風光柴海水淡化綜合系統工程設計方案及應用淺析

文 | 湯群益

風光柴海水淡化綜合系統工程設計方案及應用淺析

文 | 湯群益

浙江省海島數量居全國之首，全省擁有3061個島嶼，約占中國海島總數的2／5，海島旅游產品正由觀光型向觀光度假型提升。但海島旅游資源的開發受電力、飲用水緊缺和交通困難的制約。海島上電力緊缺而風能資源十分豐富，開發風能資源以解決島上電力不足，具有明顯的實際意義。近年來，浙江省及沿海市縣各級政府對海洋經濟開發、海島資源利用、海島居民生活條件的提高日益重視。海島有較好的風能和太陽能等可再生能源可利用，建設生態海島、環保海島，促進海洋經濟發展，提高海島居民的生活品質。

該風光柴海水淡化系統工程擬安裝7臺單機容量30kW的風電機組、100kWp的光伏發電系統、1臺200kW柴油發電機及一套50t/d海水淡化系統，總裝機容量510kW，并設有蓄電池組調節。風電機組在升壓站AC400V側匯流。設置1臺315kVA升壓變壓器，海水淡化系統與居民用電負荷錯峰運行。

設計規模

一、風力發電規模：

在該工程西北側和西南側布置分別布置4臺和3臺單機容量30kW的風電機組，共有7臺，總建設規模210kW。

二、光伏發電規模

可與風力發電互補，設100kWp的光伏發電系統。

三、柴油發電機規模

可慮電網穩定運行及用電負荷要求，設1臺200kW柴油發電機。

四、海水淡化規模

該島常住人口約300人，部隊約50人，為解決當地居民及部隊水電短缺問題，擬建立一套風光柴海水淡化系統，生產淡水50t/日，在風力發電電量過剩時，用于海水淡化系統生產淡水，以解決淡水資源短缺現狀。

設計方案

一、 風電機組選型、布置及發電量

（一）機組選型

該島距離大陸較遠，本工程所需的各種設備均需通過船只運輸，交通較不方便；島內交通也較不便。考慮到該島交通運輸現狀，結合島上用電負荷較小的特點，本工程宜選擇單機容量較小的風電機組。經分析按照單機容量30kW的風電機組進行設計。

單機容量30kW的風電機組技術特性見表1。

（二）風電機組布置

根據島內風能資源分布特點將風電機組布置在風能資源較好的區域；為減少工程投資及降低施工難度，風電機組布置在島內交通較方便的區域；避開島上部隊設施等敏感因素；根據島上用電負荷特性及本工程風、光、柴、海水淡化綜合系統的設計需要，本工程擬安裝單機容量30kW的風電機組7臺，總裝機容量210kW。

表1 單機容量30kW的風電機組技術特性

風電機組布置圖詳見圖1。

（三）年發電量計算

本工程7臺單機容量30kW的風電機組其年上網電量為30.55萬kWh，等效滿負荷小時數約1455h。

二、 光伏系統選型、布置

（一）并網光伏系統工程（100.8kWp）光伏系統選型

太陽電池組件選用單晶硅太陽電池組件，其他直流接口設備包括：在方陣場安裝的光伏陣列防雷接線箱和電源機房內安裝的直流配電柜等。

（二）光伏方陣場布置

WXS－180S型組件以2*10的排列方式串聯成一個陣列，根據緯度情況計算組件朝向為正南方，傾斜角20°，根據冬至日10點太陽高度角，計算太陽電池組件方陣安裝間距為1040mm。光伏工程布置28個太陽電池組件方陣，光伏發電場合計為100.8 kWp，布置匯流箱6只，將匯流后的電流接入光伏直流配電箱。

三、海水淡化選型和布置

本海島常住人口約300人，部隊約50人，為解決當地居民及部隊水電短缺問題，擬建立一套風光柴海水淡化系統，在風力發電電量過剩時，用于海水淡化系統生產淡水，以解決淡水資源短缺現狀。

（一）工藝選擇及流程說明

日產50t/日淡水反滲透海水淡化工程包含海水預處理、反滲透海水淡化及產品水后處理。工藝流程如下：海水取水泵—→海水原水池—→原水增壓泵—→多介質過濾器—→保安過濾—→海水高壓泵＋ 能量回收裝置—→反滲透海水淡化裝置—→淡水蓄水池。

（二）海水淡化廠布置

海水淡化廠主要為海水淡化車間、海水原水池、淡水蓄水池及取水泵房。

四、電氣設計

(一) 負荷估算

本海島因受電源限制，用電負荷較小，負荷估算：居民用電負荷按常住人口300人，約100戶家庭，戶均2kW估算，用電負荷約200kW；部隊用電負荷約40kW；海水淡化系統負荷約24kW。總用電負荷約264kW，年總用電量約47.08萬kW h。海水淡化和供水泵負荷可與居民用電負荷錯峰運行，實有用電負荷約240kW。

圖1 風電機組布置圖

根據島內用電負荷、國內風電機組制造情況、海島地形條件、風能資源，選用7臺單機容量30kW風電機組、100kWp太陽能光伏電池和1臺200kW柴油發電機組。

7臺單機容量30kW風電機組，總容量為210kW風電機組年發電量約為30.55萬kW·h；100kWp太陽能光伏電池年發電量約為9.63萬kW·h；風力發電和太陽能發電合計年發電量約為40.18萬kW·h；風光發電不足的部分由柴油發電機組承擔。在豐水季節淡水可由雨水收集凈化，可不進行海水淡化。

