劉 宇

（哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150050）

對(duì)海洋發(fā)電設(shè)備的特殊要求

劉 宇

（哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150050）

介紹了海洋發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，以及運(yùn)行維護(hù)，提出了因空蝕破壞、電蝕破壞、海洋生物破壞等對(duì)設(shè)備侵蝕的預(yù)防措施，為今后海洋發(fā)電設(shè)備的開發(fā)提供參考。

海洋發(fā)電設(shè)備；結(jié)構(gòu)性能；陰極保護(hù)；微生物附著

與普通的水力發(fā)電設(shè)備不同，海洋發(fā)電設(shè)備處在比較惡劣的運(yùn)行環(huán)境中。為了保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)都提出了許多特殊要求。在市場競爭中，我國通常以價(jià)格優(yōu)勢取勝；然而發(fā)電設(shè)備的用戶，越來越重視性價(jià)比。為了總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高國內(nèi)外市場競爭能力，筆者針對(duì)海洋發(fā)電設(shè)備的性能提高、價(jià)格降低、運(yùn)行可靠和壽命延長等方面進(jìn)行了探索，并在水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，取得了一些成果。

1 海洋發(fā)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(yùn)動(dòng)稱為潮汐，海水的水平方向運(yùn)動(dòng)稱為潮流。海水的運(yùn)動(dòng)是一種能量，可以用來發(fā)電，比如溫差發(fā)電、潮汐發(fā)電、潮流發(fā)電等。

作為一種可再生的清潔的新能源，當(dāng)今世界開發(fā)應(yīng)用比較大的海洋發(fā)電方式是潮汐發(fā)電［1］，如世界最大的法國朗斯潮汐電站，裝機(jī)容量為240 MW，運(yùn)行40多年，其可用率高達(dá)90%；其次是加拿大的阿那波里斯潮汐電站，1984年8月投運(yùn)至今；比朗斯潮汐電站還要大的是韓國即將投入運(yùn)行的西瓦潮汐發(fā)電站；正在開發(fā)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(fā)電的容量雖然比較小，但是它不像潮汐發(fā)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(fā)電站，單機(jī)容量為1．2 MW，40～50套機(jī)組。

至于海浪發(fā)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(fā)展到用于海洋養(yǎng)殖和局部區(qū)域的居民生活用電。

與普通發(fā)電方式不同，海洋發(fā)電是利用海水能量來發(fā)電。由于鹽水的腐蝕、流體的空蝕、風(fēng)暴的襲擊，以及微生物的附著等，對(duì)于開發(fā)應(yīng)用海洋發(fā)電設(shè)備，在結(jié)構(gòu)性能方面提出了特殊要求，而且已經(jīng)列入國家甚至國際標(biāo)準(zhǔn)。

2 海洋發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)

2．1 材料選擇

由于海水的腐蝕作用會(huì)使發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)輪葉片的過流表面變得粗糙，水動(dòng)力學(xué)性能降低。在材料選擇方面，首先考慮的是復(fù)合材料，而不是金屬材料。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是：（1）質(zhì)量輕，便于水下安裝，減少吊裝費(fèi)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(huán)氧樹脂相比，采用碳素纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，能夠具有更高的強(qiáng)度和剛度，特別是對(duì)于承受暴風(fēng)掀起的巨浪、地震、臺(tái)風(fēng)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(fù)合材料時(shí)，必須滿足下述國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 62規(guī)定的特殊要求：（1）當(dāng)層壓樹脂材料尺寸為50mm×50mm×2mm時(shí)，在含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．5×10－6的海水中浸泡168h以后，復(fù)合材料的吸水率不得超過50mg；（2）復(fù)合材料的表面都必須具有合適的涂層，防止周圍介質(zhì)的損傷和海洋生物的附著生長；（3）采用的纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合樹脂，在固化處理以后不會(huì)吸水。此外，復(fù)合材料應(yīng)當(dāng)浸泡在溫度為20K的海水中進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，粘接材料應(yīng)當(dāng)浸泡在溫度為20 K的海水中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

