水锤泵用于潮汐抽水蓄能的模型试验分析

张 峰，戴春妮，吴勤兵

(1. 国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；3.浙江省海盐县港区开发建设办公室，浙江 嘉兴 314300)

水锤泵用于潮汐抽水蓄能的模型试验分析

张 峰1，戴春妮2，吴勤兵3

(1. 国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；3.浙江省海盐县港区开发建设办公室，浙江 嘉兴 314300)

本文提出了一种全新的潮汐能开发方式，把封闭管道中的水击效应应用到潮汐能开发中。利用水锤泵将海水提至高水库，把潮汐能的低水头势能转化成高水头势能存蓄在高水库中，再视需求进行发电，免除了传统方法先潮汐发电再抽水蓄能的二次转化。本文通过模型泵测试模拟了水锤泵在潮差的驱动下将水提送到蓄水库的工作状况，获取了1.0～3.0 m水位差条件下，将水输送到5.0～20.0 m水头蓄水池时模型水锤泵的工作效率和输出功率。试验表明，在1.0～3.0 m水位差条件下，水锤泵的能量转化效率超过0.60，且水头变动时，效率基本稳定。经估算，水锤泵潮汐蓄能发电的平均能量利用率略高于潮汐发电联合抽水蓄能。

潮汐能；水锤泵；抽水蓄能；试验

0 引言

随着经济社会的快速发展，人类对能源的需求越来越大，而传统的石油煤炭能源属不可再生能源，使用过程中还会带来污染和温室气体排放。世界正面临着能源日益匮乏，环境每况愈下的困境，清洁可再生能源的开发因而备受世界各国的关注。潮汐能因其储量丰富、可预测性强，被认为是极具开发前景和开发价值的新能源。我国有着漫长的海岸线，蕴藏着丰富的潮汐能资源，据调查，我国沿海潮汐能可开发装机容量约为2 158万kW，可开发潮汐能总量为619亿kW·h[1]。

目前潮汐能的开发利用方法主要是修建堤坝形成水库，利用潮汐形成的水库内外水头差驱动水电机组发电。由于潮汐发电的水头较低，变幅大，水轮发电机在低水头工况和反向运作时发电效率往往较差[2-3]。而且传统的潮汐电站不能实现能量存蓄，无法根据电网需求调节发电能力，其电能接入电网受到限制。在现有的潮汐能电站运行模式下，发电连续性和电能调蓄的问题只能通过兴建抽水蓄能电站配合使用来解决，俄罗斯梅津湾 (Mezen)、法国乔瑟岛 (Chausy) 等潮汐电站的选址研究中均考虑同时兴建抽水蓄能电站[2]。然而水锤泵为解决潮汐能量存蓄问题提供了一种可能的新途径，水锤泵是根据“水击”非恒定流现象发明的一种提水装置[4-8]，它可以提高水体的能量密度，将低水头潮汐能 (1.0～3.0 m水头) 转化为15.0 m以上高水头的势能。如图1所示，首先修建堤坝形成潮汐水库，并在高处修建小水库用于储存高势能海水 (类似于抽水蓄能电站的蓄水库)。采用水锤泵替代传统的潮汐水电机组，利用堤坝内外的水头差驱动水锤泵工作，直接将部分海水泵送到高水库中。高水库的海水可以采用技术成熟、造价较低的中水头发电机组按用电需求适时发电，也可直接用于海水淡化等用途。

目前水锤泵应用限于从山泉和河流中提水[9]，其工作环境与用于海洋能开发有着较大的区别。水锤泵用于山区提水时，其供水水头往往是固定的，而在潮汐能开发中内外库的水位差是变化的，因此供水水头也是一个周期变化的量。不同水位差情况下，水锤泵能否保持较为稳定的效率是关键问题。本文通过试验模拟水锤泵在潮差的驱动下将水提送到15.0 m高度蓄水库的工作状况，测试不同水头条件下水锤泵的流量、扬程、工作效率等要素以及他们的相互关系，并在此基础上进一步研究水锤泵用于潮汐抽水蓄能的技术可行性。

图1 水锤泵潮汐抽水蓄能示意图

1 模型泵试验

1.1 试验方案

为详细分析水锤泵在水位变动情况下的工作性状，对一台100 mm口径的模型水锤泵(图2)进行了测试，模拟在1.0～3.0 m水位差的条件下将水提送到高水库的工作状况。

试验采用有多个溢流孔的敞口水箱作为供水源，测试过程中根据水头需要打开不同的溢流孔，提供可变的供水水头，用于模拟不同时段库内外的不同水位差。同时为了测试不同扬程下的出流流量，将出水管道连接到一个溢流水箱中，打开特定的溢流孔，可使出水水头保持在某一稳定值。试验中供水水头为供水水箱液面与水锤泵冲击阀的高差，出水水头为出水水箱液面与冲击阀的高差，水锤泵的供水流量和出水流量采用电磁流量计测量。

