潮流能并网发电示范项目选址研究——以舟山兆瓦级潮流能示范项目为例

陆 延 ，赵建春 ，蔡 丽 ，史学利 ，陈国海

（1. 神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江 舟山 316012；2. 浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江杭州 311122；3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

能源短缺和环境污染的双重压力将世界的目光都聚焦到海洋可再生能源上来。开发利用海洋能资源成为当今世界能源研究的主流方向之一。据相关资料统计，全球的潮流能资源储量丰富，每年可供开发的潮流能达到500～1 000 TWh[1]。我国的潮流能资源的理论蕴藏量也达到833×104kW[2]（我国近海99 个主要水道）。在各类海洋能中，潮流能的能流密度较大，其能量转换装置的几何尺度较小，应用灵活、建造方便，单机装机规模最大可达兆瓦级；并且资源变化相对有规律，可以基于数值模式进行预报。此外，潮流能发电产业与其他海洋能（不含海上风能）产业相比技术成熟度较高，现已基本具备了产品化条件，具有乐观的产业前景和广阔的发展空间，因此，潮流能普遍受到人们的重视，发展也较快。特别在我国沿海的许多海岛地区，因远离大陆，电网不能覆盖，海岛居民由于长期缺乏稳定可靠的电能，生活和生产均受到了较大限制。因地制宜开发其所在海域的潮流能资源，建设适合海岛海域环境的海洋能发电系统，将为沿海地区和海岛经济社会可持续发展提供有力支持。

近几年在国家相关政策资金的支持下，我国已有多家高校或科研机构在潮流能开发利用方面进行了大量技术研究。但是已有研究内容多集中于潮流能发电装置的技术研发和阶段性试验[3]，在潮流能示范电站建设方面尤其是关于项目前期选址的系统性研究还比较少。因此，现阶段亟须开展潮流能发电场址的选址研究工作，为推动我国潮流能资源的商业化和规模化开发进程奠定重要技术基础。本文将以舟山某兆瓦级潮流能并网发电示范项目为例，通过自然环境、社会环境和工程建设条件等要素的综合比选研究，给出示范项目的推荐场址，并提出工程用海和用地规划方案。研究成果将为相关研究人员今后合理比选确定类似潮流能并网发电示范项目的开发场址提供参考示例。

1 项目场址初选

目前，舟山海域开展过潮流能试验的区域主要有位于岱山县的高亭水道、龟山水道以及位于定海区的摘箬山海域，此外金塘水道和西堠门水道也是舟山海域有名的强流水道，潮流能资源条件十分优越。其中，高亭水道位于岱山县岱山本岛与对港山岛之间，水深约10～20 m，宽度约100 m，最大流速超过2 m/s。哈尔滨工程大学曾分别于2005 年和2011 年在该水道的仙洲桥下开展过“万向II 号”40 kW 潮流能发电装置和“海明I 号”10 kW 潮流能发电装置的试验工作[4]。龟山水道位于岱山岛附近的官山岛与秀山岛—大牛轭山之间海域，是往来长途与舟山岛西侧、宁波等地的常用航门，水道呈东西走向，水深约20～85 m，大部分水域水深在40 m 以上。官山岛与秀山岛—大牛轭山之间的平均宽度约1.4 km。龟山航门是我国著名的急流区，国内相关机构曾多次在此开展潮流能发电试验，如哈尔滨工程大学主导的“万向Ⅰ号”（70 kW）、“海能Ⅰ号”（2×150 kW）和岱山县科技局主导的“海能III 号”（2×300 kW）潮流发电装置[4-5]。摘箬山位于舟山市定海区，南临螺头水道，北侧与小摘箬山相望。目前，摘箬山附近开展潮流能试验的区域主要集中在摘箬山与小摘箬山之间的水道，该水道长度约500 m，宽度约200 m，水深约10～20 m。浙江大学主导或参与研制的 60 kW，120 kW，300 kW，650 kW 半直驱水平轴潮流能发电装置先后在该水道开展了海试工作[4-5]。金塘水道位于宁波北仑区与舟山金塘岛之间，是进出宁波港的重要通航水道。水道内水深介于30～80 m，且普遍大于50 m；潮流最大流速普遍大于1.5 m/s，黄蟒岛与金塘岛之间局部区域最大流速可超过3 m/s。西堠门水道位于舟山定海区金塘岛与册子岛之间，水深介于30～85 m，岛间建有西堠门大桥，老虎山西侧为通航区，老虎山东侧为非通航区。

