简析潮汐电站选址及其节能降耗技术路线0308.docx
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简析潮汐电站选址及其节能降耗技术路线0308
浅析潮汐电站（工程选址）节能降耗技术路线
肖瑞南1，杨爱菊2
（1工控网北京数据技术有限公司，北京；2西北勘测设计研究院，西安710065）
摘要：
随着全球人类社会对新能源的迫切需求，伴随社会综合环境投资效益的新要求与提高，潮汐电站将成为新能源研发中的一枝奇葩，由此其市场竞争力将成为潮汐电站研究课题的主要目标。
总结并借助传统江河水电工程建设经验，用以剖析潮汐电站工程效益因子及其主要控制因子，探讨电站工程枢纽布置格局、海风波浪爬高、枢纽前沿纳潮量等因子与其投资效益之间的关联性。
潮汐电站节能降耗因子的影响因素及技术路线，与其前期工作的研究手段有着密切关系。
由工程案例可进一步看出潮汐电站研究的关键节点及路径。
整体物理模型实验基地更利于结合潮汐电站工程枢纽拦潮前沿阔长的工程特点开展海洋水力发电多能互补开发研究。
关键词：
海洋水电；增能；降耗；潮差增量；波浪；纳潮量
1.前言
（1）海洋水电研发的有利条件及潜力
海洋水电应包含潮汐水电、潮流水电、波能水电等海洋水动能电力，而据有关资料显示世界海洋水电仅潮汐能理论蕴藏量[1]为4000GW,与江河水电蕴藏量相当，中国具有300多万km2海域的（不含岛屿）18000余km海岸线，据20世纪八十年代的潮汐能调查（未含台湾等岛屿地）其可开发保守蕴藏量为1.9亿kW，再者潮汐能电站自上世纪研发以来已有50多年的研发经验，因此较大规模开发海洋水电宜以潮汐能为基础，综合考虑挖掘潮（海）流及波浪能等海洋水电的巨大潜力，同时海洋水电开发有必要尽量参照执行DL或SL水能系列法规进行，从而以为编制有关海洋水电的国家标准及行业标准做相应的工作。
正确合理利用已具有百年建设经验的江河水电开发技术和50多年潮汐、波能、潮流等海洋水电试验运行经验，寻找“提高潮汐电站效益”的有效路径，对我们来说既复杂又繁琐，但这是一个非常有效的捷径，这也是我国“十二五”期间具有战略意义的海洋水电新能源研究项目。
（2）潮汐电站的市场竞争缺陷
目前，我国的潮汐发电技术处于世界较先进的地位，但整体开发规模还很小，工程选址、枢纽多功能性、结构形式和施工方法还欠先进，尤其是工程规模匹配度[2]较差，从而使得潮汐电站不具备与传统江河水电站等其它电能竞争市场。
有资料[1]显示法国电力系统中潮汐电站的发电成本与其他类型电站相比是最低的。
用浙江三门县2009年启动的某潮汐电站（装机2万kW，单位千瓦3.4万元）研发经济指标，与江河水电指标单位千瓦2.0万元不到相比，说明我国潮汐能发电市场竞争能力较差。
2.潮汐电站工程技术现状
2.1工程技术现状
潮汐电能的优越性（月能量变化很小）使其在电力系统中既可担负峰荷，也可担负基荷，具有日月平均一定范围的规律性。
潮汐电站日与月的规律变化不均匀性在上世纪下半叶建设的大型电力系统联合运行中已被吸纳而解决。
总结中国成功的潮汐、潮洪能开发范例，汇总法国、俄罗斯、加拿大等国潮汐电站运行经验，包含韩国在建的、英国等国拟建的、印度以及澳大利亚正在设计的大容量潮汐电站，以上潮汐电站工程创新技术经验，基本可归为以下几个方面：
（1）施工技术及建筑结构
俄罗斯的基斯拉雅试验潮汐电站首次使用了漂浮沉箱技术（施工不用围堰及薄壁结构），据称几乎可以使工程建设施工费用减少一半（达45％）。
