潮汐電站的開(kāi)發(fā)潛力及前景

[法國(guó)]F.朗佩里耶

潮汐電站的開(kāi)發(fā)潛力及前景

[法國(guó)]F.朗佩里耶

潮汐電站在設(shè)計(jì)、發(fā)電設(shè)備、施工方法、運(yùn)行方式及對(duì)環(huán)境影響等方面與傳統(tǒng)的水電站有很大區(qū)別,因此在研究潮汐能時(shí),必須對(duì)許多已經(jīng)建立的概念進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。通過(guò)與其他可再生能源在成本方面的對(duì)比分析,闡述了潮汐電站的市場(chǎng)和潛力,主要內(nèi)容包括潮汐電站特有的優(yōu)缺點(diǎn),以及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境因素等。

潮汐電站;水電站設(shè)計(jì);發(fā)電設(shè)備;施工方法;水電站運(yùn)行;環(huán)境影響評(píng)價(jià)

目前,全世界的電能需求為 20萬(wàn)億 kW·h/a,到2040年,很可能會(huì)達(dá)到 50萬(wàn)億 kW· h/a。在 2020年以前,火力發(fā)電量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng),但為防止氣候變化,到2040年,火力發(fā)電量有望減少至 10萬(wàn)億 kW·h/a以下。核電發(fā)電量目前為 3萬(wàn)億 kW·h/a,而到 2040年,很可能會(huì)因?yàn)殁櫾系臏p少而被限制在 5萬(wàn)億kW·h/a。由水能、地?zé)崤c生物能生產(chǎn)的最大發(fā)電量在 2040年以前不會(huì)超過(guò) 10萬(wàn)億 kW·h/a,其中大約一半的電能需求將會(huì)由風(fēng)能和太陽(yáng)能來(lái)滿(mǎn)足,相應(yīng)供電成本在 5～10美分/kW·h之間(按 2010年的美元實(shí)值計(jì)算)。潮汐能是否具有應(yīng)用前景決定于其投資成本能否控制在 10美分/kW·h以下(即每年投資低于 1美元/(kW·h/a)),同時(shí)對(duì)環(huán)境的影響要在一定的允許范圍內(nèi)。過(guò)去利用天然氣、當(dāng)?shù)孛禾?或者最好的水電項(xiàng)目發(fā)電,成本都低于 5美分/kW·h,而潮汐能投資成本通常會(huì)高于這個(gè)值,但隨著潮汐發(fā)電技術(shù)進(jìn)步而帶來(lái)相關(guān)費(fèi)用的降低,潮汐能的經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)已受到歡迎。

1 潮汐能的開(kāi)發(fā)潛力

全球潮汐能的理論蘊(yùn)藏量大約在 20～30萬(wàn)億kW·h/a,相當(dāng)于所有河川水力發(fā)電總量,但可供開(kāi)發(fā)程度比較低,不同國(guó)家情況不一。初期研究表明:全球經(jīng)濟(jì)型潮汐電站年供電能力在 1萬(wàn)億 kW·h左右,最高為 2萬(wàn)億 kW·h,但這僅僅只占未來(lái)電力需求的一小部分。河川水力發(fā)電潛力較低,大約是1 000億 kW·h/a。本文主要針對(duì)潮汐電站進(jìn)行分析。

大多數(shù)潮汐地的潮汐形式都為半日潮,本文中有關(guān)的潮汐數(shù)據(jù)都屬此類(lèi)。一次潮汐持續(xù)時(shí)間為12 h 25min、面積為 S(以 km2計(jì))、潮差為 H(以 m計(jì))的一次潮汐潛能等于平均水頭為0.5H的水體SH的能量的 2倍。每次潮汐單位 km2面積上的理論蘊(yùn)藏量(以 kW·h計(jì))為:其中 ρ=1.03,為海水密度,那么每年 706次潮汐的理論蘊(yùn)藏量接近于 2H2GW·h(H表示平均潮差)。事實(shí)上,潮汐電站能量的轉(zhuǎn)化率僅有 25%～40%,這意味著潮差在 5～7 m之間,單位面積(km2)潮汐水庫(kù)的發(fā)電量為 15～40 GW·h/a。年發(fā)電量為 1萬(wàn)億kW·h的潮汐電站將需要面積為 4萬(wàn) km2的蓄潮水庫(kù)(年發(fā)電量為 3萬(wàn)億 kW·h的水電站則需要構(gòu)筑面積為 30萬(wàn) km2的水庫(kù))。

2 具體數(shù)據(jù)

由于潮差在為期兩周的時(shí)間內(nèi)是變化的,一周內(nèi)產(chǎn)生的能量可能是另外一周的 3倍。因此潮汐能的最佳蓄能不應(yīng)局限于一次潮汐,而應(yīng)該力求在 2個(gè)星期的時(shí)段內(nèi)都能做到有效蓄能。

