海洋发电设备的结构性能

王　嘉

(水力发电设备国家工程研究中心， 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150050)

海洋发电设备的结构性能

王嘉

(水力发电设备国家工程研究中心， 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150050)

摘要：介绍了海洋发电设备的国内外发展概况。对结构材料的技术要求，转轮及其支撑的结构与技术要求，海洋发电设备的防护要求包括防止空蚀破坏、电蚀破坏及海洋生物的措施和表面防护措施也作了介绍。

关键词：海洋发电设备；结构性能；防护措施

0引言

地球表面积的71%是海洋。海洋是巨大的能源。

太阳注入地球表面的能量中，大约2/3是用来加热海面表层的海水，使其与深水的温差超过20℃以上。另外，由于地球和月球或太阳之间相对的天体运动和相互作用而引起海洋的潮流、潮汐、气流等，并进而引起波浪、波流以及海面的椭圆形周期性运动，此起彼伏，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。海水的运动也是一种能量,可以用来发电。比如,温差发电、潮汐发电、潮流发电等等。

1海洋发电

作为一种可再生的清洁的新能源，当今世界开发应用的容量比较大的海洋发电方式主要是潮汐发电。世界最大的法国郎期潮汐电站，装机容量为240 MW，运行40多年。其可用率高达90%。其次是加拿大的阿那波里斯潮汐电站，1984年8月投运至今。韩国即将投入运行的西瓦潮汐发电站比郎期潮汐电站还要大。正在开发中的还有加拿大的芬地湾、阿根廷的桑坡亚、俄罗斯的图古尔、梅洋、潘辛斯卡亚，英国的塞文、梅尔西、杜登，韩国的仁川港、泰安、群山、全罗，澳大利亚的坎贝湾，中国的杭州湾，美国的帕萨马廊迪等潮汐电站。

其次是潮流发电，虽然它的容量比较小，但是它不像潮汐发电那样必须建造影响鱼类等海洋生物生存的堤坝。比如中国的岱山(容量为70 kW)、舟山(容量为100 kW)。英国正在建造世界上最大的潮流发电站，单机容量为1.2 MW，装机40~50套机组。

至于海浪发电，由于容量小、成本高等原因，早期只能用于灯塔的照明，后来发展到用于海洋养殖和局部区域的居民生活用电。

与普通发电方式不同，海洋发电是利用海水能量来发电。由于盐水的腐蚀、流体的空蚀、风暴的袭击以及微生物的附着等，对于开发应用海洋发电设备，在结构性能方面提出了特殊要求，而且已经列入国家甚至国际标准。

2结构材料

由于海水的腐蚀作用，会使发电设备转轮叶片的过流表面变得粗糙，水动力学性能降低。在材料选择方面，首先考虑的是复合材料，而不是金属材料。

复合材料的优点是：1)重量轻，便于水下安装，减少吊装费用；2)可以采用模具成型，加工方便，精度比较高；3)减少微生物的附着，因为与木材和钢材相比，海洋生物也不喜欢有毒性的塑料；4)不存在腐蚀问题；5)具有比较高的抗疲劳性能。

与玻璃丝环氧树脂相比，采用碳素纤维环氧树脂复合材料，能够具有更高的强度和刚度，特别是刚度。它对于承受暴风掀起的巨浪、地震、台风以及海洋浮冰等的冲击，具有很大作用。但是，它的成本比较高。

采用复合材料时，必须满足下述国际标准规定的特殊要求：1)在含盐度为2.5%的海水中浸泡168 h以后，复合材料的吸水率，不得超过50 mg；2)复合材料的表面都必须具有合适的涂层，来防止周围介质的损伤和海洋生物的附着生长；3)采用的纤维增强塑料等复合树脂，在固化处理以后不会吸水。此外，采用的材料试样还必须进行以下试验：复合材料应当浸泡在温度为20℃的海水中进行力学试验；粘接材料应当浸泡在温度为20℃的海水中进行拉伸试验。

现代化的潮流发电设备，采用材料的比例如下：碳钢占88.8%，铸铁占7.3%，复合材料占2.0%，铜占1.0%，不锈钢占0.6%，其它材料占0.3%。由此可见，虽然采用了一些复合材料，但是，仍然以钢铁材料为主。

