紀洪艷，顧振華

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

潮流能示范電站微觀場址布局方案初探

紀洪艷，顧振華

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434）

以浙江舟山潮流能示范工程總體設計為藍本，對電站微觀場址布局中機組布置形式、機組橫縱向間距對電站效益的影響進行了多層次、演進式的比較分析。通過探索研究，提出了推薦的前后排機組布置形式，揭示了橫、縱向機組間距變化對機組發(fā)電效益的影響程度及變化規(guī)律，認識到機組橫向間距的增大對電站效益的改善作用要顯著優(yōu)于機組縱向間距增大對電站效益的改善作用，并在此基礎上，對浙江舟山潮流能示范電站的微觀場址布局方案提出了建議。

潮流能；示范電站；微觀場址布局

海洋能是重要的可再生能源，蘊藏量豐富，有著重大的發(fā)電潛力和推廣應用前景[1-2]。近年來，潮流能成為世界各國爭相研究開發(fā)的對象[3-4]，并逐步由理論研究、實海況試驗向示范工程建設的方向發(fā)展，當前，歐美發(fā)達國家已經(jīng)開展了大量潮流能試驗場的建設運行工作，而我國在潮流能試驗場建設方面仍是空白，浙江舟山潮流能示范電站是我國首個具備公共測試和示范功能的公益性開放型國家級潮流能試驗場，在填補空白的同時，對推動我國潮流能開發(fā)利用技術及相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

在示范電站建設中潮流能發(fā)電裝置的陣列布設方式直接影響潮流能裝置的發(fā)電效率，進而影響整個示范電站的運行效益[5]。評估裝置陣列能夠提取的能量及提取能量的效率，是海洋能開發(fā)利用電站建設中面臨的重要課題[6-8]。本文通過對浙江舟山潮流能示范電站示范區(qū)潮流能發(fā)電裝置陣列布設方式的研究，對電站微觀場址布局方案進行了初探。

1 示范電站概況

示范電站位于浙江省舟山市普陀區(qū)普陀山島與葫蘆島之間水域。海域水深范圍約20～60 m，場址分為測試區(qū)和示范區(qū)，分別布置3個測試泊位和6個示范泊位。

1.1 測試區(qū)

規(guī)劃布置3個測試泊位，可為機組廠商提供潮流能機組的實海況測試。測試區(qū)可將環(huán)境與發(fā)電裝置數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、接收與儲存；滿足發(fā)電裝置的測試需求，可將發(fā)電裝置發(fā)出的電力傳送至岸上；具備電網(wǎng)接入條件，發(fā)電裝置發(fā)出的電力經(jīng)過升壓、測試最后完成并網(wǎng)；具有評價功能，可對發(fā)電裝置的性能進行評價。

1.2 示范區(qū)

規(guī)劃布置6臺示范機組，總裝機容量不小于1 MW。功能定位為潮流能的并網(wǎng)發(fā)電示范，將發(fā)電裝置發(fā)出的電力傳送至岸上；具備電網(wǎng)接入條件，發(fā)電裝置發(fā)出的電力經(jīng)過升壓后完成并網(wǎng)。通過對工程區(qū)潮流能資源、水文氣象、地形地貌、工程地質等工程建設條件的綜合分析，比選確定適應上述環(huán)境條件特征且經(jīng)濟性最好的潮流發(fā)電機組，進行潮流能發(fā)電站的并網(wǎng)發(fā)電示范和商業(yè)化運行。

考慮到測試區(qū)泊位數(shù)量不多，僅為3個，且需要根據(jù)工程地質及海域條件等有針對性的布置，各測試泊位間距較大，彼此間因陣列存在而產(chǎn)生的影響相對較小，而示范區(qū)包括6個示范泊位，布局相對集中，各潮流能發(fā)電裝置間會因陣列的存在而受到影響，因此本文主要針對示范區(qū)的微觀場址布局方案進行研究。

2 研究方法

潮流發(fā)電裝置一般布設于海水面以下，主要受流體影響，因此對于特定場址潮流的預測以及陣列影響的流體預測是微觀場址布局方案研究中需要重點研究和解決的問題。目前，對于潮流能發(fā)電場微觀場址布局的計算大體可分為兩類，一類是具有良好適用性及推廣性的國外科研機構研發(fā)的商業(yè)軟件，另一類是利用開放模型代碼自編的模擬評估。本文采用英國GL公司開發(fā)的TidalFarmer軟件對微觀場址布局方案進行研究。