图2 测试用水锤泵

本次试验共进行了5个供水水头(1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 m)和7个出水水头(5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 m)条件下共35组测试，每组测试都采集到了准确的供水水头、出水水头、进水流量和出水流量。在此基础上，本文着重分析各工况下输出功率和能量转化效率这两个重要的特征参数：

P=ρghqc

(1)

式中：P为输出功率，是指单位时间内水锤泵输出水体所含的能量，它反映了水锤泵获取能量的大小；ρ为水密度；g为重力加速度；h为出水水头；qc为出水流量。

(2)

式中：η为能量转化效率，是水锤泵输入功率和输出功率的比值，它反映了水锤泵能量转化的效能；H为供水水头；h为出水水头；qr为进水流量；qc为出水流量。

1.2 试验结果

图3为水锤泵输出功率的变化情况，随着供水水头的增大，输出功率随之增加。模型水锤泵在1.0 m供水水头下的输出功率为129～184 W，1.5 m供水水头下的输出功率为192～285 W，2.0 m供水水头下的输出功率为252～389 W，2.5 m供水水头下的输出功率为306～483 W，3.0 m供水水头下的输出功率为379～575 W。在同一供水水头条件下，出水水头的设定在一定程度上会影响水锤泵的输出功率。1.0～2.0 m供水水头下，模型泵出水水头设为17.5 m水头时输出功率最高；2.5～3.0 m供水水头下，出水水头设为15.0 m水头时输出功率最高。

图4是水锤泵能量转化效率的变化情况，模型水锤泵测试的转化效率在0.41～0.65之间，测试表明出水水头的设定对水锤泵效率也有一定影响。出水水头在15.0～17.5 m水头之间时，模型水锤泵的工作状态最佳，其能量转化效率超过了0.60。模型水锤泵在1.0 m供水水头下的效率为0.43～0.61，1.5 m供水水头下效率为0.43～0.63，2.0 m供水水头下效率为0.42～0.65，2.5 m供水水头下效率为0.41～0.64，3.0 m供水水头下效率为0.42～0.64。在供水水头确定时，水锤泵效率随出水水头的增大呈现先增大后减小的变化规律。1.0～2.0 m供水水头下，出水水头设为17.5 m水头时水锤泵效率最高；在2.5～3.0 m供水水头下，出水水头设为15.0 m水头时效率最高。

图3 水锤泵输出功率的变化曲线

图4 水锤泵能量转化效率的变化曲线

2 讨论和展望

水锤泵从设计之初是用于小流量的提水，无论是使用环境还是使用目的都与潮汐能开发有着很大的区别。能否对这项技术进行改进和发展使其服务于潮汐能开发，本文将从以下几个方面进行讨论。

2.1 蓄能水库高度和泵型选择

本文试验中模型泵的效率在0.41～0.65之间，对水泵效率影响较大的似乎是出水水头的设定。试验采用的模型泵最佳的出水水头为17.5 m，此时模型泵的效率都超过了0.60，而出水水头在不合理的区间时，模型泵的效率则明显下降。这表明将水锤泵用于潮汐抽水蓄能时，泵型与蓄能水库高度的匹配十分重要。按蓄水高度的不同要求，将水锤泵型系列化是应对此问题的较好对策。

2.2 水锤泵对变水头的适应性

潮汐能的一个突出特点是水位实时变动，库内外的水位差随潮周期变化。根据模型试验的结果，当蓄能水库高度为17.5 m水头时，库内外1.0～3.0 m的水位差下，水泵能量转化率在0.61～0.65之间。各水位差条件下，水锤泵效率波动很小。由此可见潮汐变化带来的库内外水位差变动对水锤泵效率影响不大，水锤泵在实现能量存蓄的同时，转化效率也能够得到保证。

2.3 启动阈值

和其他潮汐能发电装置一样，水锤泵也存在着启动阈值，当库内外水位差低于阈值时无法正常工作，水位差达到阈值后方可开启。目前技术条件下，水锤泵的启动阈值最可低至0.3 m左右[6]。通过改进设计降低启动阈值，扩展水锤泵的工作范围是值得今后研究的一个方向。

2.4 设备大型化

目前水锤泵体管径多为5～6 cm，输水量较小，换算成输出功率只有不足100 W。本文试验中将模型泵口径增加到10 cm，输出功率相应达到575 W。然而要投入真正的应用，进行提水蓄能，水锤泵还必须进行大型的改进。B.W.Young对水锤泵的工作性能和设计方法做了大量的研究，得出水锤泵的输出能力基本与水锤泵口径直径的平方成正比[10-11]。参照本文模型泵的功率测试结果，如果将水锤泵口径放大10倍，达到1.0 m直径，其输出功率相应将提高到超过50 kW以上。一个1.0 m直径的水锤泵获取的能量可以满足一个小面积海岛的需求，此外还可以通过多台水锤泵并联工作，提高出水量和输出功率。

