陳曉芬，湯春義，陳國海

（中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310014）

0 引 言

海洋能是有利于人類社會和諧發(fā)展的重要可再生能源之一，具有總蘊藏量大、可永續(xù)利用、綠色清潔等特點。潮汐能是海洋能中開發(fā)研究和利用最早、最成熟的一種，發(fā)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)進入了規(guī)?；l(fā)展階段。

我國自1958年開始研究開發(fā)利用潮汐能，20世紀60年代開始建設(shè)潮汐電站，建成小型潮汐電站約40座，目前還在運行的僅有浙江的江廈和海山潮汐電站2座。1980年初建成的浙江江廈潮汐試驗電站，其技術(shù)水平和規(guī)模在當今世界上仍位居前茅。

根據(jù)已有經(jīng)驗和成果并結(jié)合工程實際，開發(fā)建立潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)計算模型，并將其應(yīng)用于潮汐電站規(guī)劃設(shè)計。

1 潮汐電站開發(fā)及運行方式

單庫潮汐電站的開發(fā)方式主要有雙向發(fā)電和單向發(fā)電兩種。從理論上說，雙向發(fā)電與單向發(fā)電相比，具有發(fā)電歷時較長，發(fā)電量也可能較多，水庫水位變化周期與自然潮汐較為接近，對生態(tài)環(huán)境的改變程度較小等優(yōu)點。但按雙向發(fā)電運行則潮差被相應(yīng)分割，電站的平均水頭將僅為天然潮差的一半左右，電站設(shè)計水頭降低，發(fā)電機組尺寸相應(yīng)加大，同時雙向發(fā)電機組較單向發(fā)電機組運行工況更復(fù)雜、造價更高。潮汐發(fā)電采取雙向發(fā)電或單向發(fā)電開發(fā)方式需研究分析后確定。

單向發(fā)電又分漲潮發(fā)電和落潮發(fā)電兩種方式，由于潮汐發(fā)電電量的多少與所利用的水庫容積成正比，而落潮發(fā)電是利用水庫上部的容積，漲潮發(fā)電則是利用水庫下部的容積，一般而言，潮汐電站的水庫上部容積明顯大于其下部，其他邊界條件相同條件下，單向落潮發(fā)電電量大于單向漲潮發(fā)電電量。

潮汐電站的開發(fā)往往涉及養(yǎng)殖、圍墾、生態(tài)景觀、航運等綜合利用要求，電站開發(fā)時應(yīng)盡可能滿足各方需求，統(tǒng)籌考慮，發(fā)揮綜合效益。

2 潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)建模基本資料

在建立潮汐電站發(fā)電調(diào)度模型之前，需擬定電站運行方式、基本參數(shù)和確定電站采用的基本資料，主要包括水庫庫容曲線、代表潮位過程、代表入庫徑流、電站裝機規(guī)模、裝機臺數(shù)、機組出力限制線、機組過流曲線、水閘規(guī)模、水閘泄流曲線、發(fā)電水頭損失、正常蓄水位、死水位等。

潮汐電站水庫特征水位主要包括正常蓄水位（最高發(fā)電水位）、死水位（最低消落水位）及設(shè)計、校核洪（潮）水位。潮汐電站的正常蓄水位為電站正常運用的情況下，為滿足興利要求時蓄到的高水位，根據(jù)發(fā)電調(diào)節(jié)計算的最高庫水位確定。潮汐電站水庫死水位選擇主要由能否獲得較多電能、滿足庫區(qū)航深和漁業(yè)要求及對水工建筑物投資大小等因素確定，可綜合發(fā)電調(diào)節(jié)計算的最低庫水位確定。

水閘規(guī)模主要包括閘底板高程、水閘凈寬和孔口高度。

3 潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)建模

根據(jù)潮汐電站既定的發(fā)電運行方式，建立模型進行發(fā)電量模擬計算。若電站采用單庫雙向的開發(fā)方式，機組可以做正、反兩個方向的發(fā)電運行；落潮時水流從水庫流向海洋進行發(fā)電為正向發(fā)電，漲潮時水流從海洋流向水庫進行發(fā)電為反向發(fā)電。