由此缩短了海域与陆地施工条件上的差距。
由此从薄壁结构技术上解决了大体积混凝土的温控、海洋工程的混凝土量庞大等技术难题。
（2）机组设备方面
自1984年加拿大为潮汐电站设计了全贯流机组，随后中国江夏等潮汐电站对贯流机组进行了50多年研究，虽然该机组比灯泡机组价格低廉了20%，但其转轮常被海生物困扰。
2004年俄罗斯研制出类似风电场的“新型正交水轮机”，使潮汐发电设备成本得到实质性降低。
正交水轮机设备的简单使电站的发电厂房结构相应土建工程和建筑物尺寸均有很大改进，同时厂房尾水管结构线形也非常简单明了，由此不但节约了厂房混凝土的工程量，同时其施工技术难度也相应地简化了许多。
（3）电站运行及环境
潮区钢筋混凝土建筑物没有损坏的迹象，而电化学腐蚀保护和生物污损[1]等问题已经有所解决。
以上现象可由中国江夏潮汐电站及法国朗斯、俄罗斯基斯拉雅40多年的监测数据证明，由此也可证明潮汐能是一种环境友好的能源。
（4）海工物理模型试验及数值仿真模拟
根据目前所掌握信息，海洋潮汐能的海工整体性物理模型试验资料短缺。
但数值仿真模拟却在近几年有些许个例[3]。
纵观以上潮汐能发电技术与经验，他们涵盖了电力系统性问题的解决、简化设备结构、降低施工技术难度以及极少数的水力实验等方面。
但在工程布置与选址方案比较方面，其物理模型实验资料非常欠缺。
2.2值得关注的事项
江河水电研发历史经验告诉我们，整体物理模型实验可反映工程枢纽布置对工程修建后所处地域水的流动形态及路线的影响。
水电（海洋水电更甚）工程规模大、投资额高，实际工程一旦在实施中出了问题，随时可能给自然环境、社会环境、人类生命、国家财产等造成重大损失，因而在海洋水电工程前期研究工作中，海工整体物理模型实验（以下简称WLMXSY）的作用更显其重要性。
进一步来说，WLMXSY既可以为水电站工程选址、方案论证及其实施提供多重性研究，也可对多方案进行检验而提出最优方案，并且在整体WLMXSY的研究中，其工程实施状态也可以提前预知，这有助于水电设计方案的验证和修改从而使其更具科学性和合理性。
总结江河水电经验，分析海洋水电工程特点，我们可以初步把海洋水电工程WLMXSY任务基本归结为：
（1）研究枢纽布置方式对工程所在区潮差的影响度；
（2）研究枢纽布置方式对水库海域实际纳潮量的影响；（3）研究枢纽布置对水库海域泥沙淤排的影响；（4）研究风波浪爬高对枢纽建筑物高度与发电水头的影响；（5）研究枢纽各坝段比例匹配度及装机规模与工程规模的匹配度；（6）研究潮汐能、波浪能、潮流能及风能太阳能综合开发的可能性。
以上若干方面问题对潮汐电站的投资效益及运营效益有着至关重要的影响。
3.潮汐电站投资效益因子的关联性
潮汐电站投资效益的主要影响因子组织结构可如框图3.1所示。
图3.1潮汐能投资效益因子结构图
如图3.1所示：
①为保证问题突出，此处我们重点探讨a、b类因素（c、d等其他因子研究在此暂不作深度研讨）与电站投资效益的关联性及其技术路线。
②为反映海洋的潮波风波在挡潮建筑物前沿的实际状况，为充分利用堤坝前波能及规模宏长的堤坝前沿空间，提出潮汐、波浪、潮流能等综合开发做尝试性联合开发研究。
3.1效益因子的关联性
潮汐电站投资效益如何，关键在于工程规模M、投资规模P、电站装机规模N（含年发电量E值）三者之间的匹配和谐情况。
经进一步综合分析M、P、N三者关系，我们不难发现它们有如下紧密关系：
装机效益经济指标
式①
发电效益经济指标
式②
式①及式②中：
