舒全英，陈 成，郑雄伟

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

浙江海山潮汐电站增容改造动能计算分析

舒全英，陈 成，郑雄伟

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

海山潮汐电站是我国迄今为止唯一的双库、单向、全潮发电和库区水产养殖综合开发的小型潮汐电站，电站经过多年的运行，机组设备老化以及库区淤积，亟需进行增效扩容。潮汐电站发电原理与常规的水电站类似，但计算过程与电站开发利用方式有不同并有较大的差别。以海山潮汐电站为例探讨双库单向潮汐电站动能计算，为其增容改造装机规模确定提供参考依据。

海山潮汐电站；增效扩容；动能计算

潮汐能是一种可再生能源，是海水在月球、太阳等引力作用下形成周期性海水涨落而产生的能量，是一种没有污染、不消耗燃料、不受洪水或枯水影响、用之不竭的海洋清洁能源。潮汐电站动能计算是潮汐电站规划设计中的重要研究内容，关系到潮汐电站的规模和效益、潮汐能资源合理开发利用问题[1-2]。潮汐电站发电原理与常规的水电站类似，但计算过程与电站开发利用方式不同并有较大差别，海山潮汐电站是我国迄今唯一的双库、单向、全潮发电和库区水产养殖综合开发的小型潮汐电站，经过多年的运行，机组设备老化，运行效率低下以及库区淤积，亟需进行增效扩容改造。 本文以海山潮汐电站为例探讨高低库潮汐电站动能计算，为其增容改造装机规模确定提供参考依据。

1 工程概况

玉环县海山潮汐电站位于乐清湾中部的茅埏岛南端，为20世纪70年代初所建，是具海岛特色的近现代水利设施。20世纪70年代初，海山公社为解决海岛用电问题，自筹资金，因地制宜，在南滩村建45kW单库、单向潮汐电站，于1972年初开工建设，设计装机容量为2×75kW。1973年7月，按浙江省水利厅批准的双库、单向要求建站，于1975年9月建成，同年10月第1台75kW水轮机组建投产，年发电量15万kW·h。1984年5月，电站被列为浙江省中小潮汐电站关键技术研究攻关项目，进行工程改造，扩建西方塘庵水库建成55kW蓄能电站，克服潮汐能的间隙性，解决电站小潮位不能进水发电的问题。至1986年12月，实现单机全潮发电，并增装第2台75kW机组，建成1站3库连续发电的新型潮汐电站，年发电量达21万 ～ 24万kW·h，1988年1月并入县电网运行。该电站1996年再次改造，设计装机容量为2×100kW，实际扩容为2×125kW，年发电量达33万 ～ 38万kW·h。电站库区及主要建筑物包括：上库25.33hm2（380亩）（发电蓄水库），目前因部分库面用于养殖，实际发电库面约为12.00hm2（180亩）、下库2.53hm2（38亩）（高平潮前后尾水泄蓄调节水库）；上库设有进水闸2座4孔，冲淤闸1座2孔，负责上库进水和冲淤排泄淤泥；下库有设泄水洞及排水闸；上库和下库之间建一控制闸和泄水渠，控制闸的作用是控制水轮机尾水低潮位时通过泄水渠泄向大海，高平潮时泄向下库。所有水闸的集控装置位于在发电厂房内控制操作，电站厂房建于上下库之间。海山潮汐电站平面布置见图1。

1992年通过省级鉴定，曾荣获浙江省中小水电站关键技术成果奖，1994年荣获联合国信息促进系统中国国家分部“创造发明科技之星奖”，2001年被列入浙江省级文物保护单位。海山潮汐电站的建成为我国综合开发潮汐能积累了经验，为海岛经济发展和人民生活条件改善作出了重要贡献[3]。

2 潮汐电站运行方式

潮汐电站的开发利用方式主要有单库单向工作开发方式、单库双向工作开发方式、双库单向以及多库开发方式[1]，各电站类型和布置方式见图2。

图1 海山潮汐电站平面布置图

图2 潮汐电站类型及电站布置示意图

目前，海山潮汐电站采用的是双库单向发电方式，但其运行方式有其特色，即在上下库之间设置了排水渠道及控制闸，电站运行概化见图3。电站运行中包括进水、等候、发电、排水等4种工况，前2种工况和一般的潮汐电站无异，后2种工况则有较大的差别，因外海潮位的不同，发电排水有4种排泄过程，即：①外海→进水闸→上库→控制闸→下库；②上库→控制闸→下库；③上库→控制闸→下库→排水洞→外海；④上库→排水渠→排水闸→外海。

图3 海山潮汐电站运行概化图

3 潮汐电站动能计算

目前潮汐发电量等动能指标国内为主要有理论分析法、水能调节法和结合水动力计算模型计算3种，对资料齐全及条件具备的电站通常采用水能调节法[4-5]，基本资料为：逐时潮位过程线（典型或长历时）、库区库容关系曲线、水轮机组运转特性曲线、闸门泄流曲线（或计算公式）以及库区最高、最低限制水位等。虽然潮汐电站根据开发利用方式不同，运行工况也不尽相同，但水能调节计算都遵循水量平衡原则，基本公式有：