2.1　转轮结构

用于潮流发电的转轮结构与潮汐发电方式采用的轴流式灯泡型水轮机不同。它采用类似于圆形管道式通风机那样的涡轮机转轮。由于转速很低，只有10~30 r/min，为了增加容量所以叶片很长。早期的转轮叶片采用钢材制造。叶片由纵向的主梁、横向的辐板和表皮组成，全部钢制。由于具有流线型的外层表皮形状复杂，只能采用点焊加工，费时费工，成本又高。后来，改为由复合材料和钢材相结合的复合结构。即：受力比较大的主梁，仍然采用钢材，而辐板则采用成本比较高的碳素纤维复合材料。外表的包皮就直接采用成本相对比较低的玻璃纤维复合材料。已经投入运行的比较大的这种发电设备的容量为1.2 MW，其叶片长度为7.5 m。机组容量为500 kW时，叶片长度只有6 m。对于直径为11 m的转轮，它的叶片长度方向均匀分布有7个辐板，其厚度为65 mm。它通过叶片根部的法兰与机组的主轴连接。就像普通转桨式水轮机那样，采用变桨距控制，叶片的冲角可以调节，以便适应潮流流速的变化，达到在最高效率下运行。为了防止叶片受到腐蚀、空蚀和海洋生物的附着，在叶片的表面涂敷以含有铜粒子的环氧树脂涂层。实践证明，这种铜基防污涂层，效果良好。

2.2　支撑结构

海洋发电设备必须能够承受来自台风、海浪、地震、浮冰等的冲击，必须保证它具有足够的强度和刚度以及运行的稳定性和可靠性。按照海洋能源研究中心制定的关于海洋发电设备制造、安装和试验方面的指导性文件的规定，海洋发电设备结构上的选择，必须符合要求的级别，并达到指定的可控性和可追溯性。需要强调的是，如果采用屈服强度比较低的材料，有可能造成支撑设备机械强度方面的不足。但是，如果采用屈服强度比较高的材料，又可能产生焊接方面的问题。

结构材料的选择，必须符合国际标准ISO/TR15608的规定，其中包括：驱动主轴、联接法兰、连接螺栓、键、销钉等。用于支撑结构上的混凝土制品和各种纤维增强塑料等，与必须按照规定的等级要求供货。在材料的要求中包括：材料来源、极限强度、密度、比重、颗粒尺寸、化学成分等。材料的供货单和领料单都必须是可追溯性的，应当能够追溯到原材料生产过程中的每一个环节、每一个工序，并且带有工序标示。所有材料都应当能够追溯到检验合格的认证书。

就像近海的海上风力发电设备那样，潮流发电设备通常选择在近海的海水流动速度比较大的海域。主要支撑结构部件是插入海底的圆形管状钢桩，它必须能够承受发电设备的整个重量，以及暴风、海浪、地震等环境载荷。圆形钢桩的重量和尺寸设计，必须考虑到海洋驳船的提升能力。当钢管直径为2.1 m、长度为42.5 m时，质量可达80 t。其外部接触海水的表面，应当涂有环氧树脂基的防蚀涂料。圆形钢桩的外圆套有大型垫圈。发电机组的支架，便通过钢质的套环和这种垫圈上下滑动，以便适应海水平面的波动。发电机组固定在机舱里面，该机舱由工字型钢梁制成，外部包复以薄钢板。

3防护措施

3.1　空蚀破坏

当流体机械的局部静压下降到汽化压力时，便开始产生真空化的空泡。这种真空负压极大，能使过流表面脱流，并在流体与金属表面之间形成真空。这些空泡里面没有汽体，甚至也没有空气。当它到达高压区域时，便突然破裂，并从零部件的过流表面向外高速喷射，形成粉碎性的微米级的许多小空泡。这种空泡的破裂，就像爆炸那样，所产生的负压极大，其局部压力高达105bar，足以把金属表面的结晶颗粒撕裂下来，与此同时还产生高频噪声。

这种破坏作用主要来自两个方面：1)高速喷射——空泡突然破裂时产生的水锤作用，破坏了金属材料表面的结晶结构，使其颗粒脱落并形成极小的微米级的凹坑，而且不断扩大和加深，形成鱼鳞状凹坑。不仅降低了转轮的水力性能，而且还减少了运行寿命；2)冲击波——空泡突然爆破粉碎，甚至破灭时产生的冲击波，导致了金属材料的疲劳破坏，并进一步使材料局部逐渐脱落。这种现象被称为空蚀。这就是空蚀破坏的机理。

转轮叶片表面的空蚀破坏是很难避免的。这种现象，过去曾经长期被普遍地称为“汽蚀”或“气蚀”。后来标准化部门推行名词术语的规范化统一化，决定采用“空蚀”一词。因为在它产生的机理和发展的整个过程中，并不存在“气”和“汽”的因素，而是一种真空负压作用。

根据这种机理，不仅是钢铁，包括复合材料在内的任何材料，都不能避免空蚀破坏。为了防止空蚀破坏，航海船舰的螺旋桨推进器，多年以来积累了许多好的经验，值得借鉴。然而用于海洋发电设备上，就要考虑成本核算问题。抗空蚀破坏性能最好的材料是双相不锈钢，最差的是灰铸铁。采用聚合物涂层可以保护灰铸铁，使其不受到空蚀破坏。但是涂层与金属的结合必须紧密。流体机械过流表面的空蚀破坏是很难避免的。即使表面型线的设计非常精确，完全符合流线轨迹，然而负载和流动状况(如流速、流量、扬程等)是变化的。重大的水电站，比如三峡水电站的转轮叶片，即使增加成本，也要采用锻压钢板来取代铸造，目的就是为了防止这种空蚀破坏。