與風(fēng)能和太陽(yáng)能相比,潮汐能早就被人類(lèi)所認(rèn)知,風(fēng)能和太陽(yáng)能多半需要通過(guò)抽水蓄能電站(目前在電網(wǎng)中用于調(diào)峰)進(jìn)行儲(chǔ)存。如果需要的話(huà),潮汐電站同樣也可與抽水蓄能電站聯(lián)合工作。

月潮汐能量年內(nèi)分布均勻,年供電量比大多數(shù)的傳統(tǒng)水電要可靠得多。

潮差大,海水深度在 20m左右,海床為沙子、礫石或巖石的感潮區(qū)域是修建潮汐電站的理想站址。但由于岸邊海浪較大,會(huì)對(duì)電站和擋潮堤產(chǎn)生較大沖擊,故擋潮堤高度不宜過(guò)高,可允許有適當(dāng)?shù)臐B漏,但是運(yùn)行水頭較低,會(huì)給水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、發(fā)電效率以及費(fèi)用等帶來(lái)一系列問(wèn)題。

3 水輪機(jī)

用于潮汐電站的水輪機(jī)特性如下:

(1)在咸水中運(yùn)行,但可以解決防腐等有關(guān)問(wèn)題,正如 40 a來(lái)法國(guó)拉朗斯(La Rance)工程所遇到的相關(guān)問(wèn)題一樣。

(2)在一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃^下運(yùn)行,水頭通常為2～4 m,但每次潮汐中水頭變幅比較大。

(3)容量比較低,通常在 10～30 MW之間,但每個(gè)發(fā)電場(chǎng)可安裝幾百個(gè),當(dāng)然也可以用大尺寸部件建造,并用海上船用起重機(jī)安裝。

(4)制造、運(yùn)輸、裝配流程與傳統(tǒng)的大型水電站只裝備少數(shù)大容量機(jī)組的情況完全不同。

(5)有些方案要求雙向運(yùn)行和/或可作抽水用。

3.1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組

雙向燈泡貫流式水輪機(jī)是為法國(guó)拉朗斯電站開(kāi)發(fā)的,該電站共安裝有 24臺(tái)機(jī)組,均可作為水輪機(jī)和水泵雙向運(yùn)行,且已成功地運(yùn)行了 40 a。但是,在多數(shù)情況下,它們只作單向水輪機(jī)運(yùn)行。這些機(jī)組容量大小為 10 MW,直徑為5.5m。最近已為韓國(guó)西赫瓦(Sihwa)潮汐電站制造了 10臺(tái)直徑大于 8 m的更大更簡(jiǎn)單的 25 MW燈泡貫流式機(jī)組,但這些機(jī)組將只作單向運(yùn)行,沒(méi)有抽水設(shè)備。

燈泡貫流式機(jī)組已被應(yīng)用到許多徑流式電站中,實(shí)踐證明效果很好,并且在某些方面還可作進(jìn)一步改進(jìn)。如實(shí)行變頻優(yōu)化,可以提高發(fā)電效率至90%,但目前由于發(fā)電效率隨著水頭的變化而變化,且反向運(yùn)行或作為水泵工作時(shí),效率非常低,另外低水頭運(yùn)行每 kW的單位造價(jià)會(huì)上升。

3.2 全貫流式水輪發(fā)電機(jī)組

加拿大安納波利斯(Annapolis)潮汐電站安裝了一臺(tái)全貫流式水輪機(jī),該水輪機(jī)有一個(gè)水平軸,類(lèi)似于燈泡貫流式水輪機(jī)。這類(lèi)機(jī)組就單向運(yùn)行而言,在一定程度上可以與燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)媲美,但它不具備抽水功能,目前關(guān)于此類(lèi)機(jī)組的研究報(bào)道很少。

3.3 正交式水輪機(jī)

正交式水輪機(jī)具有一個(gè)垂直軸,關(guān)于它的研究與測(cè)試已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,這方面的工作主要在俄羅斯進(jìn)行。該類(lèi)水輪機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)外型較水平軸水輪機(jī)簡(jiǎn)單得多,平均每kW單位造價(jià)可大幅降低。

