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水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗(yàn)分析

2015-06-01 09:51:33戴春妮吳勤兵
海洋學(xué)研究 2015年1期
關(guān)鍵詞:潮汐能水錘潮汐

張 峰,戴春妮,吳勤兵

(1. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002;3.浙江省海鹽縣港區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)辦公室,浙江 嘉興 314300)

水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗(yàn)分析

張 峰1,戴春妮2,吳勤兵3

(1. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002;3.浙江省海鹽縣港區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)辦公室,浙江 嘉興 314300)

本文提出了一種全新的潮汐能開(kāi)發(fā)方式,把封閉管道中的水擊效應(yīng)應(yīng)用到潮汐能開(kāi)發(fā)中。利用水錘泵將海水提至高水庫(kù),把潮汐能的低水頭勢(shì)能轉(zhuǎn)化成高水頭勢(shì)能存蓄在高水庫(kù)中,再視需求進(jìn)行發(fā)電,免除了傳統(tǒng)方法先潮汐發(fā)電再抽水蓄能的二次轉(zhuǎn)化。本文通過(guò)模型泵測(cè)試模擬了水錘泵在潮差的驅(qū)動(dòng)下將水提送到蓄水庫(kù)的工作狀況,獲取了1.0~3.0 m水位差條件下,將水輸送到5.0~20.0 m水頭蓄水池時(shí)模型水錘泵的工作效率和輸出功率。試驗(yàn)表明,在1.0~3.0 m水位差條件下,水錘泵的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)0.60,且水頭變動(dòng)時(shí),效率基本穩(wěn)定。經(jīng)估算,水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能。

潮汐能;水錘泵;抽水蓄能;試驗(yàn)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越大,而傳統(tǒng)的石油煤炭能源屬不可再生能源,使用過(guò)程中還會(huì)帶來(lái)污染和溫室氣體排放。世界正面臨著能源日益匱乏,環(huán)境每況愈下的困境,清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)因而備受世界各國(guó)的關(guān)注。潮汐能因其儲(chǔ)量豐富、可預(yù)測(cè)性強(qiáng),被認(rèn)為是極具開(kāi)發(fā)前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值的新能源。我國(guó)有著漫長(zhǎng)的海岸線(xiàn),蘊(yùn)藏著豐富的潮汐能資源,據(jù)調(diào)查,我國(guó)沿海潮汐能可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量約為2 158萬(wàn)kW,可開(kāi)發(fā)潮汐能總量為619億kW·h[1]。

目前潮汐能的開(kāi)發(fā)利用方法主要是修建堤壩形成水庫(kù),利用潮汐形成的水庫(kù)內(nèi)外水頭差驅(qū)動(dòng)水電機(jī)組發(fā)電。由于潮汐發(fā)電的水頭較低,變幅大,水輪發(fā)電機(jī)在低水頭工況和反向運(yùn)作時(shí)發(fā)電效率往往較差[2-3]。而且傳統(tǒng)的潮汐電站不能實(shí)現(xiàn)能量存蓄,無(wú)法根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)節(jié)發(fā)電能力,其電能接入電網(wǎng)受到限制。在現(xiàn)有的潮汐能電站運(yùn)行模式下,發(fā)電連續(xù)性和電能調(diào)蓄的問(wèn)題只能通過(guò)興建抽水蓄能電站配合使用來(lái)解決,俄羅斯梅津?yàn)?(Mezen)、法國(guó)喬瑟島 (Chausy) 等潮汐電站的選址研究中均考慮同時(shí)興建抽水蓄能電站[2]。然而水錘泵為解決潮汐能量存蓄問(wèn)題提供了一種可能的新途徑,水錘泵是根據(jù)“水擊”非恒定流現(xiàn)象發(fā)明的一種提水裝置[4-8],它可以提高水體的能量密度,將低水頭潮汐能 (1.0~3.0 m水頭) 轉(zhuǎn)化為15.0 m以上高水頭的勢(shì)能。如圖1所示,首先修建堤壩形成潮汐水庫(kù),并在高處修建小水庫(kù)用于儲(chǔ)存高勢(shì)能海水 (類(lèi)似于抽水蓄能電站的蓄水庫(kù))。采用水錘泵替代傳統(tǒng)的潮汐水電機(jī)組,利用堤壩內(nèi)外的水頭差驅(qū)動(dòng)水錘泵工作,直接將部分海水泵送到高水庫(kù)中。高水庫(kù)的海水可以采用技術(shù)成熟、造價(jià)較低的中水頭發(fā)電機(jī)組按用電需求適時(shí)發(fā)電,也可直接用于海水淡化等用途。