落潮時，泄水閘門關(guān)閉，當海側(cè)水位與水庫水位差達到最小發(fā)電水頭時，機組開機正向發(fā)電。由于海側(cè)潮位消落速度比庫水位消落速度快，工作水頭不斷提高，機組出力隨之增加，直到海側(cè)開始漲潮，而庫水位隨著發(fā)電運行繼續(xù)下降，工作水頭便開始不斷下降，機組出力亦隨之降低，直到水頭降至最低發(fā)電水頭時，機組停機。開啟泄水閘門加快庫水排向海側(cè)的速度以進一步降低庫水位，為反向發(fā)電做準備，當庫、海側(cè)水位持平時，泄水閘門關(guān)閉，等待漲潮。

在正向發(fā)電過程中，若水庫水位降低到最低控制水位，則機組停機，等待漲潮。

漲潮時，海側(cè)潮位不斷升高，至海側(cè)潮位高于庫水位達到最小發(fā)電水頭時，機組開機反向發(fā)電。由于海側(cè)潮位升高速度比庫側(cè)水位上升速度快，工作水頭不斷提高，機組出力亦隨之增加，直至海側(cè)開始落潮，而庫水位隨著發(fā)電運行繼續(xù)上升，工作水頭便開始不斷下降，機組出力亦隨之降低，直至水頭降至最小發(fā)電水頭時，機組停機。開啟泄水閘門加快海水向庫充水以進一步提高庫水位，為反向發(fā)電做準備，當庫、海側(cè)水位持平時，泄水閘門關(guān)閉，等待落潮。

在反向發(fā)電過程中，若水庫水位上升到最高控制水位，則機組停機，并保持庫水位不變，等待落潮。

此外，在庫水位和潮水位持平或者水頭差較小時，有些潮汐電站的機組可發(fā)揮抽水工況的作用，使得庫水位升高（或降低）而高出（或低于）潮位，在發(fā)電工況時升高（或降低）了庫水位，發(fā)電水頭提高了，電站的發(fā)電量增加。

發(fā)電調(diào)節(jié)計算采用的基本計算公式有：

V=f（z）——庫容水位曲線；

Qt=f（h）——水頭發(fā)電流量關(guān)系曲線；

Qz=f（h）——水閘水頭流量關(guān)系曲線；

Qp=f（h）——水泵水頭流量關(guān)系曲線；

N=f（h）——發(fā)電機組水頭出力關(guān)系曲線。

式中：Vi：第i時刻庫容；

Qfi：第i時刻入庫流量；

Qti：第i時刻發(fā)電流量，落潮正向發(fā)電為“+”，漲潮反向發(fā)電時為“-”；

Qzi：第i時刻水閘流量，充水時為“-”，泄水時候為“+”；

Qpi：第i時刻水泵流量，充水時為“-”，泄水時候為“+”；

Ti：第i時刻的時間；

Ei：第Ti至Ti+1時段內(nèi)的電量；

E：總電量。

若潮汐電站為單庫單向開發(fā)方式，為利用漲潮時或退潮時發(fā)電，退潮時泄水或漲潮時充水，運行工況相對簡單，為充水（或泄水）、等待、發(fā)電、等待四個連續(xù)工況組成一個循環(huán)過程。

雙向發(fā)電潮汐電站計算程序框圖如圖1所示。

圖1 潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)計算程序框架示意圖Fig.1 Frame of generation regulation procedures for tidal pow-er station

4 江廈潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)應(yīng)用

根據(jù)前述計算方法，按照擬定的電站開發(fā)及運行方式、電站基本資料進行潮汐電站的發(fā)電調(diào)節(jié)模擬計算。以江廈潮汐電站為實例分析該模型的應(yīng)用情況。

江廈潮汐試驗電站位于浙江省溫嶺市樂清灣北端江廈港，裝機容量3.9 MW，是我國目前最大的潮汐電站，為試驗性雙向發(fā)電潮汐電站。江廈潮汐電站水庫水面面積為1.6 km2，正常蓄水位以下庫容為514萬m3，發(fā)電有效庫容為336萬m3，發(fā)電最高控制水位1.7 m，最低控制水位-1.0 m。水閘設(shè)于堤壩和廠房之間，為5孔平底閘，每孔凈寬3 m。電站的運行工況較為復(fù)雜，包括正向發(fā)電、泄水、等待、反向發(fā)電、充水、等待等六個工況組成一個循環(huán)過程，見圖2。