(2)工業(yè)生產(chǎn)流程非常簡(jiǎn)單,可在近海的專(zhuān)門(mén)工廠(chǎng)或者船廠(chǎng)中使用。

(3)機(jī)組容量可適應(yīng)各種海水深度。

(4)齒輪傳動(dòng)裝置有利于高速運(yùn)行,發(fā)電機(jī)造價(jià)低廉。

(5)泄流能力較大,在大多數(shù)情況下,可減少或者不設(shè)水閘,有利于施工末期水庫(kù)合圍。

按照目前的設(shè)計(jì)方式,該類(lèi)水輪機(jī)不具備抽水功能,與燈泡貫流式機(jī)組 90%的最優(yōu)效率相比,該機(jī)組的缺陷是效率較低,一般只能達(dá)到 70%～75%,但隨著發(fā)電水頭的變化,效率值變化幅度不大,且保持雙向一致。由此看來(lái),正交式水輪發(fā)電機(jī)組如果單向運(yùn)行,其平均效率低于燈泡貫流式機(jī)組,但如果雙向運(yùn)行,其效率將接近甚至優(yōu)于燈泡貫流式機(jī)組。

正交式水輪機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景,使平均潮差為 5 m以下的場(chǎng)所建立潮汐電站的可能性擴(kuò)大。盡早在一些很小的初步試點(diǎn)工程中應(yīng)用這種機(jī)組將有助于對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化,以便在 2020年以后大規(guī)模應(yīng)用。

4 土建工程

土建工程的結(jié)構(gòu)和施工方法與傳統(tǒng)的水電站方案不同。

4.1 堤 防

堤防建筑通常在較低水頭情況下運(yùn)行,允許適當(dāng)?shù)臐B漏(允許最大滲漏速率為 1 L/(s·m2))。堤防的高度大約為 30 m,部分在水面以下。海浪產(chǎn)生的荷載比水頭差產(chǎn)生的大,堤防潰決所產(chǎn)生的影響比水電站潰壩的影響小,不會(huì)危及人類(lèi)的生命?？赡軙?huì)有許多設(shè)計(jì)方案,這主要取決于可用的當(dāng)?shù)夭牧稀６咽w、混凝土塊、預(yù)制沉箱可用來(lái)做防浪堤和水壩,也可以用來(lái)修建連接潮汐電站的交通道路。

另一種辦法是,可以先建一道傳統(tǒng)的低防浪堤,在春潮期間,存在高浪漫過(guò)堤頂?shù)目赡?。然后可利用大型海上挖泥機(jī)在平靜的水中用海底沙和礫石再建一道擋潮堤,這樣造價(jià)比較低,且可作為電站的對(duì)外交通道路。

擋潮堤與防浪堤之間大概有 100 m的距離,區(qū)間用于停泊帆船和漁船。用沙子和碎石建堤防,其寬度根據(jù)需要來(lái)決定。與修建一條可以抵御大海浪、能防滲且能用作道路的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的單一堤防建筑物的造價(jià)相比,防浪堤和擋潮堤的總造價(jià)更低廉。

4.2 電 站

對(duì)于小型工程,發(fā)電站可在圍堰內(nèi)的干場(chǎng)地上建筑,例如拉朗斯和西赫瓦工程。然而對(duì)于具有 5 km或 10 km長(zhǎng)度的大型電站而言,預(yù)制鋼筋混凝土沉箱的造價(jià)會(huì)比較低,且耗時(shí)也較短。長(zhǎng)度達(dá) 100 m、重約 10萬(wàn) t的沉箱可以在距潮汐電站站址幾百公里的地方建造。機(jī)械設(shè)備可在沉箱預(yù)制期間安裝或以后在電站現(xiàn)場(chǎng)安裝,該方案特別適合正交式水輪機(jī)的潮汐電站。

上述施工方法非常適用于建在偏遠(yuǎn)和/或比較寒冷地區(qū)的潮汐發(fā)電工程。

5 主要成本要素

每 kW·h的運(yùn)行和維修費(fèi)用較低,對(duì)于大型潮汐電站來(lái)說(shuō),該優(yōu)勢(shì)尤為明顯。最關(guān)鍵的問(wèn)題是可以減少 kW·h/a的投資成本,主要是降低電站、堤防、水閘以及各種減沖擊措施等費(fèi)用。

電站每 kW成本與水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、潮差、土建工程以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件有關(guān)。該成本通常在 1 000美元/kW左右,年利用時(shí)間為 2 000～4 000 h。這意味著 kW·h/a的投資成本為0.25～0.5美元。

每公里防浪堤成本較高,約為 5千萬(wàn) ～1億美元。堤防長(zhǎng)度與發(fā)電量比值必須低。如:每平方公里的潮汐水庫(kù)每年的發(fā)電量為 25 GW·h,堤防費(fèi)用為 7 500萬(wàn)美元,每平方公里潮汐水庫(kù)長(zhǎng)0.1 km堤防的成本將為0.3美元。具體計(jì)算公式如下:

成本合算的潮汐電站站址為河口、有利的海灣、或沿海岸線(xiàn)的大型潮汐盆地。

在某些潮汐電站運(yùn)行設(shè)計(jì)中,需要在外海與潮汐水庫(kù)之間設(shè)置水閘,每平方米鋼閘門(mén)的直接成本不高,但是相關(guān)的土建工程費(fèi)用高得多,因?yàn)樗鼈円趪邇?nèi)或利用預(yù)制沉箱建造。因此最好采用不設(shè)置閘門(mén)或少設(shè)閘門(mén)的運(yùn)行方法。