目前水錘泵應(yīng)用限于從山泉和河流中提水[9],其工作環(huán)境與用于海洋能開(kāi)發(fā)有著較大的區(qū)別。水錘泵用于山區(qū)提水時(shí),其供水水頭往往是固定的,而在潮汐能開(kāi)發(fā)中內(nèi)外庫(kù)的水位差是變化的,因此供水水頭也是一個(gè)周期變化的量。不同水位差情況下,水錘泵能否保持較為穩(wěn)定的效率是關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M水錘泵在潮差的驅(qū)動(dòng)下將水提送到15.0 m高度蓄水庫(kù)的工作狀況,測(cè)試不同水頭條件下水錘泵的流量、揚(yáng)程、工作效率等要素以及他們的相互關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究水錘泵用于潮汐抽水蓄能的技術(shù)可行性。

圖1 水錘泵潮汐抽水蓄能示意圖

1 模型泵試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

為詳細(xì)分析水錘泵在水位變動(dòng)情況下的工作性狀,對(duì)一臺(tái)100 mm口徑的模型水錘泵(圖2)進(jìn)行了測(cè)試,模擬在1.0~3.0 m水位差的條件下將水提送到高水庫(kù)的工作狀況。

試驗(yàn)采用有多個(gè)溢流孔的敞口水箱作為供水源,測(cè)試過(guò)程中根據(jù)水頭需要打開(kāi)不同的溢流孔,提供可變的供水水頭,用于模擬不同時(shí)段庫(kù)內(nèi)外的不同水位差。同時(shí)為了測(cè)試不同揚(yáng)程下的出流流量,將出水管道連接到一個(gè)溢流水箱中,打開(kāi)特定的溢流孔,可使出水水頭保持在某一穩(wěn)定值。試驗(yàn)中供水水頭為供水水箱液面與水錘泵沖擊閥的高差,出水水頭為出水水箱液面與沖擊閥的高差,水錘泵的供水流量和出水流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量。

圖2 測(cè)試用水錘泵

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了5個(gè)供水水頭(1.0,1.5,2.0,2.5和3.0 m)和7個(gè)出水水頭(5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 m)條件下共35組測(cè)試,每組測(cè)試都采集到了準(zhǔn)確的供水水頭、出水水頭、進(jìn)水流量和出水流量。在此基礎(chǔ)上,本文著重分析各工況下輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率這兩個(gè)重要的特征參數(shù):

P=ρghqc

(1)

式中:P為輸出功率,是指單位時(shí)間內(nèi)水錘泵輸出水體所含的能量,它反映了水錘泵獲取能量的大??;ρ為水密度;g為重力加速度;h為出水水頭;qc為出水流量。

(2)

式中:η為能量轉(zhuǎn)化效率,是水錘泵輸入功率和輸出功率的比值,它反映了水錘泵能量轉(zhuǎn)化的效能;H為供水水頭;h為出水水頭;qr為進(jìn)水流量;qc為出水流量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3為水錘泵輸出功率的變化情況,隨著供水水頭的增大,輸出功率隨之增加。模型水錘泵在1.0 m供水水頭下的輸出功率為129~184 W,1.5 m供水水頭下的輸出功率為192~285 W,2.0 m供水水頭下的輸出功率為252~389 W,2.5 m供水水頭下的輸出功率為306~483 W,3.0 m供水水頭下的輸出功率為379~575 W。在同一供水水頭條件下,出水水頭的設(shè)定在一定程度上會(huì)影響水錘泵的輸出功率。1.0~2.0 m供水水頭下,模型泵出水水頭設(shè)為17.5 m水頭時(shí)輸出功率最高;2.5~3.0 m供水水頭下,出水水頭設(shè)為15.0 m水頭時(shí)輸出功率最高。

圖4是水錘泵能量轉(zhuǎn)化效率的變化情況,模型水錘泵測(cè)試的轉(zhuǎn)化效率在0.41~0.65之間,測(cè)試表明出水水頭的設(shè)定對(duì)水錘泵效率也有一定影響。出水水頭在15.0~17.5 m水頭之間時(shí),模型水錘泵的工作狀態(tài)最佳,其能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)了0.60。模型水錘泵在1.0 m供水水頭下的效率為0.43~0.61,1.5 m供水水頭下效率為0.43~0.63,2.0 m供水水頭下效率為0.42~0.65,2.5 m供水水頭下效率為0.41~0.64,3.0 m供水水頭下效率為0.42~0.64。在供水水頭確定時(shí),水錘泵效率隨出水水頭的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。1.0~2.0 m供水水頭下,出水水頭設(shè)為17.5 m水頭時(shí)水錘泵效率最高;在2.5~3.0 m供水水頭下,出水水頭設(shè)為15.0 m水頭時(shí)效率最高。

圖3 水錘泵輸出功率的變化曲線(xiàn)

圖4 水錘泵能量轉(zhuǎn)化效率的變化曲線(xiàn)

