海洋潮汐發電設備的優化和機型選擇研究

哈爾濱電機廠有限責任公司 劉孝忠

哈爾濱電機廠有限責任公司 劉孝忠

由于地球和月球或太陽之間相對的天體運動而引起海面的橢圓形周期性運行，不是高于就是低于平均海面。海面的上下運動稱為潮汐，海水的水平方向運動稱為潮流，它們的運動周期幾乎相同，約為半日或一日。潮汐高度取決于地球的質量和半徑、天體(月球或太陽)的質量，地球與天體之間的中心距離、潮汐在海面上所處的方位等。用于潮汐發電的潮差（漲潮和退潮兩者之間的水位差）通常選在5m以上。潮流能量的特點是取決于每日兩次的潮位變動和每月兩次程度較大的潮位變動，而與季節無關。潮流同潮汐一樣，流速呈正弦波狀變化，其周期為12h25min。

1 潮汐發電原理

P=9.8 ηQH， kW

式中：η——能量變換的綜合效率；Q——流量，m3/s; H——潮差，m。

潮流發電的功率P則按下式求得：

P=1／2 ηSV3， kW

式中：S——潮流斷面，m3；V——潮流流速，m／s。

由上述2式可見：為了增加功率，應在電站選址時盡量選擇潮差、流量、流速較大的海域。

原文：http://www.dpm.org.cn/collection/ceramic/226720.html?hl=%E8%B1%A1%E8%80%B3%E8%BD%AC%E5%BF%83%E7%93%B6

潮汐發電的運行機理與蓄水池的設置有關：

1.1 單池單向發電。有1個蓄水池，只在落潮時發電。漲潮時壩門打開，海水充滿蓄水池；落潮時壩門關閉，潮水驅動水輪機發電。

1.2 單池雙向發電。也是有1個蓄水池，卻落潮和漲潮都發電，且與物水并用。為了保持落差，并非落潮一開始就發電，而是向蓄水池泵水，然后停機待機，直到潮水落到潮差的一半時才開始放水發電。反之亦然，漲潮一開始也不立即發電，而是將蓄水池剩余的水抽向大海，再停機待機一段時間，直到潮水漲到一半潮差時再開始發電。盡管如此，用于發電的時間遠遠超過泵水和待機的時間之和。

1.3 雙池雙向發電。此時備有上、下兩個蓄水池，發電機組則置于兩池之間。落潮時不是利用蓄水池與海面之間的落差發電，而是利用上下兩池之間的水位差來發電，這就與不斷變化的海面水位無關。漲潮時上池被充滿，落潮時將下池放水，從而形成兩池之間的水位差，利用該水位差可使機組連續運轉。

發電方式選擇

潮汐電站通常選址在海灣灣口，筑壩截流，形成水庫，蓄水發電。發電方式有兩種：雙向和單向。

2.1 雙向發電

在建的韓國西瓦即將成為世界上最大的潮汐電站，無論是裝機容量(21MW，共12臺)還是裝機總容量(252MW)都超過了目前最大的潮汐電站——法國朗斯(10MW，共24臺，總裝機容量240MW)。法國朗斯和中國江廈都采用雙向發電，即張潮和退潮2個方向都發電。此時需在6種工況下運行：分別在正向和反向時的發電、空載過水和泵水。西瓦水頭范圍為1～7m，退潮時的發電，當水頭(潮差)降至1m時停止發電，而是空載放水當海灣水庫水位降至與大海水位相等、水頭(潮差)為零時進行抽水，即發電機組作為電動水泵將水庫水泵向大海，人工降低水庫水位，以便漲潮時形成更大的潮差，增加發電量。雖然泵水要耗電，但減少了發電等候時間，在發電效益和泵水耗能兩者的差值中獲益，最終結果還是使發電量增加10%。反方向的漲潮時發電工況類似發電水頭降至1m時放水，水頭為零時泵水。此時由大海向水庫充水，以便加大正向(退潮)發電時的水頭。雙向發電方式的最大優點是充分利用潮汐能量。

雙向發電的缺點是：①效率低。反向發電時水流先經轉輪后至導水機構，轉輪之前尚未形成水流環量，效率低；②造價高。發電機和水輪機都是可逆的，正反2個方向泵水工況時，導葉開度都將固定在90°～100°位置，增加了導水機構的傳動機構和接力器等的制造成本；③壽命低。正反方向的泵水是在揚程(水頭)很小(約1m)工況下運行，遠離了水泵最優運行工況，不僅效率低，而且耗能大、運行穩定性差，影響機組壽命；④性能差。可逆轉的雙向運行要求轉輪葉片雙面彎曲翼型為S形，其壓力分布很不理想，會使轉輪空化性能惡化。

經過反復對比、權衡利弊，哈電提出西瓦采用雙向發電方式。

2.2 單向發電

中國有9個潮汐電站已運行多年，其中7個是采用單向發電。這種發電方式很簡潔，基本上就是一種發電工況，只不過在漲潮時向海灣水庫充水(開閘)，退潮時則關閘發電。采用單向發電方式就避免了上述雙向發電所存在的問題，運行可靠性、穩定性都高。