種類(lèi)繁多的費(fèi)用開(kāi)銷(xiāo)是必須的,特別是對(duì)于用來(lái)減少一些負(fù)面的環(huán)境影響更是如此。如設(shè)置船閘維持通航,為過(guò)魚(yú)需要而建立相關(guān)設(shè)施等。

6 對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的影響

需要強(qiáng)調(diào)的是,關(guān)于潮汐電站對(duì)環(huán)境與人類(lèi)的影響應(yīng)該進(jìn)行大量研究。就同等的能源供給來(lái)講,應(yīng)該將潮汐能源與其他能源進(jìn)行比較,除此之外,不應(yīng)忘記潮汐電能的正面影響。

從視覺(jué)影響考慮,在居住區(qū)或旅游區(qū)堤防和潮汐電站過(guò)長(zhǎng)是不受歡迎的,這主要是針對(duì)擋潮堤靠近海岸布置的小型潮汐發(fā)電工程而言。但是高度為10m的堤,如果它們離海岸的距離達(dá)20 km,則很難被看到,因而它們的視覺(jué)影響遠(yuǎn)低于相同電能出力的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。平均每公里堤防的潮汐發(fā)電能力相當(dāng)于兩座中型水電站。

大幅度地改變潮汐水庫(kù)內(nèi)的天然水位和流量在居住區(qū)是不被允許的,而通過(guò)選擇電站的調(diào)度方式,則可以避免這種影響的發(fā)生,至少可以最大限度地降低由此造成的影響。潮汐電站將會(huì)對(duì)沉積物產(chǎn)生影響,特別是對(duì)泥沙,這些影響或許是有利的(減緩泥沙在潮汐水庫(kù)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)),或許是不利的(泥沙沉積需疏浚)。

對(duì)潮汐水庫(kù)中捕魚(yú)的真實(shí)影響很難進(jìn)行精確地評(píng)估,但是用合適的建筑物解決過(guò)魚(yú)問(wèn)題,低水頭的堤防情況比高水頭的壩相對(duì)容易些。為了適應(yīng)船舶通航,大型電站工程需要修建船閘,并應(yīng)投資需要用于改善現(xiàn)存港口設(shè)施或者沿?fù)醭钡绦藿ㄐ碌母劭谠O(shè)施。

修建潮汐電站的有利方面主要表現(xiàn)為:

(1)避免水庫(kù)內(nèi)出現(xiàn)高海浪,有利于當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖,減少海岸防護(hù)的投入。

(2)避免出現(xiàn)超高海平面的情況,緩解世界海平面的上升。

(3)在偏遠(yuǎn)地區(qū)修建大型潮汐電站有利于大型港口、工業(yè)、甚至城市的發(fā)展。

另外,與傳統(tǒng)水電站相比,潮汐電站還有 2個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn):一是不需要移民,二是如果發(fā)生潰堤,后果不嚴(yán)重。

7 水庫(kù)布置和運(yùn)行方式

進(jìn)行方案之間對(duì)比時(shí),需著重考慮以下因素:

(1)所有工程都應(yīng)沿著海岸線(xiàn)而建,完全離岸的工程造價(jià)更高,這是因?yàn)槊?kW·h的堤防更長(zhǎng),對(duì)外交通更貴?？紤]泥沙淤積因素,一些環(huán)礁應(yīng)該在離岸較遠(yuǎn)、且水深比較大的地方。

(2)不同方案對(duì)于海岸的環(huán)境影響是不同的。

(3)每 kW·h造價(jià)和水輪機(jī)效率隨著方案的不同而不同,這是因?yàn)槠骄l(fā)電水頭可能不同以及雙向運(yùn)行方式可能對(duì)燈泡式水輪機(jī)的成本和工作效率有影響。

(4)具有抽水設(shè)施的機(jī)組可能會(huì)增大供電能力及帶來(lái)運(yùn)行的靈活性。然而增加的費(fèi)用可能會(huì)抵消這些優(yōu)勢(shì),因而每 kW·h成本可能不會(huì)減少。

(5)為了滿(mǎn)足一次潮汐期供電的需要,采用 2～3座水庫(kù)的辦法可能是合適的,從而減少了蓄能的需要。但這些辦法不能將一周大潮的過(guò)剩能量轉(zhuǎn)移給一周小潮。

(6)對(duì)于大型工程,潮流不應(yīng)集中在一個(gè)或幾個(gè)狹窄的地方。

以下 3種基本方案是可行的,可以或者不與蓄能設(shè)施聯(lián)合。

(1)單一水庫(kù);