世界上潮流發(fā)電設(shè)備發(fā)展比較快的國家是英國，其MCT公司最近幾年開發(fā)的第二代潮流發(fā)電設(shè)備中，采用材料的比例為：碳鋼占88．8%，鑄鐵占7．3%，復(fù)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(fù)合材料，但是仍然以鋼鐵材料為主。

2．2 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

用于潮流發(fā)電的水力機(jī)械中，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)與潮汐發(fā)電方式采用的軸流式燈泡型水輪機(jī)不同，它采用類似于圓形管道式通風(fēng)機(jī)那樣的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。由于轉(zhuǎn)速很低，只有10～30r／min，為了增加容量，所以葉片很長。早期的轉(zhuǎn)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(fù)雜，只能采用點(diǎn)焊加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本又高；后來，改為由復(fù)合材料和鋼材相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(fù)合材料，外表的包皮就直接采用成本相對(duì)比較低的玻璃纖維復(fù)合材料。英國已投入運(yùn)行的比較大的發(fā)電設(shè)備的容量為1．2MW，其葉片長度為7．5m。機(jī)組容量為500kW時(shí)，葉片長度只有6m。對(duì)于直徑為11m的轉(zhuǎn)輪，它的葉片長度方向均勻分布有7個(gè)輻板，其厚度為65mm，它通過葉片根部的法蘭與機(jī)組的主軸連接。就像普通轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)那樣，采用變槳距控制，葉片的沖角可以調(diào)節(jié)，以便適應(yīng)潮流流速的變化，達(dá)到在最高效率下運(yùn)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(huán)氧樹脂涂層。實(shí)踐證明這種銅基防污涂層效果良好。

2．3 支撐結(jié)構(gòu)

海洋發(fā)電設(shè)備必須能夠承受來自臺(tái)風(fēng)、海浪、地震、浮冰等的沖擊，必須保證它具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性［3］。按照海洋能源研究中心制定的關(guān)于海洋發(fā)電設(shè)備制造、安裝和試驗(yàn)方面的指導(dǎo)性文件的規(guī)定，海洋發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)上的選擇，必須符合要求的級(jí)別，并達(dá)到指定的可控性和可追溯性。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果采用屈服強(qiáng)度比較低的材料，有可能造成支撐設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度方面的不足；但是，如果采用屈服強(qiáng)度比較高的材料，又可能產(chǎn)生焊接方面的問題。

結(jié)構(gòu)材料的選擇，必須符合ISO／TR 15608的規(guī)定，其中包括驅(qū)動(dòng)主軸、聯(lián)接法蘭、連接螺栓、鍵、銷釘?shù)?。用于支撐結(jié)構(gòu)上的混凝土制品和各種纖維增強(qiáng)塑料等，必須按照規(guī)定的等級(jí)要求供貨。在材料的要求中包括材料來源、極限強(qiáng)度、密度、顆粒尺寸、化學(xué)成分等。材料的供貨單和領(lǐng)料單都必須是可追溯的，應(yīng)當(dāng)能夠追溯到原材料生產(chǎn)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)工序，并且?guī)в泄ば驑?biāo)示。所有材料都應(yīng)當(dāng)能夠追溯到檢驗(yàn)合格的認(rèn)證書。

