對海洋發電設備的特殊要求

劉 宇

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150050）

對海洋發電設備的特殊要求

劉 宇

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150050）

介紹了海洋發電設備的結構設計和材料選擇，以及運行維護，提出了因空蝕破壞、電蝕破壞、海洋生物破壞等對設備侵蝕的預防措施，為今后海洋發電設備的開發提供參考。

海洋發電設備；結構性能；陰極保護；微生物附著

與普通的水力發電設備不同，海洋發電設備處在比較惡劣的運行環境中。為了保證機組的安全穩定運行，防止海水腐蝕、海浪沖擊和海洋微生物的附著，國家和國際標準都提出了許多特殊要求。在市場競爭中，我國通常以價格優勢取勝；然而發電設備的用戶，越來越重視性價比。為了總結經驗，提高國內外市場競爭能力，筆者針對海洋發電設備的性能提高、價格降低、運行可靠和壽命延長等方面進行了探索，并在水力發電設備國家重點試驗室進行了反復實驗研究，取得了一些成果。

1 海洋發電

地球表面積的71%是海洋，而海洋是巨大的能源。太陽注入地球表面的能量中，大約2／3是用來加熱海面表層的海水，使其與深水的溫差超過20K。海面的上下運動稱為潮汐，海水的水平方向運動稱為潮流。海水的運動是一種能量，可以用來發電，比如溫差發電、潮汐發電、潮流發電等。

作為一種可再生的清潔的新能源，當今世界開發應用比較大的海洋發電方式是潮汐發電［1］，如世界最大的法國朗斯潮汐電站，裝機容量為240 MW，運行40多年，其可用率高達90%；其次是加拿大的阿那波里斯潮汐電站，1984年8月投運至今；比朗斯潮汐電站還要大的是韓國即將投入運行的西瓦潮汐發電站；正在開發的還有加拿大的芬地灣，阿根廷的桑坡亞，俄羅斯的圖古爾、梅洋、潘辛斯卡亞，英國的塞文、梅爾西、杜登，韓國的仁川港、泰安、群山、全羅，澳大利亞的坎貝灣，中國的杭州灣，美國的帕薩馬廊迪等潮汐電站。

潮流發電的容量雖然比較小，但是它不像潮汐發電那樣需要選擇具有海灣的地方和建造影響海洋生物生存的堤壩［2］，比如中國的岱山（容量為70kW）、舟山（容量為100kW）。英國正在建造世界上最大的潮流發電站，單機容量為1．2 MW，40～50套機組。

至于海浪發電，由于容量小、成本高等原因，早期只能用于燈塔的照明，后來發展到用于海洋養殖和局部區域的居民生活用電。

與普通發電方式不同，海洋發電是利用海水能量來發電。由于鹽水的腐蝕、流體的空蝕、風暴的襲擊，以及微生物的附著等，對于開發應用海洋發電設備，在結構性能方面提出了特殊要求，而且已經列入國家甚至國際標準。

2 海洋發電設備的設計

2．1 材料選擇

由于海水的腐蝕作用會使發電設備轉輪葉片的過流表面變得粗糙，水動力學性能降低。在材料選擇方面，首先考慮的是復合材料，而不是金屬材料。復合材料的優點是：（1）質量輕，便于水下安裝，減少吊裝費用；（2）可以采用模具成型，加工方便，精度比較高；（3）減少微生物的附著；（4）不存在腐蝕問題；（5）具有比較高的抗疲勞性能。

與玻璃絲環氧樹脂相比，采用碳素纖維環氧樹脂復合材料，能夠具有更高的強度和剛度，特別是對于承受暴風掀起的巨浪、地震、臺風以及海洋浮冰等的沖擊，具有很大作用；但是，它的成本比較高。采用復合材料時，必須滿足下述國際標準ISO 62規定的特殊要求：（1）當層壓樹脂材料尺寸為50mm×50mm×2mm時，在含鹽質量分數為2．5×10－6的海水中浸泡168h以后，復合材料的吸水率不得超過50mg；（2）復合材料的表面都必須具有合適的涂層，防止周圍介質的損傷和海洋生物的附著生長；（3）采用的纖維增強塑料等復合樹脂，在固化處理以后不會吸水。此外，復合材料應當浸泡在溫度為20K的海水中進行力學試驗，粘接材料應當浸泡在溫度為20 K的海水中進行拉伸試驗。