TidalFarmer為了更好地模擬潮流裝置的復雜性，同時減小模型計算的難度，引用了CFD第三方軟件的計算結果，從而簡化建模，實現(xiàn)對潮流能發(fā)電微觀場址布局的優(yōu)化和發(fā)電量的預測與評估。在陣列影響的流動模擬中包括了本地障礙模擬和尾流模擬。障礙模擬主要是基于制動盤理論，是結合邊界表面的模擬計算，主要用于預測裝置轉子性能變化和流管外的水體流動。尾流模擬是基于擾亂假設，采用單一尾流模型及合并處理的方法，建立三維數(shù)學模型對尾流形式以及增加的湍流強度進行評估，計算某一場址布局條件下的發(fā)電量，優(yōu)化微觀場址布局。

3 研究方案

3.1 泊位布置原則

本潮流能示范工程包含示范區(qū)和測試區(qū)，所處普陀山島-葫蘆島海域相對狹小，需要在有限的海域內(nèi)，優(yōu)選潮流能資源豐富點位的同時，優(yōu)化布置3個測試泊位和6臺示范機組。因此在進行示范區(qū)機組布置時需遵循以下原則：

（1）優(yōu)選潮流資源豐富區(qū)。示范機組所發(fā)電量將并入電網(wǎng)，為取得更大的發(fā)電效益及穩(wěn)定性，泊位應布置在潮流能功率密度大且漲落潮流向集中的區(qū)域；

（2）節(jié)約用海。在泊位布置時盡量集中，同時避開航道、錨地、油氣管道、海底電纜、捕撈區(qū)及保護區(qū)等限制用海區(qū)域；

（3）降低尾流影響。盡量減小潮流能發(fā)電裝置彼此間產(chǎn)生的尾流影響，降低對潮流觀測儀器的影響，提高測試結果的真實性與可信度；

（4）方便運輸與安裝。在布置潮流能發(fā)電裝置時應選擇地質條件相對良好、水下坡度變化較小的海域，并盡量方便裝置的運輸與安裝，預留充足的作業(yè)水域以避免海上作業(yè)對相鄰測試泊位的影響；

3.2 研究條件選取

3.2.1 模擬條件假定 在實際工程海域當潮流能機組布置方案改變時，機組布置區(qū)域的地形及各水輪機處的流速都會隨之變化，故潮流能機組發(fā)電效益的變化同時受布置方案、地形以及各水輪機處所受流速變化這三者的影響。在研究中為了更好地給出潮流能機組不同布置方案本身對發(fā)電效益的影響，將模擬區(qū)域內(nèi)地形及潮流兩個因素固定。

場址所處的舟山海域屬非正規(guī)半日潮，以往復流為主，基本呈NNW-SSE走向，取漲急流速1.44 m/s，流向332°，落急流速1.64 m/s，流向154°的典型潮過程進行計算。海域內(nèi)地形坡度較緩區(qū)域水深基本在30～40 m范圍，為了去除地形變化的影響，研究中假定模擬區(qū)域內(nèi)水深恒定為30 m。

3.2.2 潮流能發(fā)電機組 綜合考慮示范電站裝機容量、潮流機組性能及示范區(qū)示范效果等因素，微觀場址布局方案研究中選取東方電機有限公司正在研制的450 kW水平軸潮流能機組進行計算，該潮流能發(fā)電機組葉輪直徑19 m，輪轂高度14.5 m，機組功率曲線見圖1。

圖1 潮流機組功率曲線

3.2.3 微觀場址選擇 根據(jù)數(shù)學模型對場址海域水流條件的模擬（如圖2所示），場址海域全年垂向平均流速分布相對均勻且流速相對較大的區(qū)域位于葫蘆島與普陀山之間略靠南側水域內(nèi)；由于所選機組直徑為19 m，從保證機組運行安全角度出發(fā)，場址海域水深至少為30 m；綜合上述兩個條件，示范區(qū)泊位微觀場址選定在圖中紅色虛線范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)30 m等深線的橫向寬度約900 m。