Xn，Xe--效益指标，以单位千瓦投资元或单位电度元计，与装机规模N及发电量成正比，与投资规模成反比。
其中N--电站装机规模万千瓦计数，P--投资规模以万元计数，E--电站发电量以万度计数；
（1）主要耗能因子分析
潮汐电站投资额与工程规模成正比，受工程所处地的地质构造及地形地貌影响，基本与传统江河水电相似，因此潮汐电站选址及其布置方案优化工作尤显其重要。
投资规模与装机规模成正比，说明电站的装机容量研究的重要性。
因此可有：
投资规模
式③
工程规模
式④
式③中：
M--工程规模以工程等级计，
N—电站装机容量,
J—机组效率（本文暂不探讨）,
G—施工技术水平（本文暂不探讨）。
式④中：
L--拦潮建筑物前沿最大长度，单位以米计；
B--拦潮建筑物最大总厚度，单位以米计；
C—潮汐电站发电厂房综合参数，与机组台数及转轮直径有关；
X—泄水纳潮过流孔数及宽度，单位以米计。
（2）主要增能因子的分析
从效益指标Xn，Xe式①及式②中不难看出，效益与装机规模N及发电量成正比，而控制装机及发电量的主要因子从江河水电经验可初步看出，电站装机与发电水头、与发电水量成正比。
结合海洋水文水情特点，这里的水头及水量与江河水电的水头水量的特点如下：
发电水头：
看似仅由潮差决定，因潮差自身量值小，而影响水头的因子有风浪、波浪、潮差增量等因素。
发电水量：
看似发电水量大小几乎不受限制，但经仔细分析实际参与发电的水量受电站的实际纳潮量等诸多因素影响。
实际纳潮量：
受拦潮闸坝与潮流方向的夹角影响，受拦潮闸坝的闸孔数量及空口尺寸大小及建筑物布置格局等因素影响。
总结分析众多典型潮汐电站及众多资料后，在此可有如下因子关系：
电站装机（或发电）规模N（或E）
式⑤
波浪爬高
式⑥
式⑤中：
H—拟建工程之前工程所在海域原始自然潮差，单位以m计；
Δh—修建工程后坝址处的潮差增量，单位以m计；
δ—枢纽工程建后坝址处波浪爬高最大或平均高度，单位以m计；
S—电站库容，单位以m2计；
Q--电站实际纳潮量，单位以m3/s计；
q1、q2--潮（海）流来量，矢量值。
式⑥中：
F—风级数；
Ss—港湾面积，单位以m2计。
总结陆地江河水电站效益经验，分析潮汐电站效益状况，与潮汐能电站效益有关的主要控制因子可归结有：
潮差H、潮差增量Δh、库容S、电站实际纳潮量Q、风级F、波浪爬高δ、潮（海）流来量q1与q2等参数。
因此我们可以从不同方面来研究分析以上自然因素与工程建设效益的关联性。
3.2效益因子的经验公式
据现有潮汐能文献信息，潮汐能可开发装机容量N与年发电量E的经验公式[4]有：
装机容量N=H2*S*200式⑦
年发电量E=0.55*106*H2S（kW·h）式⑧
式⑦及式⑧表明潮差H、库容S值控制着电站装机规模，尽管众多文献说明潮差H量值较小[2]。
但在潮汐水电站效益研究分析中，我们不应放弃或轻视任何可能获得效益的因素，因为海洋水电的开发对于我们来说仍是一门新学科，因此在潮差H与库容S（或纳潮量）值的研究中，现实是需要在跳出原来的思维框框对影响投资的枢纽工程布置与规模等因子做更多研讨。
衡量潮汐电站工程开发效益指标的经验公式有：
装机与工程规模匹配度[2]：
K=K1×K2
或K=N2/（Lh）式⑨
其中K1=N/L式⑩
K2=N/h式⑩
以上各式中：
K1——单位堤坝长的单位装机系数；
K2——单位堤坝高的单位装机系数；
L——挡潮建筑物前沿总长，单位是m；
h——挡潮建筑物高度，单位是m；