世界上潮流發電設備發展比較快的國家是英國，其MCT公司最近幾年開發的第二代潮流發電設備中，采用材料的比例為：碳鋼占88．8%，鑄鐵占7．3%，復合材料占2．0%，銅占1．0%，不銹鋼占0．6%，其他材料占0．3%。由此可見，雖然采用了一些復合材料，但是仍然以鋼鐵材料為主。

2．2 轉輪結構

用于潮流發電的水力機械中，轉輪結構與潮汐發電方式采用的軸流式燈泡型水輪機不同，它采用類似于圓形管道式通風機那樣的渦輪機轉輪。由于轉速很低，只有10～30r／min，為了增加容量，所以葉片很長。早期的轉輪葉片采用鋼材制造，葉片由縱向的主梁、橫向的輻板和表皮組成，全部鋼制。由于具有流線型的外層表皮形狀復雜，只能采用點焊加工，費時費工，成本又高；后來，改為由復合材料和鋼材相結合的復合結構，即受力比較大的主梁，仍然采用鋼材，而輻板則采用成本比較高的碳素纖維復合材料，外表的包皮就直接采用成本相對比較低的玻璃纖維復合材料。英國已投入運行的比較大的發電設備的容量為1．2MW，其葉片長度為7．5m。機組容量為500kW時，葉片長度只有6m。對于直徑為11m的轉輪，它的葉片長度方向均勻分布有7個輻板，其厚度為65mm，它通過葉片根部的法蘭與機組的主軸連接。就像普通轉槳式水輪機那樣，采用變槳距控制，葉片的沖角可以調節，以便適應潮流流速的變化，達到在最高效率下運行。為了防止葉片受到腐蝕、空蝕和海洋生物的附著，在葉片的表面涂敷含有銅粒子的環氧樹脂涂層。實踐證明這種銅基防污涂層效果良好。

2．3 支撐結構

海洋發電設備必須能夠承受來自臺風、海浪、地震、浮冰等的沖擊，必須保證它具有足夠的強度和剛度，以及運行的穩定性和可靠性［3］。按照海洋能源研究中心制定的關于海洋發電設備制造、安裝和試驗方面的指導性文件的規定，海洋發電設備結構上的選擇，必須符合要求的級別，并達到指定的可控性和可追溯性。需要強調的是，如果采用屈服強度比較低的材料，有可能造成支撐設備機械強度方面的不足；但是，如果采用屈服強度比較高的材料，又可能產生焊接方面的問題。

結構材料的選擇，必須符合ISO／TR 15608的規定，其中包括驅動主軸、聯接法蘭、連接螺栓、鍵、銷釘等。用于支撐結構上的混凝土制品和各種纖維增強塑料等，必須按照規定的等級要求供貨。在材料的要求中包括材料來源、極限強度、密度、顆粒尺寸、化學成分等。材料的供貨單和領料單都必須是可追溯的，應當能夠追溯到原材料生產過程中的每一個環節、每一個工序，并且帶有工序標示。所有材料都應當能夠追溯到檢驗合格的認證書。

潮流發電設備通常選擇在近海的海水流動速度比較大的海域。主要支撐結構部件是插入海底的圓形管狀鋼樁，必須能夠承受發電設備的整個質量，以及暴風、海浪、地震等環境載荷。圓形鋼樁的質量和尺寸設計，必須考慮到海洋駁船的提升能力。英國MCT公司的潮流發電設備，當鋼管直徑為2．1m、長度為42．5m時，質量可達80t。其外部接觸海水的表面，應當涂有環氧樹脂基的防蝕涂料。圓形鋼樁的外圓套有大型墊圈。發電機組的支架，便通過鋼質的套環和這種墊圈上下滑動，以便適應海水平面的波動。發電機組固定在機艙里面，該機艙由工字形鋼梁制成，外部包復以薄鋼板。