(2)水庫(kù)之間具有電力聯(lián)系;

(3)水庫(kù)之間具有水力聯(lián)系。

7.1 單一水庫(kù)

單一水庫(kù)具有以下 2種基本的運(yùn)行方式:

(1)在外海和一座高水庫(kù)或低水庫(kù)之間的單向運(yùn)行,簡(jiǎn)稱(chēng)單向單庫(kù)(SESS)。

(2)雙向運(yùn)行,簡(jiǎn)稱(chēng)雙向單庫(kù)(DESS)。一次潮汐的潮汐水位過(guò)程如圖 1所示。

如果在低水頭下實(shí)施雙向運(yùn)行,DESS方案供電能力比較強(qiáng),機(jī)組一次持續(xù)運(yùn)行的時(shí)段也更長(zhǎng)。使用正交式水輪機(jī),最有吸引力的方案似乎是 DESS,在這種運(yùn)行方式下,正交式機(jī)組的效率接近于燈泡貫流式機(jī)組的平均效率,且單位 kW造價(jià)低,無(wú)需設(shè)置閘門(mén)。水庫(kù)中的水位和流量接近于天然狀態(tài),且3 h左右變換一次?？傃b機(jī)容量按照單位 kW成本最低原則來(lái)確定,裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)可達(dá) 4 000 h。最好能適當(dāng)增大容量,由此而增加的成本較小,但操作的靈活性和潮差接近于天然情況等優(yōu)勢(shì)明顯,即使在大潮中也是如此。其他 3種方案是:雙向單庫(kù)運(yùn)行的燈泡貫流式機(jī)組、單向單庫(kù)運(yùn)行的燈泡貫流式機(jī)組以及正交式機(jī)組,這 3種運(yùn)行情況下的單位kW成本相近,均比正交式機(jī)組的 DESS方案造價(jià)高。

圖1 潮汐水庫(kù)的 2種基本運(yùn)行方式

如果采用單向運(yùn)行,建筑高庫(kù)會(huì)比低庫(kù)造價(jià)低,供電能力更強(qiáng)(采用低庫(kù)與地形以及海水水位上升及下降的速度差相關(guān))。但在西赫瓦工程中使用低庫(kù)有利于濱海清除污染和降低河口處的洪水水位(利用 DESS方案同樣可以達(dá)到)。

應(yīng)用單一水庫(kù)的所有方案具有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷,即不能持續(xù)供電。如果利用幾座水庫(kù)可部分地減少這種不利影響,若配置抽水蓄能電站蓄能,則可以完全消除這種影響,抽水蓄能電站的布置最好接近于潮汐電站。

7.2 兩座水庫(kù)之間的電力聯(lián)結(jié)

將一座高水庫(kù)與一座低水庫(kù)(每座水庫(kù)單向運(yùn)行)聯(lián)合運(yùn)行,可以使電站一次潮汐供電時(shí)間持續(xù) 8～9 h,如果采用單一水庫(kù)的單向運(yùn)行,供電時(shí)間為4～5 h。通過(guò)部分電能損失,使潮汐電站在電力調(diào)峰需求最緊張的時(shí)刻供電成為可能。利用抽水設(shè)備,電站運(yùn)行的靈活性可以得到改善。每 kW·h的總成本與單一水庫(kù)單向運(yùn)行方式大致相同(堤防較長(zhǎng),但是輸電線(xiàn)路較少)。

對(duì)于這種方案,燈泡貫流式機(jī)組單向運(yùn)行的效率比正交式水輪發(fā)電機(jī)組要高得多,但與正交式機(jī)組的成本相比,其超出的成本將會(huì)抵消,該項(xiàng)效率優(yōu)勢(shì)至少會(huì)部分抵消。

7.3 高低庫(kù)方案

聯(lián)合兩座水庫(kù)的較好方案為高低庫(kù)方案(VHALS)。在高水頭時(shí),發(fā)電機(jī)組以水輪機(jī)的形式工作;在低水頭時(shí),以泵的形式工作。將一個(gè)很高的水庫(kù)用電力方式與一個(gè)很低的水庫(kù)聯(lián)結(jié)。兩座水庫(kù)均未設(shè)閘門(mén)。水庫(kù)與外海之間的水體交換采用同樣的機(jī)組作為水輪機(jī)或水泵運(yùn)行的辦法來(lái)完成。

用兩座單獨(dú)的水庫(kù)實(shí)現(xiàn)全時(shí)段供電目標(biāo)的前提是每一座水庫(kù)都能在每次 12 h的潮汐時(shí)段內(nèi)持續(xù)供電至少 6 h(為簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)理論上的一次潮汐時(shí)間是 12 h,實(shí)際為 12 h 25 min)。例如,只要高水庫(kù)的平均水位高于外海最高水位,就有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。需要用泵抽水填充處于這種高水位狀態(tài)的水庫(kù),靠重力自流來(lái)填充的幾率是非常有限的,因而閘門(mén)幾乎不起作用。

