舒全英，陳 成，鄭雄偉

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

浙江海山潮汐電站增容改造動能計算分析

舒全英，陳 成，鄭雄偉

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

海山潮汐電站是我國迄今為止唯一的雙庫、單向、全潮發(fā)電和庫區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合開發(fā)的小型潮汐電站，電站經(jīng)過多年的運行，機組設(shè)備老化以及庫區(qū)淤積，亟需進行增效擴容。潮汐電站發(fā)電原理與常規(guī)的水電站類似，但計算過程與電站開發(fā)利用方式有不同并有較大的差別。以海山潮汐電站為例探討雙庫單向潮汐電站動能計算，為其增容改造裝機規(guī)模確定提供參考依據(jù)。

海山潮汐電站；增效擴容；動能計算

潮汐能是一種可再生能源，是海水在月球、太陽等引力作用下形成周期性海水漲落而產(chǎn)生的能量，是一種沒有污染、不消耗燃料、不受洪水或枯水影響、用之不竭的海洋清潔能源。潮汐電站動能計算是潮汐電站規(guī)劃設(shè)計中的重要研究內(nèi)容，關(guān)系到潮汐電站的規(guī)模和效益、潮汐能資源合理開發(fā)利用問題[1-2]。潮汐電站發(fā)電原理與常規(guī)的水電站類似，但計算過程與電站開發(fā)利用方式不同并有較大差別，海山潮汐電站是我國迄今唯一的雙庫、單向、全潮發(fā)電和庫區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合開發(fā)的小型潮汐電站，經(jīng)過多年的運行，機組設(shè)備老化，運行效率低下以及庫區(qū)淤積，亟需進行增效擴容改造。 本文以海山潮汐電站為例探討高低庫潮汐電站動能計算，為其增容改造裝機規(guī)模確定提供參考依據(jù)。

1 工程概況

玉環(huán)縣海山潮汐電站位于樂清灣中部的茅埏島南端，為20世紀(jì)70年代初所建，是具海島特色的近現(xiàn)代水利設(shè)施。20世紀(jì)70年代初，海山公社為解決海島用電問題，自籌資金，因地制宜，在南灘村建45kW單庫、單向潮汐電站，于1972年初開工建設(shè)，設(shè)計裝機容量為2×75kW。1973年7月，按浙江省水利廳批準(zhǔn)的雙庫、單向要求建站，于1975年9月建成，同年10月第1臺75kW水輪機組建投產(chǎn)，年發(fā)電量15萬kW·h。1984年5月，電站被列為浙江省中小潮汐電站關(guān)鍵技術(shù)研究攻關(guān)項目，進行工程改造，擴建西方塘庵水庫建成55kW蓄能電站，克服潮汐能的間隙性，解決電站小潮位不能進水發(fā)電的問題。至1986年12月，實現(xiàn)單機全潮發(fā)電，并增裝第2臺75kW機組，建成1站3庫連續(xù)發(fā)電的新型潮汐電站，年發(fā)電量達21萬 ～ 24萬kW·h，1988年1月并入縣電網(wǎng)運行。該電站1996年再次改造，設(shè)計裝機容量為2×100kW，實際擴容為2×125kW，年發(fā)電量達33萬 ～ 38萬kW·h。電站庫區(qū)及主要建筑物包括：上庫25.33hm2（380畝）（發(fā)電蓄水庫），目前因部分庫面用于養(yǎng)殖，實際發(fā)電庫面約為12.00hm2（180畝）、下庫2.53hm2（38畝）（高平潮前后尾水泄蓄調(diào)節(jié)水庫）；上庫設(shè)有進水閘2座4孔，沖淤閘1座2孔，負(fù)責(zé)上庫進水和沖淤排泄淤泥；下庫有設(shè)泄水洞及排水閘；上庫和下庫之間建一控制閘和泄水渠，控制閘的作用是控制水輪機尾水低潮位時通過泄水渠泄向大海，高平潮時泄向下庫。所有水閘的集控裝置位于在發(fā)電廠房內(nèi)控制操作，電站廠房建于上下庫之間。海山潮汐電站平面布置見圖1。

1992年通過省級鑒定，曾榮獲浙江省中小水電站關(guān)鍵技術(shù)成果獎，1994年榮獲聯(lián)合國信息促進系統(tǒng)中國國家分部“創(chuàng)造發(fā)明科技之星獎”，2001年被列入浙江省級文物保護單位。海山潮汐電站的建成為我國綜合開發(fā)潮汐能積累了經(jīng)驗，為海島經(jīng)濟發(fā)展和人民生活條件改善作出了重要貢獻[3]。