针对上述初选场址海域，经收集材料和比对研究后发现：（1）高亭水道、摘箬山海域的水深或水道宽度较小，并且已有相关潮流能发电装置在此开展试验，无法满足新的兆瓦级项目的用海需求；（2）龟山水道、金塘水道、西堠门水道虽资源优势比较显著，但受现有通航或跨海桥梁工程影响，开发利用潮流能会在一定程度上与该海域的交通航运产生冲突。综上可知，舟山海域流速资源较好的一些著名强潮流水道，通常受区域内岸线利用、用海现状以及水深地形等条件限制，在开发利用潮流能方面存在较大困难。为了合理选取项目开发场址，需要针对其他潜在强潮流水道，开展更为详细的场址比选工作。

2 项目场址重点比选

根据项目组多次现场踏勘情况以及与地方行政管理部分的沟通对接成果，项目选址重点关注位于定海区的大亮门水道和岱山县大长途海域的多子水道。针对上述两个重点区域进行潮流能资源调查与评估、工程建设条件分析和环境影响因素排查等方面工作，最终综合比选确定拟开发场址。示范项目选址研究的技术路线如图1 所示。

图1 项目场址重点比选技术路线

2.1 重点比选场址概况

多子水道场址位于舟山市岱山县多子山岛与大长涂岛之间水道（图2-a），该水道宽约620 m，海图水深在5～40 m 之间，水道西侧存在一个水深在20～40 m 的深槽，水道东侧水深略小，在10 m 左右。水道整体呈中间小两边大的马鞍形分布，本示范项目场址拟布置于水道西侧水深较大区域。场址南、北两侧的大长途山岛和多子山岛均隶属于岱山县长涂镇。大亮门水道场址位于定海区环南街道五联村所辖大亮门山岛与刺山岛之间水道（图2-b），该水道宽约200 m，海图水深在5～40 m 之间，水道中部较深，两侧较浅，最深处可达40 m。本示范项目场址拟布置于水道中部，水深较大、地形较为平坦区域。场址东、西两侧的刺山岛和大亮门山岛均隶属于舟山市定海区环南街道。

图2 重点比选场址区域海图水深示意图

2.2 潮流能资源调查与评估

本文基于丹麦水利研究所（DHI） 研发的MIKE21 Flow Model FM HD 模块[6]搭建了二维潮流数学模型。该模型采用的潮流控制方程为垂向平均的二维浅水方程，模型空间离散采用有限体积法。

模型计算所采用的水动力控制方程如下：

式中：t 为时间；x、y 代表右手 Cartesian 坐标系；η 为水面相对于未扰动水面的高度，即通常所说的水位；h 为静止水深；H 为总水深为流速在x、y 方向上的垂向平均流速；g 为重力加速度；f为科氏力参数，f=2Ωsinφ（其中，Ω=0.729×10-4s-1为地球自转角速率，φ 为计算海域所处地理纬度）；为地球自转引起的加速度；Cz为谢才系数，Cz=为模型计算所用曼宁系数；εx、εy为 x、y 方向上的水平涡动粘滞系数。

本模型模拟的海域南起 29.257°N、北至32.011°N、西起 120.657°E、东至 124.499°E，包括长江口、杭州湾、舟山群岛在内。模型采用无结构三角形网格系统，并对舟山群岛重点关注水道区域的网格进行了加密，最小网格分辨率为10 m，开边界处网格分辨率为5 km（图3）。模型中水平涡粘系数采用Smagorinsky 公式估算，相应Smagorinsky 系数取值为0.28 m2/s。模型选用曼宁糙率系数，不同水深取不同的值，岸边潮间带取0.018 左右，外海取0.01左右。模型的时间步长为0.01～60 s。模型开边界根据MIKE21 全球潮汐模型提供的调和常数生成外海潮位过程；闭边界处法向流速为零。模型中大范围水深资料由DHI 的MIKE C-map 数据库提供，比选场址区域水深为实测获取的1：2000 水下地形数据。

图3 潮流数学模型计算域示意图

本模型经过比选场址区域开展的大范围多站全潮同步水文测验资料验证，计算结果可以较好反映舟山海域重点关注的项目比选场址海域的潮流运动情况。刻画给出的涨、落潮流场变化情况与以往研究成果也比较一致。因此，可基于上述参数模型计算反演舟山海域90 d 的流场情况，并统计各特征流速和潮流能功率密度的空间分布情况。

国外评估潮流能资源特征时[7]，常使用特征流速Vrmc，即速度三次方的均方根，可通过公式（4）求得，该参数是衡量潮流能功率密度的重要指标；平均能流密度ADP（单位W/m2）则通过公式（5）计算求得。