對(duì)于歷時(shí)達(dá) 12 h的一次天然潮汐,潮差為 H,大致可以 4 h為一個(gè)時(shí)段,將其劃分成 3個(gè)時(shí)段,如圖 2所示。

圖2 高低庫(kù)方案

(1)高海水位時(shí)段,即潮峰前后各 2 h,平均海水位在最高海水水位0.08H以下。在 VHALS方案中,這段時(shí)間內(nèi),低庫(kù)的機(jī)組會(huì)在高水頭下負(fù)荷供電,而高庫(kù)的機(jī)組可利用海水位與高庫(kù)之間較低的水頭,抽取盡可能更多的海水到高庫(kù)內(nèi),這需要消耗掉低庫(kù)機(jī)組所發(fā)的一部分電能。

(2)低海水位時(shí)段,即潮谷前后各 2 h,平均海水水位在最低海水位0.08H以上,高庫(kù)機(jī)組滿(mǎn)發(fā)供電,低庫(kù)機(jī)組從水庫(kù)中抽取盡可能更多的水到外海中,所需電力由高庫(kù)機(jī)組發(fā)出的一部分供給。

(3)中間海水位時(shí)段,即外海水位介于平均海水水位上下0.25H之間。這段時(shí)間不利于機(jī)組運(yùn)行,抽水將會(huì)受到限制,甚至根本不需要,機(jī)組全時(shí)段只能以半出力的方式運(yùn)行。

以電力方式聯(lián)合兩座水庫(kù)有諸多優(yōu)勢(shì):

(1)在整個(gè)潮汐期內(nèi)可提供同樣多的總凈電力;

(2)可增加峰荷期間的電力;

(3)可實(shí)行夜晚儲(chǔ)存電量,供白天負(fù)荷需求高峰期使用;

(4)任何時(shí)間都可蓄能,并且在高、低海水位的兩個(gè) 4 h內(nèi),如果停止抽水或者減少抽水,或者在中間海水位的 4 h時(shí)段內(nèi),假如要增大供電(但此時(shí)出力通常低于該電站的機(jī)組裝機(jī)容量),還有可能顯著增加總的凈電力供應(yīng)。

方案的高效性建立在對(duì)發(fā)電機(jī)組的充分利用(50%的時(shí)間作為水輪機(jī)工作,40%的時(shí)間作為水泵工作)和運(yùn)行方式靈活性的基礎(chǔ)上。

電站的裝機(jī)容量選擇空間比較大,最優(yōu)容量值C(以 MW/km2計(jì))0.3～0.4Ha2,Ha以 m為單位,代表潮差的平均值。發(fā)電機(jī)組通常在水庫(kù)內(nèi),平均潮差 h大約為0.7～0.8Ha的情況下運(yùn)行。每年向電網(wǎng)凈供電量相當(dāng)于 2 000 h的電站裝機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電量。

當(dāng)電站在高水頭(約等于 H)下運(yùn)行時(shí),裝機(jī)可達(dá)到 30～60 MW,每 kW投資小于 1 000美元,即kW·h/a的投資小于0.5美元。不需要閘門(mén)。

每 kW·h的成本可能高于 DESS方案,但是該方案具有吸引力:運(yùn)行靈活,對(duì)保證電網(wǎng)安全和供電質(zhì)量有利。在 VHALS方案中,水庫(kù)水位與天然情況下的水位差別很大。該方案可能在陡崖或無(wú)人居住區(qū)比較適宜,但并不適合在所有地方建設(shè)。

7.4 水庫(kù)之間的水力聯(lián)結(jié)

對(duì)于水庫(kù)之間的水力聯(lián)結(jié)已做了大量理論方面的研究。但方案之間的比較尚有未充分考慮到的因素,如對(duì)機(jī)組造價(jià)和效率的影響、運(yùn)行的細(xì)節(jié)等。各種布置方式見(jiàn)圖 3。

圖3 水庫(kù)水力聯(lián)結(jié)的布置

(1)最簡(jiǎn)單的方案是將電站機(jī)組放置于高庫(kù)與低庫(kù)之間,并用水閘將水庫(kù)與外海連接。

(2)在每座水庫(kù)與外海之間,以及兩座水庫(kù)之間通過(guò)電站機(jī)組連接。

(3)圖 3(c)給出了一個(gè)需要用到很多水閘的方案,電站機(jī)組可以安裝在水庫(kù)和水庫(kù)之間或者在每座水庫(kù)與外海之間。為了避免大型工程潮流過(guò)于集中,可以按圖 3(b)的辦法用電廠(chǎng)聯(lián)結(jié)。

