风电机组布置图

根据岛内用电负荷、国内风电机组制造情况、海岛地形条件、风能资源，选用7台单机容量30kW风电机组、100kWp太阳能光伏电池和1台200kW柴油发电机组。

7台单机容量30kW风电机组，总容量为210kW风电机组年发电量约为30.55万kW·h；100kWp太阳能光伏电池年发电量约为9.63万kW·h；风力发电和太阳能发电合计年发电量约为40.18万kW·h；风光发电不足的部分由柴油发电机组承担。在丰水季节淡水可由雨水收集净化，可不进行海水淡化。

(二) 电网方案

根据本工程风光柴的电源设置和负荷情况，电网方案如下：

设置7台单机容量为30kW的风电机组，二组50kWp的光伏太阳能发电装置，一台200kW柴油发电机组，向海岛居民、部队、海水淡化装置、供水水泵供电。7台风电机组和柴油发电机以AC400V在低压母线并网汇流；二组光伏发电装置以DC480V汇流，蓄电池接于DC480V汇流母线，经双向逆变器并入AC400V在低压母线。

该方案以柴油发电机为主电源，维持电压和频率稳定。根据风电机组、太阳能发电装置的出力情况、蓄电池的储能情况和用电负荷变化情况，以尽可能利用风光可再生能源、减少蓄电池充放电次数、节约燃油为原则，由监控系统控制发电机组的运行和用电负荷的投切，以维持系统电压和频率的稳定和电力平衡。海水淡化装置、供水水泵安排在有富余电力时运行；因风电、光伏电源均为间歇性电源，为提高供电保证率，设置一套1500AH的蓄电池进行蓄能调节，在蓄电池放电至其蓄电量的60%时，为延长蓄电池使用寿命，蓄电池将停止放电。当风光发电出力充裕，除满足正常负荷外，调减柴油发电机出力，开起海水淡化，调节风电机组出力或投入电阻器进行电力平衡电，并可为蓄电池充电。

（三）控制

设置一套计算机监控系统，采用以计算机为基础的集中监控系统。值班人员在控制室通过控制台上操作员工作站的显示器、键盘、鼠标等人机接口设备，完成全系统电气设备的监控任务。计算机监控系统包括主机兼操作员工作站、公用PLC柜、网络设备、打印机等设备。风电机组和太阳能发电装置的控制自成系统，该系统应能接受来自计算机监控系统根据负荷的大小发出的远方调控，即计算机监控系统应根据居民、部队、海水淡化装置的用电量控制风电、太阳能的出力，确保供发电系统的安全稳定运行。计算机监控系统也能接受风电机组和太阳能发电装置控制系统的重要参数和信号。计算机监控系统能具有向值班员发出中文语音报警和手机短信报警的功能。计算机监控系统能具有采集数据、数据归档、事件记录、生产报表的功能。设一套直流电源系统，额定电压采用220V。直流电源系统供给控制、保护、断路器分合闸、不间断电源等。

五、土建工程设计

（一）风电机组布置

风电机组基础持力层采用天然地基，其承载力和变形均能满足结构要求，采用现浇钢筋混凝土扩展基础，基础尺寸为6m×6m，正四边形，埋深1.8m。单个基础混凝土量约为35.0m3，钢筋量约3t。

（二）光伏组件支架及基础

光伏组件支架采用固定式支架，基座为现浇混凝土基础，支架采用钢支架。光伏组件基座的排列应根据光伏列阵的排列，应能便于安装、维护并具有抗倾覆、抗滑能力。基座高度偏差不应大于5mm，水平度偏差不应大于3mm/m。

（三）升压站总布置

10kV升压站位于工程中部，升压站围墙中心线内面积为1350m2。升压站站内道路为城市型，道路呈环形布置,主干道宽3.5m，转弯半径为6m；升压站南侧大门宽7.5m。升压站站内设一幢变配电房及其他附属建（构）筑物。变配电房一层布置，建筑面积438m2。布置高压变配电室、低压配电室、蓄电池室、控制室、备品备件间、休息室、厨房等。升压站布置详见图2。

图2 工程综合系统图

（四）海山淡化厂区布置

海水淡化系统主要布置海水原水池、淡水蓄水池、取水泵房及海水淡化车间。海水原水池占地面积4.0×4.0 m2，总深3.5m，有效水深3.2m，有效容积约50m3，该构筑物为全地上式贮水结构，采用现浇钢筋混凝土结构。淡水蓄水池占地面积4.0×4.0 m2，深3.5m，有效水深3.2m，有效容积约50m3，该构筑物为全地上式贮水结构，采用现浇钢筋混凝土结构。取水泵房占地面积约10m2，单层结构，层高3m，该建筑物拟采用砖混结构。海水淡化车间：将废弃鱼粉厂厂房改造装修后利用，石砌结构，占地约120m2，总高约5m，现为双层结构，拟改为单层，作为淡化厂设备车间。

建成应用

项目建成后每年的运营成本为90万元，供电的电价为1.82元/kWh，水价为5.0元/t，该价格高于当地居民生活用电用水价格。由于本项目目的是为了解决偏远海岛供水、供电的民生问题，地方政府出台了相应的政策措施进行补贴。项目建成后运营正常，基本达成项目建成生态海岛、环保海岛，提高海岛居民生活品质的初衷，且项目建成后该海岛已成为当地的一个旅游景点，通过旅游促进了当地经济发展。

该项目建成运营也对全国孤立海岛的开发提供了很好的示范。

(作者单位：中国电力建设集团华东勘测设计研究院)