N——电站装机容量，单位是MW；
Kn的单位是用MW/m来衡量。
其中Kn与K值越大，说明潮汐电站装机规模与建筑工程规模匹配度越好。
3.3有待进一步研究的问题
总结分析以上内容，未来急需探讨的经验公式任务仍很艰巨，不但判别潮汐电站枢纽工程各坝段比例匹配度、拦潮前沿流道与纳潮量及机组台数匹配度等效益指标经验公式仍待进一步探讨，其他众多海洋水电工程技术问题的理论体系仍需投入很大力量来创建分析研究，因此潮汐电站进入电力市场竞争的道路仍是艰巨而漫长。
4海洋水电增能降耗的技术路线
4.1增能与降耗的因子分析
汇总前文工程投资效益因子关联性中的内容有：
工程投资经济效益指标
或
式①式②
投资规模
式③
工程规模
式④
式①或式②中经济效益指标Xn（或Xe）与投资额P成反比，与装机N（或E）成正比。
因此“增能与降耗”研讨工作宜从如何增加装机N（或E）和降低投资额P两方面来入手。
撇开式③中其他因子单看M即可发现，工程规模M与P成正比关系。
进一步分析工程规模，式④中M与L（拦潮建筑物前沿最大长度）、B（拦潮建筑物最大总厚度）、C（潮汐电站发电厂房综合参数,与装机台数及转轮直径有关）、X（泄水纳潮过流孔数及宽度）成正比。
由以上分析可以清晰看到，工程选址（即坝址、坝线选择）及枢纽布置的研究对投资效益有至关重要的影响。
陆地江河水电工程建设经验告诉我们，坝址、坝线选择及枢纽布置影响着工程效益，而海洋水电工程坝址、坝线选择及枢纽布置同样也将对其效益产生更大影响。
4.2增能因子水头的增量分析
分析电站效益指标式：
电站装机规模N（或E）
式⑤
波浪爬高
式⑥
式⑤电站装机或发电量与潮差增量Δh、波高δ等因子成正比，除潮差H、库海域面积外，在此着重就潮差增量Δh、波高δ两因子做进一步分析。
（1）潮差增量的玄机
分析众多潮汐资料不难发现，海洋潮差变化确有玄机在藏，在浩瀚的大洋深海水区潮差一般情况几乎均不足1m，当潮波传向海岸、海湾或河口，因其地形不同，其反波共振下所产生最终潮差可增3～10倍[4]，说明站址地形地势对潮差影响很为显著。
再看潮汐电站典型工程实例[5]资料，朗斯站址建站前后潮差相差2～4倍，由此说明潮汐水电枢纽布置格局在一定范围可提高坝址处的潮差量值。
以上两点说明Δh量值的可观度是值得加大力度在电站整体物理模型实际中探讨研究。
（2）波浪爬高发电水头不可忽视
涨潮必涌水波起，有海无风也有三尺浪，由于海面潮汐升降产生水波较大，波遇阻挡即产生更大涌浪潮波。
据有关资料我们可以知道海风级别与波浪、波高之间的关系如表4.1所示。
表4.1风浪与波高的关系表
风级描述
风级
风速（m/s）
平均波浪高度（m）
最高波浪高度（m）
波浪描述
波高（m）
无风
0
<0.5
无浪
0-0.1
轻微
1
0.5--1.5
0.1
0.1
2
2--3
0.2
0.3
平静
0.1-0.5
和风
3
3.5--5
0.6
1
小浪
0.5-1.25
4
5.5--8
1
1.5
中浪
1.25-2.5
清风
5
8.5--11
2
2.5
大浪
2.5-4
强风
6
11.5--14
3
4
7
14.5--17
4
5.5
非常大浪
4--6
烈风
8
17.5--20.5
5.5
7.5
巨浪
6--9
9
21--24
7
10
暴风
10
24.5--28.5
9
12.5
非常巨浪
9--14
11
29--32.5
11.5
16
飓风
12
>=33
>=14
极巨浪
>14