(4)圖 3(d)給出的方案是采用 3座水庫(kù)。對(duì)于大型工程,還需要采用與外海直接連接的電站,如圖 3(b)所示。

對(duì)于以上所有方案,機(jī)組若采用單向運(yùn)行,其單位 kW·h的成本相近,燈泡貫流式機(jī)組造價(jià)較高、效率也較高,正交式水輪發(fā)電機(jī)組造價(jià)相對(duì)較低。

以上所有布置方式均需要設(shè)許多水閘。

7.5 方案選擇

本文介紹了諸多方案及其產(chǎn)生的影響,但方案的選擇是比較困難的,按照目前所掌握的知識(shí)和條件,有兩種方案比較有應(yīng)用前景。

(1)正交式機(jī)組單一水庫(kù)雙向運(yùn)行(DESS)方案。該種方案對(duì)環(huán)境影響小,且單位 kW·h直接成本低。但可能需要大量蓄能設(shè)備,另外正交式機(jī)組的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并不像燈泡貫流式機(jī)組那樣成熟。

(2)一座很高水庫(kù)和一座很低水庫(kù)(VHALS)之間的電力聯(lián)結(jié)方案,是以成熟的燈泡貫流式機(jī)組的應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ),在成本控制和運(yùn)行性能方面可進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)電網(wǎng)供電有利,相對(duì)于 DESS方案,需要的蓄能設(shè)施較少。

兩種方案均不需設(shè)置水閘,機(jī)組設(shè)備沿著堤防布置,以便使潮流擴(kuò)散。

將這兩個(gè)方案用在同一電網(wǎng)中,或在同一個(gè)站址處聯(lián)結(jié)可能會(huì)很有意義。

8 蓄能的必要性、潛力和成本

目前,唯一有效的大型蓄能設(shè)施是在兩座水庫(kù)之間運(yùn)行的抽水蓄能電站。全世界抽水蓄能電站裝機(jī)容量為 100 GW,還有 70 GW處于在建或規(guī)劃階段。抽水蓄能電站每 kW投資通常在 1000～2000美元之間。水頭在 100～1 000 m之間變化 。因此將外?；蛞粋€(gè)潮汐水庫(kù)作為下庫(kù),并在海岸線(xiàn)附近的向岸地帶修建一個(gè)較高的水庫(kù)作為上庫(kù),同樣可以作為抽水蓄能電站運(yùn)行,且成本相近。甚至可以將高水庫(kù)布置離海岸較遠(yuǎn)的陸地上,以一個(gè)可以接受的成本建一座大容量的蓄能電站。

DESS方案存在一些時(shí)段發(fā)不出電的現(xiàn)象,但在許多國(guó)家,可將其與其他能源如水電或火電聯(lián)合運(yùn)行。但是對(duì)于大型潮汐電站,考慮到未來(lái)火電能源的使用率較低,配備一個(gè)裝機(jī)容量接近于潮汐電能平均供給能力(相當(dāng)于每年電能供給的萬(wàn)分之一)的抽水蓄能電站是非常有必要的。一座抽水蓄能電站的每kW投資為 1 500美元,其他一些額外的年投資為1.5美分/kW·h,相關(guān)的補(bǔ)充投資接近1.5美分/kW·h。用于蓄能需要消耗近 20%的電量,也就是說(shuō),可能會(huì)得到 30%～50%的直接能源。如果有必要的話(huà),應(yīng)將用于蓄能的額外總費(fèi)用限制在 2美分/kW·h內(nèi)。

對(duì)于 VHALS方案,需要儲(chǔ)存的能量應(yīng)當(dāng)限于將一周大潮的一部分能量轉(zhuǎn)移到下一周使用。對(duì)于蓄能的成本,也應(yīng)將其控制在 DESS方案的一半以?xún)?nèi),大約為 1美分 /kW·h。

潮汐電站配置蓄能裝置,使其供電的靈活性和質(zhì)量比其他能源方式(水電除外)更好。

9 其他因素

為了興建各種各樣河川式潮汐電站,現(xiàn)在正在進(jìn)行大量的研究工作。有些電站很可能會(huì)成功,甚至是成本合理的。其中有很多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也可能是缺點(diǎn),如裝機(jī)容量通常十分有限,在世界范圍內(nèi)的實(shí)際潛力,比普通潮汐電站要小得多。鑒于目前兩種方案間的電能供給不同步,若能在當(dāng)?shù)芈?lián)合運(yùn)用起來(lái),會(huì)更具有吸引力。