圖2 微觀場址示意圖

3.3 微觀場址布局方案擬定

3.3.1 方案擬定思路 歐洲海洋能中心（European Marine Energy Centr，縮寫：EMEC）編制的《潮流能資源評估指南（Assessment of Tidal Energy Resource）》中對泊位布置進行了建議：在順流方向兩行潮流能發(fā)電裝置呈交錯式布置，間距至少為10倍葉輪等效直徑；垂直于流向的同一行內(nèi)兩發(fā)電裝置中軸線之間的距離至少為2.5倍葉輪等效直徑，如圖3所示。

圖3 潮流能發(fā)電裝置陣列布局

本次研究中，首先研究對稱布置與交錯布置的優(yōu)劣，得出推薦的陣列布置方式，再通過改變潮流能機組橫、縱向間距（定義順水流方向為縱向、垂直于水流方向為橫向）研究橫、縱向間距變化對機組發(fā)電效益的影響規(guī)律，最后在滿足泊位布置原則的前提下，綜合考慮電站場址的海域特點及施工條件得出建議的微觀場址布局方案。具體研究路線見圖4。

圖4 研究路線圖

3.3.2 方案研究與結果對比

（1）陣列布置形式研究

為提高研究結果的代表性，選取兩組不同的橫縱向間距組合方案對陣列布置形式進行研究，參考EMEC推薦的2.5D×10D，分別增大和減小橫縱向間距，擬定5D×10D和5D×5D的組合方案，分別布置成前后排交錯布置和前后排對稱布置的陣列布局形式，具體布置見圖5。

圖5 陣列布置形式研究方案示意圖（方案1-方案4）

在研究中引入尾流影響系數(shù)rm來定量描述尾流對潮流能機組發(fā)電效率的影響，rm表示因尾流影響而損失的能量占潮流能機組總發(fā)電量的百分比，rm計算公式如下：

式中：Etotal和Ewake分別表示不考慮和考慮尾流影響時潮流能機組的總發(fā)電量。

通過對兩種陣列布置形式下的尾流場（見圖6）、各潮流發(fā)電機組及整個示范區(qū)發(fā)電總量的對比（見表2和表3）可知：前后交錯布置形式（方案1和方案2）時各臺機組發(fā)電量及整個示范區(qū)發(fā)電總量均高于前后對稱布置形式（方案3和方案4），整個示范區(qū)發(fā)電總量可分別提高2.6%和7.2%。說明前后交錯布置形式（方案1和方案2）上游迎流機組對下游機組的尾流影響要弱于前后對稱布置形式（方案3和方案4）。由于減小了尾流干擾，從而提高了發(fā)電效益。從尾流影響系數(shù)的變化也可得出上述結論，5D×5D和5D×10D兩種間距方案其尾流影響系數(shù)rm分別從前后排平行布置形式（方案4和方案3）的8.897和4.775降低至前后排交錯布置形式的（方案2和方案1）1.863和2.458，交錯布置形式的尾流影響系數(shù)顯著小于對稱布置形式的尾流影響系數(shù)。

說明在相同的橫、縱向間距條件下，通過交錯布置各臺潮流能發(fā)電機組可以有效降低上游迎流機組對下游機組所產(chǎn)生的尾流影響，進而提高潮流能機組的發(fā)電效益。因此，在陣列布置形式上推薦前后交錯的陣列布置形式。

表2 不同陣列布置形式下發(fā)電量對比表（5D×5D）

表3 不同陣列布置形式下發(fā)電量對比表（5D×10D）

（2）機組橫向間距研究

以EMEC推薦的2.5D×10D（方案5）為基礎，保持前后交錯的陣列布置形式，在橫向間距上以2.5D為增量逐級增加機組橫向距離至5D，7.5D，10D，12.5D，15D（方案6-方案9），研究橫向間距改變對潮流能機組發(fā)電效益的影響。各橫行間距下發(fā)電量、尾流影響系數(shù)的計算結果及其變化趨勢具體見表4和圖7，尾流場見圖8。由上述圖表可以看出：

圖6 不同陣列布置形式下尾流影響示意圖

①在橫向間距由2.5D增加到15D的過程中，相應的尾流影響系數(shù)從4.666%降低至幾乎可忽略不計的0.002%，示范區(qū)發(fā)電總量由2.15增加到2.26 GWhr，增加了近5%?？梢婋S著潮流能機組橫向間距的增大，尾流影響系數(shù)rm隨之顯著減小，潮流能機組因彼此間的干擾降低，發(fā)電量顯著增大。