潮流發(fā)電設(shè)備通常選擇在近海的海水流動(dòng)速度比較大的海域。主要支撐結(jié)構(gòu)部件是插入海底的圓形管狀鋼樁，必須能夠承受發(fā)電設(shè)備的整個(gè)質(zhì)量，以及暴風(fēng)、海浪、地震等環(huán)境載荷。圓形鋼樁的質(zhì)量和尺寸設(shè)計(jì)，必須考慮到海洋駁船的提升能力。英國MCT公司的潮流發(fā)電設(shè)備，當(dāng)鋼管直徑為2．1m、長度為42．5m時(shí)，質(zhì)量可達(dá)80t。其外部接觸海水的表面，應(yīng)當(dāng)涂有環(huán)氧樹脂基的防蝕涂料。圓形鋼樁的外圓套有大型墊圈。發(fā)電機(jī)組的支架，便通過鋼質(zhì)的套環(huán)和這種墊圈上下滑動(dòng)，以便適應(yīng)海水平面的波動(dòng)。發(fā)電機(jī)組固定在機(jī)艙里面，該機(jī)艙由工字形鋼梁制成，外部包復(fù)以薄鋼板。

3 防護(hù)措施

3．1 空蝕破壞

當(dāng)流體機(jī)械的局部靜壓下降到汽化壓力時(shí)，便開始產(chǎn)生真空化的空泡。這種真空負(fù)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(dāng)它到達(dá)高壓區(qū)域時(shí)，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(jí)的許多小空泡。這種空泡破裂所產(chǎn)生的負(fù)壓極大，其局部壓力高達(dá)104MPa，足以把金屬表面的結(jié)晶顆粒撕裂下來，與此同時(shí)還產(chǎn)生高頻噪聲。

這種破壞作用主要來自兩個(gè)方面：（1）高速噴射?？张萃蝗黄屏褧r(shí)產(chǎn)生的水錘作用，破壞了金屬材料表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其顆粒脫落并形成極小的微米級(jí)的凹坑，而且不斷擴(kuò)大和加深，形成魚鱗狀凹坑，不僅降低了轉(zhuǎn)輪的水力性能，而且還減少了運(yùn)行壽命。（2）沖擊波?？张萃蝗槐品鬯?，甚至破滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，導(dǎo)致了金屬材料的疲勞破壞，并進(jìn)一步使材料局部逐漸脫落，這種現(xiàn)象被稱為空蝕。

轉(zhuǎn)輪葉片表面的空蝕破壞是很難避免的。這種現(xiàn)象，過去稱為“汽蝕”或“氣蝕”，現(xiàn)在采用“空蝕”一詞。因?yàn)樵谒a(chǎn)生的機(jī)理和發(fā)展的整個(gè)過程中，并不存在“氣”和“汽”的因素，而是一種真空負(fù)壓作用。

根據(jù)這種機(jī)理，不僅是鋼鐵，包括復(fù)合材料在內(nèi)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(jìn)器，多年以來積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒；然而用于海洋發(fā)電設(shè)備上，就要考慮成本核算問題［4］?？箍瘴g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(hù)灰鑄鐵，使其不受到空蝕破壞；但是涂層與金屬的結(jié)合必須緊密。流體機(jī)械過流表面的空蝕破壞是很難避免的，即使表面型線的設(shè)計(jì)非常精確，完全符合流線軌跡，然而負(fù)載和流動(dòng)狀況（如流速、流量、揚(yáng)程等）是變化的。重大的水電站，比如三峽水電站的轉(zhuǎn)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(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致腐蝕破壞。如果零部件浸泡在不同的區(qū)域（比如全部浸泡或部分浸泡區(qū)域），不同的零部件材料之間的物理化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)引起電偶腐蝕效應(yīng)。采用陰極保護(hù)措施，能夠有效地防止這種電蝕破壞。將一塊銅質(zhì)或鋅質(zhì)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(fù)極，就能將引起電偶腐蝕的帶有負(fù)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(hù)了發(fā)電設(shè)備零部件不被腐蝕，所以稱為陰極保護(hù)。這種陰極保護(hù)措施非常有效，特別是在全部浸泡區(qū)域，在朗斯潮汐發(fā)電站長達(dá)40年的運(yùn)行實(shí)踐中，取得了明顯的效果。如果采用這種陰極保護(hù)作為主要保護(hù)措施，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行壽命來設(shè)計(jì)，使鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)零部件的極化達(dá)到合理的水平，使腐蝕程度達(dá)到最低。作為犧牲陽極的銅塊或鋅塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)保證零部件遭受電蝕的關(guān)鍵區(qū)域得到充分地極化。