(二) 電網方案

根據本工程風光柴的電源設置和負荷情況，電網方案如下：

設置7臺單機容量為30kW的風電機組，二組50kWp的光伏太陽能發電裝置，一臺200kW柴油發電機組，向海島居民、部隊、海水淡化裝置、供水水泵供電。7臺風電機組和柴油發電機以AC400V在低壓母線并網匯流；二組光伏發電裝置以DC480V匯流，蓄電池接于DC480V匯流母線，經雙向逆變器并入AC400V在低壓母線。

該方案以柴油發電機為主電源，維持電壓和頻率穩定。根據風電機組、太陽能發電裝置的出力情況、蓄電池的儲能情況和用電負荷變化情況，以盡可能利用風光可再生能源、減少蓄電池充放電次數、節約燃油為原則，由監控系統控制發電機組的運行和用電負荷的投切，以維持系統電壓和頻率的穩定和電力平衡。海水淡化裝置、供水水泵安排在有富余電力時運行；因風電、光伏電源均為間歇性電源，為提高供電保證率，設置一套1500AH的蓄電池進行蓄能調節，在蓄電池放電至其蓄電量的60%時，為延長蓄電池使用壽命，蓄電池將停止放電。當風光發電出力充裕，除滿足正常負荷外，調減柴油發電機出力，開起海水淡化，調節風電機組出力或投入電阻器進行電力平衡電，并可為蓄電池充電。

（三）控制

設置一套計算機監控系統，采用以計算機為基礎的集中監控系統。值班人員在控制室通過控制臺上操作員工作站的顯示器、鍵盤、鼠標等人機接口設備，完成全系統電氣設備的監控任務。計算機監控系統包括主機兼操作員工作站、公用PLC柜、網絡設備、打印機等設備。風電機組和太陽能發電裝置的控制自成系統，該系統應能接受來自計算機監控系統根據負荷的大小發出的遠方調控，即計算機監控系統應根據居民、部隊、海水淡化裝置的用電量控制風電、太陽能的出力，確保供發電系統的安全穩定運行。計算機監控系統也能接受風電機組和太陽能發電裝置控制系統的重要參數和信號。計算機監控系統能具有向值班員發出中文語音報警和手機短信報警的功能。計算機監控系統能具有采集數據、數據歸檔、事件記錄、生產報表的功能。設一套直流電源系統，額定電壓采用220V。直流電源系統供給控制、保護、斷路器分合閘、不間斷電源等。

五、土建工程設計

（一）風電機組布置

風電機組基礎持力層采用天然地基，其承載力和變形均能滿足結構要求，采用現澆鋼筋混凝土擴展基礎，基礎尺寸為6m×6m，正四邊形，埋深1.8m。單個基礎混凝土量約為35.0m3，鋼筋量約3t。

（二）光伏組件支架及基礎

光伏組件支架采用固定式支架，基座為現澆混凝土基礎，支架采用鋼支架。光伏組件基座的排列應根據光伏列陣的排列，應能便于安裝、維護并具有抗傾覆、抗滑能力。基座高度偏差不應大于5mm，水平度偏差不應大于3mm/m。

（三）升壓站總布置

10kV升壓站位于工程中部，升壓站圍墻中心線內面積為1350m2。升壓站站內道路為城市型，道路呈環形布置,主干道寬3.5m，轉彎半徑為6m；升壓站南側大門寬7.5m。升壓站站內設一幢變配電房及其他附屬建（構）筑物。變配電房一層布置，建筑面積438m2。布置高壓變配電室、低壓配電室、蓄電池室、控制室、備品備件間、休息室、廚房等。升壓站布置詳見圖2。

圖2 工程綜合系統圖

（四）海山淡化廠區布置

海水淡化系統主要布置海水原水池、淡水蓄水池、取水泵房及海水淡化車間。海水原水池占地面積4.0×4.0 m2，總深3.5m，有效水深3.2m，有效容積約50m3，該構筑物為全地上式貯水結構，采用現澆鋼筋混凝土結構。淡水蓄水池占地面積4.0×4.0 m2，深3.5m，有效水深3.2m，有效容積約50m3，該構筑物為全地上式貯水結構，采用現澆鋼筋混凝土結構。取水泵房占地面積約10m2，單層結構，層高3m，該建筑物擬采用磚混結構。海水淡化車間：將廢棄魚粉廠廠房改造裝修后利用，石砌結構，占地約120m2，總高約5m，現為雙層結構，擬改為單層，作為淡化廠設備車間。

建成應用

項目建成后每年的運營成本為90萬元，供電的電價為1.82元/kWh，水價為5.0元/t，該價格高于當地居民生活用電用水價格。由于本項目目的是為了解決偏遠海島供水、供電的民生問題，地方政府出臺了相應的政策措施進行補貼。項目建成后運營正常，基本達成項目建成生態海島、環保海島，提高海島居民生活品質的初衷，且項目建成后該海島已成為當地的一個旅游景點，通過旅游促進了當地經濟發展。

該項目建成運營也對全國孤立海島的開發提供了很好的示范。

(作者單位：中國電力建設集團華東勘測設計研究院)