由表中波高量值的变化可知，波高、浪高值一般情况下可达0.5m以上，由此进一步说明海风级别如同江河水电站的季节暴雨洪水量一样，对有限的潮差即潮差增量的影响非常可观。
潮汐电站尽管地处距海岸较近海域，但工程所在区域的风级受海风影响很大，因此海风及海工建筑物的所引起的波高在堤坝高度和发电水头确定中更宜给予足够重视。
（3）小结
研究潮汐能开发中，潮差变化与潮波、风波变化密切相关，波高、浪高值对有限的自然潮差量值如潮差增量同样非常可观，因此风波、潮波的爬高在堤坝高度和发电水头确定中更宜给予足够重视。
因潮差自身量值小[2]，无论是由枢纽布置格局等因素影响的潮差增值变化，还是因海风引起的波高的变化，虽其量值小但所占潮差份额并不小，例如潮差增量或波高是0.3m，但对潮差2m（或3m）所占比例15%份额并不小，因此利用潮差增量及风波浪爬高在堤坝等拦潮建筑物高程和电站发电水头确定中均应重视。
4.3潮汐电站投资效益研究的技术路线
潮汐电站规模匹配度[2]，反映了潮汐电站的纳潮能力，也体现了工程规模及其投资效益情况。
也就是说，潮汐电站的挡潮堤坝高与长、水闸规模、厂房高宽比例一方面直接控制工程量影响经济指标，另一方面工程选址与枢纽布置与水库纳潮量、库区海域（即建筑物挡排沙效果）有着密切关系，另外对站址的潮差、波高也有着至关重要的影响。
潮汐电站的投资与运营效益经济指标一直居高不下也可以归为是以上种种因素不利发挥的结果，从而影响了电站效益及生命周期。
有效利用陆域江河水电工程经验，通过潮汐电站WLMXSY及数值模拟计算分析，揭示潮汐电站经济效益的各因子互相影响的规律性具有非常重要的意义。
具体技术路线如图4.1
图4.1潮汐电站效益因子研究技术路线框图
5工程实例分析
5.1工程项目简介
根据中国2004年至2009年完成的“我国近海海洋综合调查与评价”成果[6]，山东省被重点调查的海洋能源点十二分之一在2010年启动，该4万千瓦级装机的潮汐电站站址勘察及预可行性研究项目为我国首批“海洋可再生能源专项资金项目”。
该潮汐电站的站址位于山东半岛南海岸中东部大乳山北侧，初估电站装机规模为40MW，年发电量约1.03亿kW•h，该潮汐电站对外交通卫星图如图5-1所示。
图5-1某潮汐电站对外交通示意卫星图
5.2工程选址及枢纽布置
5.2.1坝（站）址选择（预可研）阶段
该阶段主要任务是不同坝址的方案比较，其工作任务是通过海洋水电WLMXSY、一方面对工程所在海域可能合理坝址进行比较，推荐最高潮差时的合理坝址确定最优坝址方案，另一方面就枢纽工程建设对潮（海）流的流向及坝址处潮差的影响量值范围进行实验研究。
工程实例的潮汐电站坝（站）址区域卫星图如图5-2所示，从图5-1及图5-2可初步判断，其可能坝（站）址有如图三个坝址方案。
图5-2坝址区域卫星图
如卫星图可以明显看出，坝址Ⅰ位于外海的海口处，坝址Ⅱ位于内海口2处，坝址Ⅲ位于内海口1处，根据坝址自然条件及电站装机估算等因素，三个坝址方案优缺点可列表5-1。
表5-1某潮汐电站坝址方案综合效益比较表
名称
坝址Ⅰ（内海口1处）
坝址Ⅱ（内海口2处）
坝址Ⅲ（外海口处）
库长
8.19km
3.42km
16.6km
坝线长
600～700m
1100～1500m
760～900m
初估装机
4万KW
1.8万KW
8万KW
工程优缺点
库容较大，坝线最小而工程量较小投资较低，交通便利，施工难度较小，效益较好。
库内泥沙淤积严重，库容较小，坝线长、枢纽工程量大、投资高，交通条件较差，施工难度大，效益差。