2 潮汐電站運行方式

潮汐電站的開發(fā)利用方式主要有單庫單向工作開發(fā)方式、單庫雙向工作開發(fā)方式、雙庫單向以及多庫開發(fā)方式[1]，各電站類型和布置方式見圖2。

圖1 海山潮汐電站平面布置圖

圖2 潮汐電站類型及電站布置示意圖

目前，海山潮汐電站采用的是雙庫單向發(fā)電方式，但其運行方式有其特色，即在上下庫之間設(shè)置了排水渠道及控制閘，電站運行概化見圖3。電站運行中包括進水、等候、發(fā)電、排水等4種工況，前2種工況和一般的潮汐電站無異，后2種工況則有較大的差別，因外海潮位的不同，發(fā)電排水有4種排泄過程，即：①外?！M水閘→上庫→控制閘→下庫；②上庫→控制閘→下庫；③上庫→控制閘→下庫→排水洞→外海；④上庫→排水渠→排水閘→外海。

圖3 海山潮汐電站運行概化圖

3 潮汐電站動能計算

目前潮汐發(fā)電量等動能指標(biāo)國內(nèi)為主要有理論分析法、水能調(diào)節(jié)法和結(jié)合水動力計算模型計算3種，對資料齊全及條件具備的電站通常采用水能調(diào)節(jié)法[4-5]，基本資料為：逐時潮位過程線（典型或長歷時）、庫區(qū)庫容關(guān)系曲線、水輪機組運轉(zhuǎn)特性曲線、閘門泄流曲線（或計算公式）以及庫區(qū)最高、最低限制水位等。雖然潮汐電站根據(jù)開發(fā)利用方式不同，運行工況也不盡相同，但水能調(diào)節(jié)計算都遵循水量平衡原則，基本公式有：

式中：ΔV為時段內(nèi)庫容差，m3；ΔT為時段值，s；Q為時段進出總流量，m3/s；Qfi為Ti時刻入庫流量，若無入庫徑流則為0，m3/s；Qti為Ti時刻發(fā)電流量，落潮正向發(fā)電為正，漲潮反向發(fā)電時為負(fù)，m3/s；Qzi為Ti時刻水閘流量，泄水時候為正，充水時為負(fù)，m3/s；Qpi為Ti時刻水泵流量，泄水時候為正，充水時為負(fù)，m3/s；Ni為Ti時刻發(fā)電機組出力，kW；ρ為海水容重，kg/m3；g為重力加速度；η為機組效率；Ei為第i至i+1時段內(nèi)的電量，kW·h；Esum為總電量，kW·h。

3.1 典型潮位過程線

海山電站附近的潮汐為典型的正規(guī)半日潮，根據(jù)潮汐半月周期的特點，選取1999年10月1— 31日的實測逐時潮位過程作為典型潮位設(shè)計，其平均潮差和多年平均潮差很接近（見圖4）。

圖4 海山站1999年10月1— 31日典型潮位過程線圖

3.2 水庫水位 — 庫容曲線

水庫水位 — 庫容關(guān)系根據(jù)最新地形圖量測，上庫總面積約25.33hm2（380畝），現(xiàn)狀上庫發(fā)電庫區(qū)主要為甲庫和丙庫部分，約12.00hm2（180畝），其水位庫容關(guān)系見表1和表2。

表1 上庫水位庫容關(guān)系

表2 下庫水位庫容關(guān)系表

3.3 水輪機組運轉(zhuǎn)特性曲線

分別按裝機容量2×125，2×250kW進行方案比選，發(fā)電機效率為0.92，機組運轉(zhuǎn)特性曲線見表3和表4。

表3 機組運轉(zhuǎn)特性曲線表(單機容量125k W)

表4 機組運轉(zhuǎn)特性曲線表(單機容量250k W)

3.4 控制閘門

目前電站的主要進水閘為南進水閘，為2孔×4.5m（寬）×4.0m（高）；北進水閘為2孔×3.0m（寬）×3.0m（高）。排水渠道與下庫之間有控制閘，單孔寬6.0m。泄水閘位于排水渠出口，共3孔，單孔寬3.0m，其中2孔對應(yīng)排水渠道泄水，另1孔對應(yīng)下庫泄水洞排水。

3.5 發(fā)電運行水位

本工程區(qū)域?qū)崪y最高潮位4.44m，庫區(qū)海塘堤頂高程為5.70～ 6.05m，發(fā)電廠房地面高程在4.49～ 4.76m，考慮一定安全超高的情況下，上庫發(fā)電運行最高水位取4.20m。