式中：Vj为每隔10 min 记录的各时刻流速，N为统计序列的时间步长总数。

统计结果显示（图4），多子水道场址区域的大潮平均流速可达1.5 m/s，大潮平均功率密度可达1.2 kW/m2；大亮门水道场址区域的大潮平均流速可达2.0 m/s 以上，大潮平均功率密度可达2.7 kW/m2。总体而言，两个场址的潮流能资源技术可开发量均可达到1 MW，满足兆瓦级潮流能发电项目的开发需求。但是比较而言，大亮门水道的潮流能流密度更大，水深条件也相对较好。因此从资源条件来讲，大亮门水道场址开发条件更优。

图4 舟山海域潮流大潮平均功率密度示意图

2.3 场址工程建设条件分析

2.3.1 海洋水文气象 舟山位于中纬度地带，境内气候受西太平洋、欧亚大陆影响，属于北亚热带南缘海洋性季风气候。冬夏季风交替显著，四季分明。全年多大风，春季多海雾，夏秋多热带气旋。由于两个比选场址均位于舟山群岛海域，气象条件差异不大。

舟山海域潮汐运动主要受来自太平洋的潮波影响，潮汐类型以规则半日潮为主，浅水影响比较明显。涨落潮流受地形制约明显，岛屿间水道潮流流速较大，流向大致与水道走向平行，以往复流为主，在较宽阔的水道或水域则存在旋转流。一些水道、岛屿和湾口处，因流量集中，流速很强，如金塘、西候门、龟山等水道局部流速均可达2.5 m/s 以上。从潮流场的空间变化特征来看，大亮门水道的潮流强度明显大于多子水道。

舟山海域濒临东海，是我国沿海的大浪区，长周期波浪亦可传入该海域。受季风更替和台风风向支配，舟山海域冬季以偏北向浪为主，夏季以偏南向浪居多，台风浪是一年中最大的浪。从两个比选场址的位置条件来看，多子水道位于大长涂山北侧的岱衢洋海域，呈东西走向，其东侧口门毗邻开敞海域，外海NE、E 向大浪可经岱衢洋传至项目场址水域。而大亮门水道位于穿山半岛与舟山本岛南面所夹的海域中，北有舟山本岛，南有穿山半岛，东有刺山岛、岙山岛等小岛以及朱家尖—桃花岛—六横岛岛链阻挡与外海相隔。项目场址总体处于一个相对封闭的海域，仅南、北两侧存在相对开阔的有限风区，外海混合浪对其影响极小，盛行波浪以SSE和NNW 向浪为主。分析可知，大亮门水道场址受波浪影响较小，更适宜建设潮流能发电工程。

2.3.2 工程地质 舟山群岛岛屿众多，航道发育。岛屿海拔均低于500 m，属丘陵地貌，岛屿一般植被发育，植被多以灌木、草丛为主。多子水道场址位于大长途山北侧海域，大长途山岛属丘陵地貌，岛上林木、芦苇、茅草发育。四周分布有众多岛屿，受潮流冲刷影响，海底潮流冲刷槽发育，水下滩面地形起伏较大。大亮门水道场址位于大亮门山岛与刺山岛之间，该水道宽约200 m，海图水深在5～40 m 之间，水道中部较深，两侧较浅，最深处可达40 m。目前，潮流发电系统的支撑载体主要有桩柱式、漂浮式和坐底式三种常见形式。采用适应的工程措施之后，上述两个场区海域均可以开展潮流能发电项目的工程建设。对于桩柱式和坐底式基础，由于区域海床上部以淤泥和硬可塑为主，局部为硬塑的粉质粘土。考虑到潮流能发电机组受较强的涨落潮流冲击影响，具有承受涨落潮流重复荷载的特殊性，承受的水平力大，发电机组对基础的沉降变形及倾斜度具有较高的控制要求。因此，工程海域表层的部分淤泥层不宜直接利用，应将其挖除后以强风化凝灰岩或中风化凝灰岩作为天然地基持力层。