库容大，坝线较小而工程量较小投资较低，交通较便利，施工难度较大，效益较好。
综上，由表5-1中各坝址方案的优缺点，明确了本工程选址工作重点应为坝址Ⅰ与坝址Ⅲ的方案比较，在基本掌握自然信息资料后，可以分别按照图4.1的技术路线，对各坝址进行WLMXSY，以便进一步掌握分析坝址Ⅰ、坝址Ⅲ各方案的投资效益状况。
经过WLMXSY研究，检验推荐坝址为该海湾区内最高潮差的合理坝址；揭示潮汐发电的枢纽布置对潮差的影响度，初拟定各建筑物比例；
5.2.2坝线及枢纽布置（可研阶段）
按照DL系列有关规范，本阶段任务是坝线及枢纽布置方案的选择，即在选定坝址拟定多条可能坝线，
（1）研究不同坝线的（推荐）枢纽布置进行方案比较选择，确定最优坝线；
（2）研究最优坝线的工程枢纽布置格局最优效益方案。
某潮汐电站工程区如图5-3所示，无论是坝址Ⅰ或坝址Ⅲ，均可拟定出上、下两条或多条可能坝线方案。
对于有代表性的两条坝线通过WLMXSY，推荐最高潮差时的合理坝线位置，确定最优坝线方案。
图5-3某潮汐电站坝线方案卫星示意图
当坝线确定后，可对推荐坝线的代表性枢纽布置方案进行WLMXSY实验，以更进一步对代表性枢纽布置方案进行检验，以确定装机容量、机组台数、泄水纳潮闸门孔数，同时对拦朝建筑物的实际纳潮能力进行检验，提出最优方案；探讨最优布置方案对坝址处潮差的影响值，以确定最优方案。
初步创建拦潮前沿各建筑物合理分配比例范围值，初步揭示建筑物布置对潮差的影响度。
当推荐方案确定后，在选定方案的WLMXSY上，结合潮汐电站拦潮坝段前沿长度阔长的工程特点，探讨潮流能、波浪能与潮汐能联合开发电站的建筑物结构组合模式。
6结论及建议
就目前海洋水电中各水能开发状况而言，潮汐能开发将成为海洋水电较大规模开发的前哨进入海洋水电开发行列，其开发效益的检验是不宜用大量的实际海洋工程投资来验证，传统江河水电建设经验告诉我们，验证、比较、选择海洋水电经济效益的金钥匙是需要WLMXSY参与的。
为尽快挖掘海洋水电巨大潜能而提高其市场竞争力，在此建议：
（1）海洋水电开发是需要借助江河水电及水运码头等类似工程建设与研究经验及手段的；
（2）提高海洋水电潮汐电能投资效益，应从系统研究工程效益因子、研究主要控制因子的关联性入手；
（3）海洋水电开发中，应利用潮汐工程特点尽快开展风能、太阳能、海洋水生物质能等能与潮汐能抽水蓄能多能互补开发研究；
（4）参照国标、水电水利、水运、港口码头等相似行业的行标，即参考GB、DL、SL、JTJ等有关系列规程，尽快进行海洋水电的有关国标或海洋水电行业规程的编制研究；
参考文献
[1]I.N.尤萨切夫，世界潮汐发电发展前景展望[J].水利水电快报,2009,10，37-41.
[2]杨爱菊等.析潮汐电站选址与投资效益因子[J].西北水电,2010,12（6），71-75.
[3]羊天柱等.健跳港潮汐电站工程运行仿真数值预测研究[D].再生能源第三届学术讨论论文集.
[4]沈祖诒.潮汐电站[M].北京:
中国电力出版社,1998：
42，26，31-33.
[5]杨爱菊等.海洋能之潮汐电站开发技术概要[J].西北水电,2010,4
（2），89-95.
[6]李允武.海洋能源开发[M].北京：
海洋出版社,2008:
233-242.
[7]王传昆等.重点鼓励万千瓦级潮汐电站[OL].中国可再生能源网,2011.4.7
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