3．3 海洋生物

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，即使采取特殊的涂層來防止結(jié)垢，包括微生物在內(nèi)的貽貝類族群，還是頑強(qiáng)地生長在機(jī)座的外表面上。經(jīng)過污垢檢查證明，機(jī)組外部表面覆蓋了厚度達(dá)到10cm的貽貝。出于衛(wèi)生考慮，通常是將機(jī)組的進(jìn)水管道關(guān)閉幾天，達(dá)到脫水的要求，才能除掉這些污垢。研究結(jié)果表明：少量的海洋生物附著，就能使水輪機(jī)的效率減少20%；如果是大量的附著，則會(huì)使效率減少70%。采用環(huán)氧樹脂基的玻璃纖維增強(qiáng)或碳素纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，只能保證在運(yùn)行10個(gè)月內(nèi)，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(duì)于海洋環(huán)境也有一定影響。

3．4 表面防護(hù)

海洋發(fā)電設(shè)備的表面防護(hù)，需考慮成本，同時(shí)，還要達(dá)到預(yù)期的效果。與海洋潮汐發(fā)電和海浪發(fā)電相比，海洋潮流發(fā)電設(shè)備所處區(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，零部件過流表面處的厚度，應(yīng)當(dāng)預(yù)先留有適當(dāng)?shù)母g裕量。這個(gè)裕量的確定，取決于零部件的應(yīng)力、相對(duì)于海平面的位置、腐蝕的面積等因素。通常，轉(zhuǎn)輪葉片上比較嚴(yán)重的空蝕，發(fā)生在葉片邊緣和尖端，而腐蝕則幾乎遍布整個(gè)過流表面。

對(duì)于采用一般涂料而不是防蝕涂料的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)考慮到適當(dāng)增加腐蝕裕量［5］。關(guān)于腐蝕速度，必須進(jìn)行實(shí)際調(diào)查和測量。如果沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測來制定一個(gè)設(shè)計(jì)原則來用于計(jì)算腐蝕速率，此時(shí)就要把點(diǎn)蝕之類的局部腐蝕考慮進(jìn)去。除了腐蝕速率以外，機(jī)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(jī)組運(yùn)行的設(shè)計(jì)壽命。即使在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命以后，也要保證剩余的表層能夠承受足夠的負(fù)載。在選擇防蝕措施時(shí)，也要考慮到零部件所處的區(qū)域和腐蝕的介質(zhì)［6］。通常情況下，分為大氣區(qū)（水面以上）、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)五大類。要有針對(duì)性地選擇適當(dāng)?shù)姆牢g措施。

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

4 結(jié)語

與普通的發(fā)電設(shè)備不同，對(duì)于海洋發(fā)電設(shè)備，提出了許多特殊要求，并且納入了國家和國際標(biāo)準(zhǔn)。為了開發(fā)應(yīng)用海洋發(fā)電這種可再生的清潔新能源，生產(chǎn)廠家必須滿足電站用戶在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和表面防護(hù)等方面的要求，以便保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］唐李冰．潮汐發(fā)電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［J］．電力設(shè)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(fā)電設(shè)備的陰極保護(hù)［C］／／海洋發(fā)電設(shè)備技術(shù)文集．哈爾濱：哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，2008：106－109．

［4］武全萍，王桂娟．世界海洋發(fā)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(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景［J］．海洋科學(xué)，2006，30（12）：82－86．

［6］戴慶忠．潮汐發(fā)電的發(fā)展和潮汐電站用水輪發(fā)電機(jī)組［J］．東方電氣評(píng)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(jí)工程師，主要從事發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品檢驗(yàn)技術(shù)工作。E－mail：liuyu1@hec－china．com