2.5 与传统潮汐能开发方式的对比

传统的潮汐能发电站无法根据电网需求调节发电能力，其电能接入电网受到限制。潮汐电站联合抽水蓄能和水锤泵潮汐蓄能发电两种方式均可以实现能量存蓄。潮汐发电联合抽水蓄能需要两套双向机组，分别用于潮汐发电和抽水/蓄能；而水锤泵潮汐蓄能发电仅需要一套水锤泵机组和一套常规水电机组，其工程造价低于潮汐发电联合抽水蓄能的开发方式。

潮汐发电联合抽水蓄能的潮汐能开发方式的能量综合利用率受水轮机效率、发电机效率以及抽水蓄能循环效率3个因素的共同影响。由于潮汐水位差远小于常规水电工程，采用的超低水头水轮机效率低于常规水轮机；此外，其水轮机效率受水头变动影响较大，以某新型高效低水头双向贯流式水轮机为例，其在1.0～3.0 m水头下的正向效率在0.58～0.90，反向还会降低约6%[12]。发电机的效率一般取决于电机尺寸和电磁方案，代表我国先进水平的江厦潮汐电站6#机组(国家863计划项目)发电机的设计效率为0.94[13]。据报道，目前已建抽水蓄能机组的循环效率一般为0.75左右[14]。综合以上3个因素，潮汐发电联合抽水蓄能的能量利用率可以达到0.40～0.62(图5)，平均为0.54。

图5 两种潮汐蓄能发电的能量利用率

水锤泵潮汐蓄能发电的潮汐能开发方式的能量综合利用率受水锤泵效率、蓄能水库水轮机效率和发电机效率3个因素影响。本文的试验中，蓄能水库高度为17.5 m时，模型泵效率可以达到0.61～0.65。蓄能水库中的海水水头较大，因而可以选用技术成熟、造价较低的常规中低水头发电机组进行发电，且蓄能水库水头稳定，可使机组处于最优工况下运行。目前国内定型投产的新型中低水头机组的水轮机最优效率均在0.95左右，发电机效率也基本在0.95以上[15]。综合上述因素，水锤泵潮汐蓄能发电的能量利用率可以达到0.52～0.59(图5)，平均为0.57。从两种蓄能发电方式的能量利用率来看，水锤泵潮汐蓄能发电的平均能量利用率略高于潮汐发电联合抽水蓄能，尤其是当水位差在1.0～2.0 m时优势明显。

3 结论

本研究从多个角度对水锤泵用于潮汐抽水蓄能的技术可行性进行了讨论，该方法解决了传统潮汐能发电方式的原有缺陷，将蓄能和发电结合在一起。本文通过模型泵测试模拟了利用水锤泵在潮差的驱动下将水泵送到高蓄能水库的工作状况，并获取了多个工况下模型泵的工作效率和输出功率。在试验数据的基础上，经分析得到以下结论：

(1) 测试结果表明库内外水位差变动对水锤泵效率的影响不大，在1.0～3.0 m水位差范围内，水锤泵能量转化效率可以达到0.60以上。水锤泵对水位变动的适应性良好，在实现能量存蓄的同时，能量转化效率也能得到保证。

(2) 模型泵最佳的出水水头在15.0～17.5 m水头之间，当出水水头在不合理区间时，模型泵的效率明显下降。这表明将水锤泵用于潮汐抽水蓄能时，泵型与蓄能水库高度的匹配十分重要。

(3) 经估算水锤泵潮汐蓄能发电的平均能量利用率略高于潮汐发电联合抽水蓄能，尤其是当水位差在1.0～2.0 m时优势明显。本文讨论还只是基于现有资料的初步分析，要使水锤泵真正应用于潮汐蓄能发电，还需要在经济可行性、设备大型化等方面进一步地深入研究。

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Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump

ZHANG Feng1, DAI Chun-ni2, WU Qing-bing3

(1.KeyLaboratoryofOceanEngineering,TheSecondInstituteofOceanography,SOA，Hangzhou310012，China； 2.ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower，Hangzhou310002，China； 3.HarbourDevelopmentOfficeofHaiyanCounty，Jiaxing314300，China)

A new method for tidal energy utilization was proposed using water-hammer in pipeline. The hydro-ram pump can convert potential energy of low water head to higher water head by pumping sea water to high reservoir，which avoid the energy conversion from tidal power to pumped storage in the traditional method. Model pump test was carried out to simulate the 1.0～3.0 m working condition to pump sea water to 5.0～20.0 m high reservoir. The experiment shows that the efficiency can be higher than 0.60 in the working condition and remain stable when water level changes. According to simple calculation，The average energy efficiency of hydro-ram pump can be higher than tidal power station with pumped storage.

tidal power; hydro-ram pump; energy storage; experiment

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.

2014-08-22

2015-01-09

国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务专项资金项目资助(JG1213,JT1308)

张峰(1986-)，男，江苏如皋市人，工程师，主要从事海洋能及工程海洋学方面的研究。E-mail：fengsio@163.com

P743.3

A

1001-909X(2015)01-0069-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010

张峰，戴春妮，吴勤兵.水锤泵用于潮汐抽水蓄能的模型试验分析[J].海洋学研究,2015,33(1):69-73,

ZHANG Feng, DAI Chun-ni, WU Qing-bing. Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):69-73, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.