3 發電機組對比

海洋潮汐發電機組屬于低水頭水電機組，除了海水，與傳統的淡水江河用低樂頭發電機組沒有區別。

3.1 泡形貫流式

燈泡式機組屬于軸流式水電機組的一個分枝，是一種新型機組，它比傳統的軸流定槳或轉槳式機組重量減輕了20%～30%，它的軸線幾乎與水流平行而不像轉槳式那樣垂直。水流經過尾水管肘管要轉90°以上的拐彎，對于上下游水位相差不大的低水頭電站來說，平面尺寸和跨躊度間隔太大。

3.2 軸伸型貫流式

水輪機置于流道中，發電機則置于陸地上，其間用長軸傳動，或通過齒輪增速器使發電機加速。當水頭很低.甚至低子5m時, 采用這種又稱為豎井式的機組則可通過增遮器來加大容量，而燈泡式機組卻只能增大泡體直徑來提高功率。

3.3 圓環形全貫流

這種機型水輪機在流道中，而發電機則裝在水輪機外圍，轉子磁極直接裝在水輪機轉輪葉片外緣，其間采用迷宮密封來防止流道中的水漏到電機內部。這種機型特點：直徑較大，可以增大功率，卻不必像燈泡式那樣加大泡體直徑和流道開挖量。

3.4 圓筒形正交式

這是最新機型。與前述3種機型不同，它們的軸線幾乎都與水流流線平行。而該型則是垂直，水輪機轉輪呈圓筒形，通常為3～4個葉片，葉片斷面類似螺槳，兩面翼型不同，葉片長度方向與軸線平行，但斷面翼型沿葉片全長都是一樣，便于成型加工、大量生產。這種機型的過水能力比軸流轉柴式大1.4倍，機組重量卻減少約55%，混凝土用量也少12%，很有前途。

3.5 真機選型實踐

經過反復論證、分析對比，哈電認為韓國西瓦電站適于選用燈泡式，主要論據如下：

①最新型正交式。俄國規劃中和在建的大型潮汐電站都采用它，而且歷經多次試驗和中間機組的真機試驗驗證。雖然它也采用雙向運行，但機組旋轉方向不變是最大特點。而其他機型的雙向水流不運行時，機組轉向必須反復改變，對機組運行可靠性和壽命非常不利。

②全貫流式。這種機型設計新穎、結構簡單、投資較少、費用較低。加拿大芬地灣安納波里斯潮汐電站的19.9MW這種機型于1984年8月投運至今。與燈泡式比機組長度縮短約1/4，造價減少約20%，但能量指標不如燈泡式。磁極固定在轉輪葉片上，葉片難于轉動，只能定槳運行。潮汐負荷多變，易損部件也是主軸和葉片密封，這種機型又加上葉片外緣旋轉密封，可靠性又難以保證，所以不選該型。

③豎井式機組。必須配備增速器，傳動效率為90%左右，影響發電機效率，如果不是5m以下的水頭，選它就不太合算，西瓦水頭9m，就不能選它。

4 關鍵參數優化

對于潮汐電站用低水頭機組，為了降低廠房高度和減少機組造價，只能盡量提高機組的比轉速。與常規的江河水電站不同，海洋潮汐的水位變化很像正弦曲線，每個發電周期都要過一次極低水頭發電的過程。此時水頭很低，為獲得更多電能，只能提高轉輪的最優單位轉速，這就必須相對減少葉片數目。對于法國朗斯電站，選用葉片數目為4枚，其比轉速為1030mkW。如果選用3葉片方案，就能將該比轉速值提高到1100mkW以上，哈電公司生產的木京水電站的常規燈泡式機組的重要參數與法國阿爾斯公司生產的朗斯機組對比見表1。在國際招投標會上，哈電與阿爾斯通為韓國西瓦潮汐電站提供的燈泡式機組參數對比見表2。由此可見，采用雙向發電方式的朗斯機組效率只有73%，而采用單向發電方式的木京機組卻高達91.4%，證明西瓦選擇單向運行是對的。

5 電站造價減少

潮汐電站造價中，土建工程約占45%，發電設備約占50%，其他約占5%。開發潮汐電站的主要目標是降低造價、減少成本，以便提高其電費的競爭力。采用現代化浮運沉箱法，可以降低長壩造價的1/3以上，從而取代傳統的固堰法。這種新方法是將大壩區段在船塢中成批制成后，用漂浮拖運法運到現場再填充砂礫沉入海中。發電機組已事先裝入該薄壁鋼筋混凝土模塊之中。

采用現代化浮運沉箱施工法可以避免在深水中或易受風潮威脅的站址修建昂貴且復雜的圍堰，而使工程造價減少25%～38%。雖然浮運結構內部復雜，而且影響浮運穩定性的因素很多，但是基于網絡技術建立的潮汐電站浮運結構浮運定性分析智能軟件，可以反映浮運結構形狀和浮運穩定性之間的非線性關系，預報在任意吃水深度下的浮運穩定性。建立合理的模型可掌握不同階段結構的受力變化及受力特點浮運施工技術的創新、數學方法的改進可進一步增加工作效率。

6 結論

①我國的500kW以上的潮汐電站有191座，總容量可達21580MW，應大規模地開發這種電站。

②潮汐電站用的低水頭貫流式機組，我國達到了世界先進生產水平。

③雙向發電的綜合效益較高，應當完善、擴大利用。

表1 哈電與阿爾斯通生產的燈泡式機組參數對比

表2 哈電與阿爾斯通為西瓦潮汐電站提供的燈泡式機組參數對比