2.3.3 电网接入 对于多子水道场址，根据本示范工程的装机规模要求并结合场址位置，拟在大长途山岛北侧设置一座10 kV 陆上集控中心作为本场址潮流能机组的电能汇集、控制及输送的中心。每台潮流能机组所发的电能通过海底电缆输送至陆上岸基集控中心，并通过升压至10 kV 后接入电网。根据舟山电网现状，与本工程10 kV 陆上集控中心位置较近的变电站有35 kV 长途变电站（位于小长途山岛）和110 kV 长途变电站（位于大长途山岛）。因此，可以将潮流能机组所发的电能通过海缆输送至10 kV 陆上集控中心进行升压后，再通过架空线连接至110 kV 长途变电站，接入当地电网。对于大亮门水道场址，根据本示范工程的装机规模要求并结合场址位置，拟在刺山岛南端设置一座10 kV陆上集控中心。每台潮流能机组所发的电能通过海底电缆输送至陆上10 kV 箱变，经架空线接入岸基集控中心后接入当地电网。比较可知，两个比选场址均具备兆瓦级潮流能电站的并网接入条件。但多子水道场址因拟接入的110 kV 长途变电站电压等级较高，会存在因变电站未预留对应电压间隔而导致无法正常接入的可能性。

2.4 环境影响因素分析

根据《浙江省海洋功能区划（2011—2020 年）》和《浙江省海洋生态红线划定方案》显示，多子水道和大亮门水道场址分别位于长涂保留区（A8-5）和定海港口航运区（A2-9）（图5），与浙江省生态红线划定方案无冲突。根据上述海洋功能区的海域使用管理和海洋环境保护要求可知：多子水道场址和大亮门水道场址均与浙江省海洋功能区划基本相符，满足其“重点保障工业与城镇建设用海”的海域使用管理要求；工程建设不涉及养殖、不新增排污口、基础永久占地较少，对区域海水水质质量、海洋沉积物质量、海洋生物质量基本无影响；工程建设对海洋水动力环境、岸滩及海底地形地貌形态影响基本可控。针对最终选定场址，在工程建设前，需要开展相关专题进一步论证工程对海洋功能区的影响，征得行政主管部门同意，取得相关海域使用权证。

根据《舟山港域航道与锚地专项规划》[8]显示，多子水道场址规划有1 万吨级以下等级航道。鉴于场址海域规划航道等级较低，且在场址海域北侧另有一条1 万吨级以下等级规划航道，可以考虑向相关主管部门申请调整相关规划，并在项目实施前开展通航安全影响专题论证，分析该区域通航与场区相互影响关系，并根据专题论证意见和港航、海事等行政主管部门的批复意见在施工阶段、运营阶段采取相应的工程措施降低潮流能建设对通航环境影响和通航对潮流能场址安全影响。大亮门水道场址附近无现状航道和规划航道，因此建设条件优于多子水道场址。

2.5 场址综合比选结果分析

根据上述分析结果，将两个重点比选场址的情况汇总后如表1 所示。经综合分析，本文认为大亮门水道场址的水深较大，流速条件也较好，资源更丰富，而且毗邻刺山岛，电网接入等工程建设条件相对较好，所发电能可就近并网，故确定其为兆瓦级潮流能并网发电示范项目的推荐开发场址。

图5 重点比选场址与浙江省海洋功能区划位置关系示意图

3 项目场址用海用地规划

3.1 规划原则

机组位置应根据表2 所示原则进行总体布局，进而确定项目用海需求。

3.2 规划结果

3.2.1 机组布置方案 示范工程潮流能总装机为1 MW，结合场址海域的水深条件和潮流能资源条件，可按照公式（6）估算工程海域可供布置的潮流能发电机组的最大单机容量[7]：

式中：PR为机组额定功率（kW）；A 为机组水轮机获能面积（m2）；UR为机组额定流速（m/s）；ηR为机组整体转换效率。经估算，潮流能发电机组的最大单机容量约为500 kW。

从设计、施工、制造以及后期的运行维护的角度考虑，本项目应优先选用同一型号、相同额定功率的机组。此外，考虑到海上施工难度较大，应尽可能减少机组台数，减轻海底基础施工以及机组安装的工作量。因此，为满足本潮流能示范工程装机规模1 MW 要求，拟选择布置2 台500 kW 的潮流能发电机组作为推荐装机方案。根据机组直径和顶、底部的最小间隙要求，潮流能发电机组布置在海床高程为-35～-25m 范围内，具体布置方案如图6 和图7 所示。

表1 项目比选场址情况汇总表

表2 机组位置布局原则

根据场址区域潮流能平均功率密度和水深分布情况，估算得到工程海域可供布置的潮流能发电机组单机容量约为500 kW，因此本示范项目拟布置安装两台转轮直径为19 m、单机容量为500 kW的水平轴潮流能发电机组。根据叶尖的顶、底部间隙要求和水道内潮流能功率密度的分布差异，机组布置在大亮门水道北口、海床高程在-35～-25 m 范围内。