②當橫向間距由最初的2.5D增加到7.5D時，其尾流影響系數(shù)rm從4.666%減小至1.026%，即橫向間距增大5D，尾流影響系數(shù)相應減小3.64%；當橫向間距由10D增加到15D時，尾流影響系數(shù)rm從0.376%減小至0.002%，即橫向間距同樣增加5D，尾流影響系數(shù)只相應減小0.374%?？梢婋S著機組橫向間距的不斷增大，其對電站效益的改善作用在逐漸趨緩，當橫向間距增大到10倍葉輪直徑后，相同的橫向間距增量，所能觸發(fā)的尾流影響系數(shù)削減量顯著減小，繼續(xù)增大橫向間距效果已不明顯。文中圖7亦很好地詮釋了這一變化規(guī)律。

當可開發(fā)利用海域較寬闊且所需布置機組較少時，建議從減小尾流影響的角度，在10倍的葉輪直徑范圍以外選取橫向間距，而當可開發(fā)利用海域較狹窄時，可以從提高海域利用率的角度，在10倍的葉輪直徑范圍以內(nèi)選取橫向間距。

（3）機組縱向間距研究

在分析了不同陣列布置形式及橫向間距與潮流能電站發(fā)電效益間的關系后，本節(jié)通過改變順水流方向前后排機組間距來研究縱向間距對發(fā)電效益的影響。以方案1（橫向間距5D，縱向間距10D）為基礎，分別增加和減小縱向間距，組成5D、15D、20D、25D和30D的方案序列。各方案計算結果見表5，尾流場見圖9。通過對比可知：

①縱向間距從10D逐漸增大到30D的過程中，尾流影響系數(shù)從2.458%減小到1.637%，減小了0.821%，相應的示范區(qū)發(fā)電總量由2.20 GWhr增加到2.22 GWhr，增加了約0.8%。可見縱向間距的增大對尾流影響的減弱效果不是十分明顯，這主要是由于尾流分布呈狹條形，需要足夠大的縱向間距才能使下游機組遠離上游機組所產(chǎn)生的尾流區(qū)域。

表4 不同橫向間距布置方案發(fā)電量對比表

圖7 不同橫向間距下發(fā)電量及尾流系數(shù)變化圖

圖8 不同橫向間距下尾流影響示意圖

②當縱向間距從10D減小到5D時，尾流影響系數(shù)沒有呈現(xiàn)出隨著縱向間距的減小而增加的變化規(guī)律，而是在較小的5D縱向間距時，形成了較低的尾流影響系數(shù)γm和較高的發(fā)電效益。這主要是由于縱向間距較小時上游水輪機的尾流還未完全擴散，尾流對下游機組的影響較小，這與英國卡迪夫大學工程學院的O’Doherty D M等人[9]指出的“在水流作用下水輪機之間區(qū)域流體速度加快，該加速區(qū)域流體有利于下游水輪機發(fā)電”的觀點是一致的。

③總攬縱向間距從5D增加到30D過程中發(fā)電量及尾流影響系數(shù)所呈現(xiàn)的變化規(guī)律是：隨著潮流能機組縱向間距的增大，潮流能電站發(fā)電效益隨之先減小后增大，先減小是由于加速區(qū)域流體的有利影響減弱，后增大是由于尾流的不利影響減弱。當縱向間距增大到25D時，尾流影響系數(shù)rm約為1.871%，此時潮流能電站發(fā)電效益恢復到與縱向間距為5D時類似。之后隨著縱向間距的進一步增大，尾流影響系數(shù)隨之緩慢減小。

當可開發(fā)利用海域較開闊且所需布置機組較少時，建議從減小尾流影響的角度，縱向間距選取大于25倍的葉輪直徑，而當可開發(fā)利用海域較小時，可以從增大水輪機間加速區(qū)域流體有利影響的角度出發(fā)，縱向間距選取5倍的葉輪直徑。