3 防護措施

3．1 空蝕破壞

當流體機械的局部靜壓下降到汽化壓力時，便開始產生真空化的空泡。這種真空負壓極大，能使過流表面脫流，并在流體與金屬表面之間形成真空。這些空泡里面沒有氣體，甚至也沒有空氣。當它到達高壓區域時，便突然破裂，并從零部件的過流表面向外高速噴射，形成粉碎性的微米級的許多小空泡。這種空泡破裂所產生的負壓極大，其局部壓力高達104MPa，足以把金屬表面的結晶顆粒撕裂下來，與此同時還產生高頻噪聲。

這種破壞作用主要來自兩個方面：（1）高速噴射。空泡突然破裂時產生的水錘作用，破壞了金屬材料表面的結晶結構，使其顆粒脫落并形成極小的微米級的凹坑，而且不斷擴大和加深，形成魚鱗狀凹坑，不僅降低了轉輪的水力性能，而且還減少了運行壽命。（2）沖擊波。空泡突然爆破粉碎，甚至破滅時產生的沖擊波，導致了金屬材料的疲勞破壞，并進一步使材料局部逐漸脫落，這種現象被稱為空蝕。

轉輪葉片表面的空蝕破壞是很難避免的。這種現象，過去稱為“汽蝕”或“氣蝕”，現在采用“空蝕”一詞。因為在它產生的機理和發展的整個過程中，并不存在“氣”和“汽”的因素，而是一種真空負壓作用。

根據這種機理，不僅是鋼鐵，包括復合材料在內的任何材料，都不能避免空蝕破壞。為了防止空蝕破壞，航海船艦的螺旋槳推進器，多年以來積累了許多的經驗，值得借鑒；然而用于海洋發電設備上，就要考慮成本核算問題［4］。抗空蝕破壞性能最好的材料是雙相不銹鋼，最差的是灰鑄鐵。采用聚合物涂層可以保護灰鑄鐵，使其不受到空蝕破壞；但是涂層與金屬的結合必須緊密。流體機械過流表面的空蝕破壞是很難避免的，即使表面型線的設計非常精確，完全符合流線軌跡，然而負載和流動狀況（如流速、流量、揚程等）是變化的。重大的水電站，比如三峽水電站的轉輪葉片，即使增加成本，也要采用鍛壓鋼板來取代鑄造，目的就是為了減少和防止空蝕破壞。

3．2 電蝕破壞

由于金屬零部件浸泡在鹽水中而產生化學反應，并導致腐蝕破壞。如果零部件浸泡在不同的區域（比如全部浸泡或部分浸泡區域），不同的零部件材料之間的物理化學反應，就會引起電偶腐蝕效應。采用陰極保護措施，能夠有效地防止這種電蝕破壞。將一塊銅質或鋅質的材料放入水中，作為外加直流電源的正極，而零部件作為負極，就能將引起電偶腐蝕的帶有負電荷的分子，吸引到作為正極的銅塊或鋅塊上，并使它們承受電蝕（通常稱為犧牲電極或消耗電極），從而保護了發電設備零部件不被腐蝕，所以稱為陰極保護。這種陰極保護措施非常有效，特別是在全部浸泡區域，在朗斯潮汐發電站長達40年的運行實踐中，取得了明顯的效果。如果采用這種陰極保護作為主要保護措施，就應當根據機組的運行壽命來設計，使鋼質結構零部件的極化達到合理的水平，使腐蝕程度達到最低。作為犧牲陽極的銅塊或鋅塊的設計，應當保證零部件遭受電蝕的關鍵區域得到充分地極化。

3．3 海洋生物

運行經驗證明，即使采取特殊的涂層來防止結垢，包括微生物在內的貽貝類族群，還是頑強地生長在機座的外表面上。經過污垢檢查證明，機組外部表面覆蓋了厚度達到10cm的貽貝。出于衛生考慮，通常是將機組的進水管道關閉幾天，達到脫水的要求，才能除掉這些污垢。研究結果表明：少量的海洋生物附著，就能使水輪機的效率減少20%；如果是大量的附著，則會使效率減少70%。采用環氧樹脂基的玻璃纖維增強或碳素纖維增強復合材料，只能保證在運行10個月內，很少有微生物附著。雖然采用防污涂料能夠防止微生物附著，但是要求定期更換或重新施工，而且成本很高，且對于海洋環境也有一定影響。