图6 大亮门场址水下三维地形及潮流能发电机组布置图

图7 大亮门场址工程平面总布置图

3.2.2 电气布置方案 考虑到潮流能发电机组的出口电压一般为690 V，因此规划在东侧的刺山岛近岸设置2 套陆上箱变，潮流能机组分别就近通过海缆接至箱变，通过箱变将潮流能机组出口电压升高至10 kV，升压后通过架空线接入10 kV 陆上集控中心（10 kV 陆上站），然后利用岛上现有10 kV架空线接入当地电网（图7）。示范工程考虑由舟山地调一级调度管理，采用“无人值班”（少人值守）方式运行。在岸基集控中心的控制室内，设置潮流能机组计算机监控系统、变电开关设备、通信系统、图像监控系统、火灾自动报警及消防控制系统等设施。

3.2.3 潮流能机组基础设计方案 国外潮流能发电机组基础结构有重力式（座底式）、桩柱式、吸力式和漂浮式等几种型式，其中重力式和桩柱式这两种基础型式已经有了较成熟的应用经验。根据规划场址区域的工程地质、水深、流速和潮流能机组荷载等设计条件，结合国内海洋工程、港口工程施工能力，经初步分析计算可采用重力式基础方案，具体由支撑结构和重力式基座两部分组成。潮流能机组的地基基础设计级别为1 级，机组基础结构安全等级为一级，抗震设防烈度为Ⅶ度，潮流能发电机组基础抗震设防类别为标准设防（丙类）[9]。

3.2.4 规划用海用地方案 本示范项目用海包括潮流能机组和海底电缆用海。潮流能机组所占用海域属于电力工业用海范畴[10]，应以发电设施外缘线外扩50 m 距离为界确定用海范围；10 kV 海缆所占用海域属于海底工程用海范畴[10]，应以电缆管道外缘线向两侧外扩10 m 距离为界确定用海范围。经计算，本项目全部2 台机组和10 kV 海缆所占用的工程永久用海面积约为1.9×104m2。此外，本项目需要在陆域条件下建设的永久建筑物为岸基集控中心，工程永久用地面积约为0.13×104m2。

4 结论

潮流能的能流密度较大、资源相对稳定，所用能量转换装置的几何尺度较小，应用灵活、建造方便，因此得到了人们的持续关注。我国的潮流能资源比较丰富，在沿海地区建设适合海岛环境的海洋能发电系统，将为沿海地区和海岛经济社会可持续发展提供支持。推动潮流能示范工程建设是我国近期海洋能发展的重要任务之一。如何合理选取项目场址是工程建设的关键问题。因此，本文针对在舟山海域建设兆瓦级潮流能并网发电示范项目的场址比选方案进行了系统研究。研究结果表明：

（1）在舟山海域，高亭水道、龟山水道、摘箬山水道、金塘水道和西堠门水道等一些流速资源较好的著名强潮流水道，通常受区域内岸线利用、用海现状以及水深地形等条件限制，规划建设兆瓦级潮流能发电项目存在较大困难。

（2）针对本项目重点参与比选的两个场址——多子水道和大亮门水道，通过潮流能资源调查与评估、工程建设条件分析和环境影响因素排查等方面工作，最终综合比选认为，大亮门水道场址的资源条件要优于多子水道场址，电网接入条件也相对较好，所发电能可就近并网。因此，最终推荐大亮门水道为本项目的主选开发场址。

（3）依据示范项目在装机规模、水深及地形、机组间距以及其他环境限制条件方面的要求，对大亮门场址区域的工程方案进行了规划布置。示范项目装机规模1 MW，拟在海床高程-35～-25 m 范围内布置安装两台单机容量500 kW 的水平轴潮流能发电机组，并且采用重力式基础方案；在刺山岛近岸设置2 套陆上箱变，潮流能机组通过海缆接至箱变后升压至10 kV，然后通过架空线接入10 kV 陆上集控中心，然后利用岛上现有的10 kV 架空线T 接并入当地电网。

（4）示范项目用海包括潮流能机组和海底电缆用海，分别属于电力工业和海底工程用海范畴，所占用的工程永久用海面积约为1.9×104m2。陆域条件下建设的永久建筑物为岸基集控中心，工程永久用地面积约为0.13×104m2。

综上，本文以舟山兆瓦级潮流能示范项目为例，分析探讨了潮流能并网发电示范项目在工程建设前期工作阶段的场址比选流程、方法与内容，给出了工程总体规划建设方案，研究成果具有一定代表性，可以为后续类似潮流能发电工程的选址研究工作提供参考依据。