通過對橫縱向間距的研究，可以看出橫向間距對潮流能電站發(fā)電效益的響應靈敏度要遠高于縱向間距，這是由于水輪機尾流影響區(qū)域多呈狹長分布，尾流場的橫向尺度遠小于其縱向尺度，在交錯布置形式下通過增大水輪機橫向間距可使后排水輪機迅速遠離尾流影響區(qū)。因此，在進行微觀場址布局時應優(yōu)先考慮滿足橫向間距。

3.3.3 舟山潮流能示范電站微觀場址布局方案建議 通過前文對潮流能發(fā)電機組陣列布置形式、機組橫向間距及縱向間距的研究，從電站效益最大化的角度出發(fā)，建議選取前后排交錯、橫縱向間距為15D×10D的布置方案，其發(fā)電效益該方案橫向最外側兩臺機組間距600m，小于30m等深線寬度900m，滿足機組布置對海床深度的限制條件。由于本文研究中對模擬條件進行了假定，因此在實際工程設計時，可在上述研究成果的基礎上結合實海況對微觀場址布局進行多方案對比優(yōu)選。

表5 不同縱向間距布置方案發(fā)電量對比表

圖9 不同縱向間距下尾流影響示意圖

4 結語

海洋能發(fā)電評估及微觀場址選擇是海洋能發(fā)電設計中的重要環(huán)節(jié)，直接關系到電站的發(fā)電效益，不同布設方案所能提取到的能量及其對周邊水動力的影響是不同的。本文以浙江舟山潮流能示范電站示范區(qū)機組布置為例，采用英國GL公司開發(fā)的TidalFarmer軟件，從潮流機組陣列的排布形式、機組橫向間距、機組縱向間距等方面進行了逐層次、演進式的推導性研究。通過研究發(fā)現(xiàn)：

（1）前后排機組交錯布置可減小上游迎流機組對下游機組所產(chǎn)的尾流影響，當潮流能發(fā)電機組較多，需要前后排多列布置時，推薦采用前后交錯的陣列布置形式。

（2）通過增加潮流能機組橫、縱向間距，能起到減小尾流影響，提高發(fā)電效益的作用，其改善作用總體上隨著機組橫、縱向間距的增大而趨緩。

（3）機組橫向間距變化對發(fā)電效益的響應敏感度遠高于縱向間距。在進行微觀場址布局時應優(yōu)先考慮滿足橫向間距。

（4）橫向間距增大到10倍葉輪直徑后，相同的橫向間距增量，所能觸發(fā)的尾流影響系數(shù)削減量顯著減小，繼續(xù)增大橫向間距效果已不明顯。

（5）受水流作用下水輪機之間區(qū)域流體速度加快的影響，縱向間距為5D時的發(fā)電效益與縱向間距25D時相似。當可開發(fā)利用海域較小時，縱向間距可選取5倍的葉輪直徑。

（6）建議在實際工程設計中綜合考慮可開發(fā)利用海域范圍、機組特性、機組數(shù)量等因素，通過多方案對比得到最優(yōu)的微觀場址布局方案。

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Study on the Layout Scheme of the Micro Site Selection for Tidal Current Energy Demonstration Station

JI Hong-yan,GU Zhen-hua
Shanghai Investigation,Design&Research Institute,Shanghai 200434,China

Taking the Zhoushan tidal current energy demonstration station in the Zhejiang Province as an example,This paper discusses and analyzes the influence of the micro site layout scheme on the efficiency of electricity generation from the aspects of transverse spacing,longitudinal spacing and the configuration form of the turbine generator system.According to the results of research,a configuration form of turbine generator system is put forward,and the relationship between the spacing of the turbine generator system and the efficiency of electricity generation has been studied and revealed in a quantitative manner.It is pointed out that,to improve the efficiency of electricity generation,increasing the transverse spacing will be more effective than increasing the longitudinal spacing.On the basis of the above-mentioned findings,this paper provides some useful advices on the layout optimization of the Zhoushan tidal current energy demonstration station in Zhejiang Province,China.

tidal current energy;demonstration power station;micro site layout scheme

P743

A

1003-2029（2017）04-0057-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.011

2017-03-08

海洋可再生能源專項資金工程示范類項目資助（GHME2013GC03）

紀洪艷（1981-），女，碩士，高級工程師，主要從事河口海岸規(guī)劃研究。E-mail：jhy@sidri.com