2 討論和展望

水錘泵從設(shè)計(jì)之初是用于小流量的提水,無(wú)論是使用環(huán)境還是使用目的都與潮汐能開(kāi)發(fā)有著很大的區(qū)別。能否對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展使其服務(wù)于潮汐能開(kāi)發(fā),本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.1 蓄能水庫(kù)高度和泵型選擇

本文試驗(yàn)中模型泵的效率在0.41~0.65之間,對(duì)水泵效率影響較大的似乎是出水水頭的設(shè)定。試驗(yàn)采用的模型泵最佳的出水水頭為17.5 m,此時(shí)模型泵的效率都超過(guò)了0.60,而出水水頭在不合理的區(qū)間時(shí),模型泵的效率則明顯下降。這表明將水錘泵用于潮汐抽水蓄能時(shí),泵型與蓄能水庫(kù)高度的匹配十分重要。按蓄水高度的不同要求,將水錘泵型系列化是應(yīng)對(duì)此問(wèn)題的較好對(duì)策。

2.2 水錘泵對(duì)變水頭的適應(yīng)性

潮汐能的一個(gè)突出特點(diǎn)是水位實(shí)時(shí)變動(dòng),庫(kù)內(nèi)外的水位差隨潮周期變化。根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果,當(dāng)蓄能水庫(kù)高度為17.5 m水頭時(shí),庫(kù)內(nèi)外1.0~3.0 m的水位差下,水泵能量轉(zhuǎn)化率在0.61~0.65之間。各水位差條件下,水錘泵效率波動(dòng)很小。由此可見(jiàn)潮汐變化帶來(lái)的庫(kù)內(nèi)外水位差變動(dòng)對(duì)水錘泵效率影響不大,水錘泵在實(shí)現(xiàn)能量存蓄的同時(shí),轉(zhuǎn)化效率也能夠得到保證。

2.3 啟動(dòng)閾值

和其他潮汐能發(fā)電裝置一樣,水錘泵也存在著啟動(dòng)閾值,當(dāng)庫(kù)內(nèi)外水位差低于閾值時(shí)無(wú)法正常工作,水位差達(dá)到閾值后方可開(kāi)啟。目前技術(shù)條件下,水錘泵的啟動(dòng)閾值最可低至0.3 m左右[6]。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)降低啟動(dòng)閾值,擴(kuò)展水錘泵的工作范圍是值得今后研究的一個(gè)方向。

2.4 設(shè)備大型化

目前水錘泵體管徑多為5~6 cm,輸水量較小,換算成輸出功率只有不足100 W。本文試驗(yàn)中將模型泵口徑增加到10 cm,輸出功率相應(yīng)達(dá)到575 W。然而要投入真正的應(yīng)用,進(jìn)行提水蓄能,水錘泵還必須進(jìn)行大型的改進(jìn)。B.W.Young對(duì)水錘泵的工作性能和設(shè)計(jì)方法做了大量的研究,得出水錘泵的輸出能力基本與水錘泵口徑直徑的平方成正比[10-11]。參照本文模型泵的功率測(cè)試結(jié)果,如果將水錘泵口徑放大10倍,達(dá)到1.0 m直徑,其輸出功率相應(yīng)將提高到超過(guò)50 kW以上。一個(gè)1.0 m直徑的水錘泵獲取的能量可以滿(mǎn)足一個(gè)小面積海島的需求,此外還可以通過(guò)多臺(tái)水錘泵并聯(lián)工作,提高出水量和輸出功率。

2.5 與傳統(tǒng)潮汐能開(kāi)發(fā)方式的對(duì)比

傳統(tǒng)的潮汐能發(fā)電站無(wú)法根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)節(jié)發(fā)電能力,其電能接入電網(wǎng)受到限制。潮汐電站聯(lián)合抽水蓄能和水錘泵潮汐蓄能發(fā)電兩種方式均可以實(shí)現(xiàn)能量存蓄。潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能需要兩套雙向機(jī)組,分別用于潮汐發(fā)電和抽水/蓄能;而水錘泵潮汐蓄能發(fā)電僅需要一套水錘泵機(jī)組和一套常規(guī)水電機(jī)組,其工程造價(jià)低于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的開(kāi)發(fā)方式。

潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的潮汐能開(kāi)發(fā)方式的能量綜合利用率受水輪機(jī)效率、發(fā)電機(jī)效率以及抽水蓄能循環(huán)效率3個(gè)因素的共同影響。由于潮汐水位差遠(yuǎn)小于常規(guī)水電工程,采用的超低水頭水輪機(jī)效率低于常規(guī)水輪機(jī);此外,其水輪機(jī)效率受水頭變動(dòng)影響較大,以某新型高效低水頭雙向貫流式水輪機(jī)為例,其在1.0~3.0 m水頭下的正向效率在0.58~0.90,反向還會(huì)降低約6%[12]。發(fā)電機(jī)的效率一般取決于電機(jī)尺寸和電磁方案,代表我國(guó)先進(jìn)水平的江廈潮汐電站6#機(jī)組(國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)效率為0.94[13]。據(jù)報(bào)道,目前已建抽水蓄能機(jī)組的循環(huán)效率一般為0.75左右[14]。綜合以上3個(gè)因素,潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的能量利用率可以達(dá)到0.40~0.62(圖5),平均為0.54。