3.2　电蚀破坏

金属零部件浸泡在盐水中，产生化学反应，并导致腐蚀破坏。如果零部件浸泡在不同的区域(比如全部浸泡或部分浸泡区域)，不同的零部件材料之间的物理化学反应，就会引起电偶腐蚀效应。采用阴极保护措施，能够有效地防止这种电蚀破坏。将一块铜质或锌质的材料放入水中，作为外加直流电源的正极，而零部件作为负极，就能将引起电偶腐蚀的带有负电荷的分子，吸引到作为正极的铜块或锌块上，并使它们承受电蚀(通常称呼它们为牺牲电极或消耗电极)，从而保护了发电设备零部件不被腐蚀，所以称为阴极保护。这种阴极保护措施非常有效，特别是在全浸区域。世界最大的朗斯潮汐发电站的长达40年的运行实践中，取得了明显的效果。如果采用这种阴极保护作为主要保护措施，就应当根据机组的运行寿命来设计，使钢质结构零部件的极化达到合理的水平，使腐蚀程度达到最低。作为牺牲阳极的铜块或锌块的设计，应当保证零部件遭受电蚀的关键区域得到充分地极化。

3.3　海洋生物

运行经验证明，即使采取特殊的涂层来防止结垢，包括微生物在内的贻贝类族群还是顽强地生长在机座的外表面上。经过污垢检查证明，机组外部表面覆盖了厚度达到10 cm的贻贝。出于卫生考虑，通常是将机组的进水管道关闭几天，达到脱水的要求，才能除掉这些污垢。研究结果表明，少量的海洋生物附着，就能使水轮机的效率减少20%。如果是大量的附着，则会使效率减少70%。采用环氧树脂基的玻璃纤维增强或碳素纤维增强复合材料，只能保证在运行10个月内，很少有微生物附着。虽然采用防污涂料能够防止微生物附着，但是，它要求定期更换或重新施工，而且它的成本很贵，它对于海洋环境也有一定影响。

3.4　表面防护

海洋发电设备的表面防护，首先要考虑的是成本，即如何把成本减少到最低。同时，还要达到预期的效果。与海洋潮汐发电和海浪发电相比，海洋潮流发电设备所处区域，水的含盐量比较大，流速比较高，就要考虑到采取有效的防止腐蚀的措施。然而，要想完全避免腐蚀和空蚀，几乎是不可能的。在结构设计过程中，零部件过流表面处的厚度，应当预先留有适当的腐蚀裕量。这个裕量的确定，取决于零

部件的应力、相对于海平面的位置、腐蚀的面积等因素。通常，转轮叶片上比较严重的空蚀，发生在叶片边缘和尖端；而腐蚀则几乎遍布整个过流表面。

对于只是采用一般涂料而不是防蚀涂料的区域，应当考虑到适当增加腐蚀裕量。关于腐蚀速度，必须进行实际调查和测量。如果没有准确的数据，也应当根据运行状态监测来制定一个设计原则来用于计算腐蚀速率。此时，就要把点蚀之类的局部腐蚀考虑进去。除了腐蚀速率以外，机组零部件过流表层厚度腐蚀裕量的最终确定，还要考虑到机组运行的设计寿命。即使在达到设计寿命以后，也要保证剩余的表层能够承受足够的负载。在选择防蚀措施时，也要考虑到零部件所处的区域和腐蚀的介质。通常情况下，分为大气区(水面以上)、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区5大类。要有针对性地选择适当的防蚀措施。

对于处在飞溅区域或潮差区域的零部件表面，应当采用具有耐磨损和抗紫外线辐照的涂层加以保护。其中包括加热镀锌或增强的环氧树脂基涂料等。它们通常具有5~10年的设计寿命。届时应当重新施工。为了保证涂覆质量和涂层性能，对于防腐涂层的施工工艺，必须按照指定的规范进行。喷涂以前，零部件的表面，不得存有任何外部物质。喷涂表面必须是干燥的、清洁的，没有任何污染的。

4结语

与普通的发电设备不同，对于海洋发电设备，提出了许多特殊要求，并且纳入了国家和国际标准。为了开发应用海洋发电这种可再生的清洁新能源，生产厂家必须满足电站用户在结构设计、材料选择和表面防护等方面的要求，以便保证发电机组的安全稳定运行。

王嘉，男，1979年生，哈尔滨工业大学，流体机械工程专业，硕士学位，研究方向为：新型水力发电设备的开发应用，高级工程师。

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