式中：ΔV为时段内库容差，m3；ΔT为时段值，s；Q为时段进出总流量，m3/s；Qfi为Ti时刻入库流量，若无入库径流则为0，m3/s；Qti为Ti时刻发电流量，落潮正向发电为正，涨潮反向发电时为负，m3/s；Qzi为Ti时刻水闸流量，泄水时候为正，充水时为负，m3/s；Qpi为Ti时刻水泵流量，泄水时候为正，充水时为负，m3/s；Ni为Ti时刻发电机组出力，kW；ρ为海水容重，kg/m3；g为重力加速度；η为机组效率；Ei为第i至i+1时段内的电量，kW·h；Esum为总电量，kW·h。

3.1 典型潮位过程线

海山电站附近的潮汐为典型的正规半日潮，根据潮汐半月周期的特点，选取1999年10月1— 31日的实测逐时潮位过程作为典型潮位设计，其平均潮差和多年平均潮差很接近（见图4）。

图4 海山站1999年10月1— 31日典型潮位过程线图

3.2 水库水位 — 库容曲线

水库水位 — 库容关系根据最新地形图量测，上库总面积约25.33hm2（380亩），现状上库发电库区主要为甲库和丙库部分，约12.00hm2（180亩），其水位库容关系见表1和表2。

表1 上库水位库容关系

表2 下库水位库容关系表

3.3 水轮机组运转特性曲线

分别按装机容量2×125，2×250kW进行方案比选，发电机效率为0.92，机组运转特性曲线见表3和表4。

表3 机组运转特性曲线表(单机容量125k W)

表4 机组运转特性曲线表(单机容量250k W)

3.4 控制闸门

目前电站的主要进水闸为南进水闸，为2孔×4.5m（宽）×4.0m（高）；北进水闸为2孔×3.0m（宽）×3.0m（高）。排水渠道与下库之间有控制闸，单孔宽6.0m。泄水闸位于排水渠出口，共3孔，单孔宽3.0m，其中2孔对应排水渠道泄水，另1孔对应下库泄水洞排水。

3.5 发电运行水位

本工程区域实测最高潮位4.44m，库区海塘堤顶高程为5.70～ 6.05m，发电厂房地面高程在4.49～ 4.76m，考虑一定安全超高的情况下，上库发电运行最高水位取4.20m。

4 动能计算分析

根据拟定改造方案分别进行分析计算。

现状工况：即现状运行工况，机组装机容量2×125kW。

改造方案1：新机组装机容量2×125kW，与现在装机容量一致并维持现有的上下库发电库区面积不变（上库13.33hm2（200亩）、下库2.53hm2（38亩））。

改造方案2：新机组装机容量2×250kW，将上库库区全部用来发电，下库面积不变（上库25.33hm2（380亩）、下库2.53hm2（38亩）），对电站进行综合自动化、信息化改造，做好机组防腐蚀措施等。各方案动能技术指标比较见表5。

表5 计算方案成果比较表

根据表5各计算方案成果比较来看，从年平均发电量看，改造方案1较现状工况，由于采用新机组，性能有所提升，计算年均发电量为45.2万kW·h，较现状机组发电量增加约28%；改造方案2年平均发电量约105.6万kW·h，是现状工况年平均发电量35万kW·h的3.0倍，是改造方案1年平均发电量45.2万kW·h约2.3倍。从装机利用小时来看，现状工况和改造方案1电站机组利用小时都小于2000h，一定程度上降低了电站的发电效益，未充分利用潮汐能资源，改造方案2将上库全部面积库容增加纳潮量，增加了电站机组发电量和发电利用时间，机组利用小时为2112h，从节能减排的角度看，潮汐能作为可再生能源，清洁无污染，符合国家可再生能源政策，具有显著的社会效益，适当的扩容是必要的。从以上分析，装机规模选择500kW（2×250kW）是合适的[6-7]。

5 结 语

潮汐能是一种可再生清洁能源，海山潮汐电站经过多年运行，设备老化、库区淤积，对其增效扩容是有必要的。同时考虑到与常规水电站动能计算的差异，本文采用典型潮位过程进行调节计算，并分析不同方案的动能计算指标，为潮汐电站增效扩容改造工程提供了参考依据。

[1] 李书恒，郭伟，朱大奎．潮汐发电技术的现状与前景[J]．海洋科学，2006，30(12)：82- 86．

[2] 范波芹，索丽生，周杰．重视潮汐电站的开发与利用[J]．水电能源科学，2001，19(2)：71- 73．

[3] 林楚平．海山潮汐能的综合开发利用[J]．水利水电技术，1999，30(1)：33- 34．

[4] 舒全英，卢晓燕，郑雄伟．潮汐电站动能计算及软件开发与应用[J]．水力发电学报，2015，34(6)：65- 70．

[5] 王传崑，卢苇．海洋能资源分析方法及储量评估[M]．北京：海洋出版社，2009．

[6] 卢晓燕，舒全英，郑雄伟．潮汐电站动能计算研究研究技术报告[R]．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，2014．

[7] 潘利国，舒全英，郑雄伟．浙江省玉环县海山潮汐发电科技改造试验项目(一期)工程初步设计报告[R]．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，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，工程师，硕士，主要从事水利规划设计工作。E - mail：shuquanying@qq.com

（责任编辑 郎忘忧）