圖5 兩種潮汐蓄能發(fā)電的能量利用率

水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的潮汐能開(kāi)發(fā)方式的能量綜合利用率受水錘泵效率、蓄能水庫(kù)水輪機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率3個(gè)因素影響。本文的試驗(yàn)中,蓄能水庫(kù)高度為17.5 m時(shí),模型泵效率可以達(dá)到0.61~0.65。蓄能水庫(kù)中的海水水頭較大,因而可以選用技術(shù)成熟、造價(jià)較低的常規(guī)中低水頭發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電,且蓄能水庫(kù)水頭穩(wěn)定,可使機(jī)組處于最優(yōu)工況下運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)定型投產(chǎn)的新型中低水頭機(jī)組的水輪機(jī)最優(yōu)效率均在0.95左右,發(fā)電機(jī)效率也基本在0.95以上[15]。綜合上述因素,水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的能量利用率可以達(dá)到0.52~0.59(圖5),平均為0.57。從兩種蓄能發(fā)電方式的能量利用率來(lái)看,水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能,尤其是當(dāng)水位差在1.0~2.0 m時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

3 結(jié)論

本研究從多個(gè)角度對(duì)水錘泵用于潮汐抽水蓄能的技術(shù)可行性進(jìn)行了討論,該方法解決了傳統(tǒng)潮汐能發(fā)電方式的原有缺陷,將蓄能和發(fā)電結(jié)合在一起。本文通過(guò)模型泵測(cè)試模擬了利用水錘泵在潮差的驅(qū)動(dòng)下將水泵送到高蓄能水庫(kù)的工作狀況,并獲取了多個(gè)工況下模型泵的工作效率和輸出功率。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)分析得到以下結(jié)論:

(1) 測(cè)試結(jié)果表明庫(kù)內(nèi)外水位差變動(dòng)對(duì)水錘泵效率的影響不大,在1.0~3.0 m水位差范圍內(nèi),水錘泵能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到0.60以上。水錘泵對(duì)水位變動(dòng)的適應(yīng)性良好,在實(shí)現(xiàn)能量存蓄的同時(shí),能量轉(zhuǎn)化效率也能得到保證。

(2) 模型泵最佳的出水水頭在15.0~17.5 m水頭之間,當(dāng)出水水頭在不合理區(qū)間時(shí),模型泵的效率明顯下降。這表明將水錘泵用于潮汐抽水蓄能時(shí),泵型與蓄能水庫(kù)高度的匹配十分重要。

(3) 經(jīng)估算水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能,尤其是當(dāng)水位差在1.0~2.0 m時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。本文討論還只是基于現(xiàn)有資料的初步分析,要使水錘泵真正應(yīng)用于潮汐蓄能發(fā)電,還需要在經(jīng)濟(jì)可行性、設(shè)備大型化等方面進(jìn)一步地深入研究。

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Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump

ZHANG Feng1, DAI Chun-ni2, WU Qing-bing3

(1.KeyLaboratoryofOceanEngineering,TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 2.ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Hangzhou310002,China; 3.HarbourDevelopmentOfficeofHaiyanCounty,Jiaxing314300,China)

A new method for tidal energy utilization was proposed using water-hammer in pipeline. The hydro-ram pump can convert potential energy of low water head to higher water head by pumping sea water to high reservoir,which avoid the energy conversion from tidal power to pumped storage in the traditional method. Model pump test was carried out to simulate the 1.0~3.0 m working condition to pump sea water to 5.0~20.0 m high reservoir. The experiment shows that the efficiency can be higher than 0.60 in the working condition and remain stable when water level changes. According to simple calculation,The average energy efficiency of hydro-ram pump can be higher than tidal power station with pumped storage.

tidal power; hydro-ram pump; energy storage; experiment

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.

2014-08-22

2015-01-09

國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(JG1213,JT1308)

張峰(1986-),男,江蘇如皋市人,工程師,主要從事海洋能及工程海洋學(xué)方面的研究。E-mail:fengsio@163.com

P743.3

A

1001-909X(2015)01-0069-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010

張峰,戴春妮,吳勤兵.水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗(yàn)分析[J].海洋學(xué)研究,2015,33(1):69-73,

ZHANG Feng, DAI Chun-ni, WU Qing-bing. Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):69-73, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.

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