3．4 表面防護

海洋發電設備的表面防護，需考慮成本，同時，還要達到預期的效果。與海洋潮汐發電和海浪發電相比，海洋潮流發電設備所處區域，水的含鹽量比較大，流速比較高，要考慮到采取有效的防止腐蝕的措施。然而，要想完全避免腐蝕和空蝕，幾乎是不可能的。在結構設計過程中，零部件過流表面處的厚度，應當預先留有適當的腐蝕裕量。這個裕量的確定，取決于零部件的應力、相對于海平面的位置、腐蝕的面積等因素。通常，轉輪葉片上比較嚴重的空蝕，發生在葉片邊緣和尖端，而腐蝕則幾乎遍布整個過流表面。

對于采用一般涂料而不是防蝕涂料的區域，應當考慮到適當增加腐蝕裕量［5］。關于腐蝕速度，必須進行實際調查和測量。如果沒有準確的數據，也應當根據運行狀態監測來制定一個設計原則來用于計算腐蝕速率，此時就要把點蝕之類的局部腐蝕考慮進去。除了腐蝕速率以外，機組零部件過流表層厚度腐蝕裕量的最終確定，還要考慮到機組運行的設計壽命。即使在達到設計壽命以后，也要保證剩余的表層能夠承受足夠的負載。在選擇防蝕措施時，也要考慮到零部件所處的區域和腐蝕的介質［6］。通常情況下，分為大氣區（水面以上）、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區五大類。要有針對性地選擇適當的防蝕措施。

對于處在飛濺區域或潮差區域的零部件表面，應當采用具有耐磨損和抗紫外線輻照的涂層加以保護，其中包括加熱鍍鋅或增強的環氧樹脂基涂料等。它們通常具有5～10年的設計壽命。為了保證涂覆質量和涂層性能，對于防腐涂層的施工工藝必須按照指定的規范進行：噴涂以前，零部件的表面，不得存有任何外部物質；噴涂表面必須是干燥的、清潔的，沒有任何污染的。

4 結語

與普通的發電設備不同，對于海洋發電設備，提出了許多特殊要求，并且納入了國家和國際標準。為了開發應用海洋發電這種可再生的清潔新能源，生產廠家必須滿足電站用戶在結構設計、材料選擇和表面防護等方面的要求，以便保證發電機組的安全穩定運行。

［1］唐李冰．潮汐發電站運行經驗［J］．電力設備，2013，14（6）：13－16．

［2］The European Marine Energy Centre Ltd．，Guidelines for the design basis of marine energy conversion systems［R］．Brussels：European Marine Energy Centre，2009．

［3］何顯榮．海洋發電設備的陰極保護［C］／／海洋發電設備技術文集．哈爾濱：哈爾濱電機廠有限責任公司，2008：106－109．

［4］武全萍，王桂娟．世界海洋發電狀況探析［J］．浙江電力，2002，21（5）：65－67．

［5］李書恒，郭偉，朱大奎．潮汐發電技術的現狀與前景［J］．海洋科學，2006，30（12）：82－86．

［6］戴慶忠．潮汐發電的發展和潮汐電站用水輪發電機組［J］．東方電氣評論，2007，21（4）：14－24．

Special Requirements for Marine Power Equipment

Liu Yu
（Harbin Electric Power Equipment Co．，Ltd．，Harbin 150050，China）

An introduction is being presented to the structure design，material selection and operation ＆maintenance of marine power equipment，together with some countermeasures proposed for preventing the equipment from being damaged by cavitation，electric corrosion and marine microorganism adhesion，etc．，which may serve as a reference for further research and development of marine power equipment．

marine power equipment；structure property；cathode protection；microorganism adhesion

P743

A

1671－086X（2015）01－0079－04

2014－04－09

劉 宇（1976—），男，高級工程師，主要從事發電設備產品檢驗技術工作。E－mail：liuyu1@hec－china．com