圖2 江廈潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)庫水位過程示意圖Fig.2 Graph of generation regulating reservoir level of Jiangxia tidal power station

根據(jù)江廈潮汐電站調(diào)度運行部門統(tǒng)計資料，2010年江廈潮汐電站年發(fā)電量為731.74萬kW·h，本次模擬計算的年發(fā)電量為758.39萬kW·h，相差26.65萬kW·h，誤差3.64%。計算成果見表1和圖3。

江廈潮汐電站2010年12月17～22日電站出力過程對比見表2和圖3。

江廈潮汐電站12月17～22日電站日發(fā)電量計算成果表2。

圖3 江廈潮汐電站2010年12月17～22日出力過程示意圖Fig.3 Daily output graph of Jiangxia tidal power station from Dec.17～22,2010

對江廈潮汐電站2010年12月17～22日6 d發(fā)電量進行統(tǒng)計，日發(fā)電量最大誤差為13.26%，最小誤差為0.48%，6 d總發(fā)電量誤差為2.32%。12月總發(fā)電量的誤差為10.59%。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，計算時段越小，相對誤差越大，電站年發(fā)電量的誤差不超過5%。

表1 江廈潮汐電站2010年發(fā)電量計算成果表（單位：萬kW·h）Table 1:Generation calculation result of Jiangxia tidal power station in 2010

表2 江廈潮汐電站12月17～22日電站日發(fā)電量計算成果表（單位：kW·h）Table 2:Daily generation calculation result of Jiangxia tidal power station from Dec.17～22,2010

分析圖3出力過程示意圖可知，電站模擬計算出力與實際出力過程大致吻合；發(fā)電過程中，模擬出力常常略大于實際出力，其原因是實際發(fā)電運行過程中，發(fā)電過流造成水輪機上游水位略低于計算采用的上游水位。

此外由于模擬計算采用的電站資料為江廈潮汐電站初步設(shè)計階段成果，與電站實際資料存在一定誤差，使得計算成果有誤差。

綜合分析，采用的計算方法和計算模型是合理的，可應(yīng)用于其他類似的潮汐電站。

5 江廈潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)優(yōu)化分析

江廈潮汐電站的運行方式為：在正向發(fā)電過程中，若水庫水位降低到最低控制水位-1.0 m，則機組停機，等待漲潮；在反向發(fā)電過程中，若水庫水位上升到最高控制水位1.7 m，則機組停機，并保持庫水位不變，等待落潮。江廈潮汐電站共6臺機組，正向發(fā)電設(shè)計發(fā)電最小水頭為是1.00 m和1.50 m，反向發(fā)電設(shè)計發(fā)電最小水頭均是1.50 m。模擬計算基于江廈電站既定的運行方式，若調(diào)整潮汐電站起始發(fā)電最小水頭進行發(fā)電調(diào)節(jié)模擬，可計算得到不同的發(fā)電量，通過分析選擇合適的起始發(fā)電水頭可使得電站獲得更大的發(fā)電效益。計算成果見表3。

由計算成果可見，江廈潮汐電站發(fā)電調(diào)度運行采用不同的最小發(fā)電水頭，電站年發(fā)電量有所不同，采用2010年潮位資料模擬計算，以最小發(fā)電水頭為1.5～1.6 m時，電站年發(fā)電量最大，江廈潮汐電站目前采用的調(diào)度運行方式是合適的。

表3 江廈潮汐電站不同起始發(fā)電水頭發(fā)電量計算成果表（2010年）Table 3:Generation calculation result of Jiangxia tidal power station at different heads in 2010

6 結(jié) 語

該模型很好地模擬了潮汐電站發(fā)電調(diào)節(jié)計算過程，應(yīng)用中可根據(jù)預(yù)報的潮汐過程，模擬潮汐電站發(fā)電調(diào)度運行方式，編制出發(fā)電效益最優(yōu)的調(diào)度方案指導(dǎo)生產(chǎn)運行，帶來更大的經(jīng)濟效益。