4 動能計算分析

根據(jù)擬定改造方案分別進行分析計算。

現(xiàn)狀工況：即現(xiàn)狀運行工況，機組裝機容量2×125kW。

改造方案1：新機組裝機容量2×125kW，與現(xiàn)在裝機容量一致并維持現(xiàn)有的上下庫發(fā)電庫區(qū)面積不變（上庫13.33hm2（200畝）、下庫2.53hm2（38畝））。

改造方案2：新機組裝機容量2×250kW，將上庫庫區(qū)全部用來發(fā)電，下庫面積不變（上庫25.33hm2（380畝）、下庫2.53hm2（38畝）），對電站進行綜合自動化、信息化改造，做好機組防腐蝕措施等。各方案動能技術(shù)指標(biāo)比較見表5。

表5 計算方案成果比較表

根據(jù)表5各計算方案成果比較來看，從年平均發(fā)電量看，改造方案1較現(xiàn)狀工況，由于采用新機組，性能有所提升，計算年均發(fā)電量為45.2萬kW·h，較現(xiàn)狀機組發(fā)電量增加約28%；改造方案2年平均發(fā)電量約105.6萬kW·h，是現(xiàn)狀工況年平均發(fā)電量35萬kW·h的3.0倍，是改造方案1年平均發(fā)電量45.2萬kW·h約2.3倍。從裝機利用小時來看，現(xiàn)狀工況和改造方案1電站機組利用小時都小于2000h，一定程度上降低了電站的發(fā)電效益，未充分利用潮汐能資源，改造方案2將上庫全部面積庫容增加納潮量，增加了電站機組發(fā)電量和發(fā)電利用時間，機組利用小時為2112h，從節(jié)能減排的角度看，潮汐能作為可再生能源，清潔無污染，符合國家可再生能源政策，具有顯著的社會效益，適當(dāng)?shù)臄U容是必要的。從以上分析，裝機規(guī)模選擇500kW（2×250kW）是合適的[6-7]。

5 結(jié) 語

潮汐能是一種可再生清潔能源，海山潮汐電站經(jīng)過多年運行，設(shè)備老化、庫區(qū)淤積，對其增效擴容是有必要的。同時考慮到與常規(guī)水電站動能計算的差異，本文采用典型潮位過程進行調(diào)節(jié)計算，并分析不同方案的動能計算指標(biāo)，為潮汐電站增效擴容改造工程提供了參考依據(jù)。

[1] 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．

[2] 范波芹，索麗生，周杰．重視潮汐電站的開發(fā)與利用[J]．水電能源科學(xué)，2001，19(2)：71- 73．

[3] 林楚平．海山潮汐能的綜合開發(fā)利用[J]．水利水電技術(shù)，1999，30(1)：33- 34．

[4] 舒全英，盧曉燕，鄭雄偉．潮汐電站動能計算及軟件開發(fā)與應(yīng)用[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2015，34(6)：65- 70．

[5] 王傳崑，盧葦．海洋能資源分析方法及儲量評估[M]．北京：海洋出版社，2009．

[6] 盧曉燕，舒全英，鄭雄偉．潮汐電站動能計算研究研究技術(shù)報告[R]．杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2014．

[7] 潘利國，舒全英，鄭雄偉．浙江省玉環(huán)縣海山潮汐發(fā)電科技改造試驗項目(一期)工程初步設(shè)計報告[R]．杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2014．

Kinetic Energy Estimation and Analysis of Zhejiang Haishan Tidal Power Station

SHU Quan - ying，CHEN Cheng，ZHENG Xiong - wei
(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang，China)

Zhejiang Haishan Tidal Power Station is the only small tidal power station which has double reservoirs，one way fl ow and full tide time hydroelectric generation combined with aquaculture.It's necessary to improve eff i ciency and expand capacity because of the equipment aging and sedimentation in reservoir after years of operation.The law of power generation of tidal power station is similar with normal hydropower station，but its calculations and kinds of utilization are not same，sometimes with big divergence.The calculation of tidal electric energy of double reservoir was discussed by using the example of Haishan Tidal Power Station，and offered the reference of eff i ciency improvement and capacity expansion project.

Haishan Tidal Power Station；eff i ciency improvement and capacity expansion；kinetic energy estimation

TV744

A

1008- 701X(2017)06- 0023- 04

10.13641/j.cnki.33- 1162/tv.2017.06.006

2017-05-18

舒全英(1983- )，男，工程師，碩士，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計工作。E - mail：shuquanying@qq.com

（責(zé)任編輯 郎忘憂）