在海岸或者近海地區(qū)的風(fēng)力比內(nèi)陸風(fēng)力大,有著大量聯(lián)合利用潮汐能和風(fēng)能的機(jī)會(huì)。兩種能源每km2的供電能力是相近的。在潮汐電站堤防上或平靜的水庫(kù)內(nèi)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,或使用總蓄能量較低的抽水蓄能電站可能會(huì)很有意義。

利用支持波能裝置的潮流建筑物如電廠(chǎng)和堤防是比較有前途的,從俄羅斯國(guó)家研究中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在正在涌現(xiàn)各種大有希望的可能辦法,除了構(gòu)造上的聯(lián)合以外,利用共同的蓄能裝置的優(yōu)勢(shì)也是非常重要的,如同風(fēng)能一樣。

10 各國(guó)潮汐能開(kāi)發(fā)實(shí)例

(1)俄羅斯。俄羅斯現(xiàn)實(shí)的潮汐能總蘊(yùn)藏量為每年幾千億 kW·h,位于西伯利亞?wèn)|北部的鄂霍次克海(Okhotsk Sea)的潮汐潛能最大,可實(shí)現(xiàn)向中國(guó)和日本供電。關(guān)于沿北方海岸線(xiàn)利用潮汐能的可能性還沒(méi)有進(jìn)行充分的研究,但對(duì)于莫斯科以北 1 000 km的梅津(Mezen)灣的一個(gè)具有吸引力的潮汐電站的站址已進(jìn)行了詳細(xì)的研究,并用將來(lái)可能采用的機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)。

在梅津?yàn)痴局?一個(gè)裝有容量為 8 GW的正交式直流機(jī)組的電站,其年供電量可以超過(guò) 350億kW·h。水庫(kù)面積為 2 000 km2,建設(shè)堤防長(zhǎng)度需達(dá)80 km,平均潮差接近5.5 m。通過(guò)在近岸陸地或離岸建筑一座高水庫(kù),利用抽水電能,在未來(lái)某一階段會(huì)很有意義,并可減少向莫斯科或者圣彼德堡輸電線(xiàn)路的費(fèi)用。

(2)法國(guó)。法國(guó)潮汐能的理論蘊(yùn)藏量每年超過(guò)1萬(wàn)億 kW·h。成本合算的年供電量為 1 000億kW·h,相當(dāng)于法國(guó)電力需求的 1/5。

位于喬瑟(Chausy)島的潮汐電站的地理位置可能是最好的,這里擁有 1 200 km2的水庫(kù),潮差為7.5m,55 km長(zhǎng)的堤防,以及理想的地基和海水深度。采用正交式機(jī)組,總裝機(jī)容量為 12～15GW,年均供電能力可達(dá) 500億 kW·h(相當(dāng)于全部現(xiàn)有的法國(guó)水電站供電量,或風(fēng)電計(jì)劃量)。

該座巨型電站位于旅游勝地,由于堤防離海岸線(xiàn) 25 km,因此從現(xiàn)有的海灘可能很難看到它,采用單一水庫(kù)雙向運(yùn)行可保持庫(kù)內(nèi)水位和潮流量接近天然狀態(tài)。利用建于潮汐水庫(kù)北部的高水庫(kù),通過(guò)配置抽水裝置可實(shí)施蓄能。

另一座位于迪耶普(Dieepe)和布洛涅(Boulogne)之間的潮汐電站,水庫(kù)面積為 1 500 km2,潮差為6.5 m,年供電量可超過(guò) 400億 kW·h。

(3)英國(guó)。在英國(guó),關(guān)于潮汐電站的大多數(shù)研究工作是在河口內(nèi)完成的(主要是在賽文(Severn)河口),試驗(yàn)研究以燈泡貫流式機(jī)組從單一的高水庫(kù)向外海單向運(yùn)行的概念為基礎(chǔ)。沿著海岸線(xiàn)布置其他大型電站大概也是可行的。對(duì)于所有項(xiàng)目而言,采用正交式機(jī)組雙向運(yùn)行,可以降低造價(jià)和維持天然水位及流量。

在賽文(Severn)河口,要得到年供電量大于300億 kW·h的潮汐能,有許多方案好像都是可行的。沿著賽文河口的北岸配置蓄能設(shè)施進(jìn)行蓄能似乎也是可行的。英國(guó)過(guò)去對(duì)風(fēng)電實(shí)施了蓄能。

沿著澤西島(Jersey)東海岸線(xiàn)布置一個(gè)成本合算的、年供電量為幾十億 kW·h的潮汐電站似乎是可行的。

(4)印度。印度有 3處適合建設(shè)潮汐電站的站址。

對(duì)艾哈邁德阿巴德(Ahmadabad)南面 100 km的卡爾帕薩(Kalpasar)海域開(kāi)展研究工作已有 10多年,在這里有一塊面積為 700 km2,潮差為6.5m的感潮域可用于建設(shè)潮汐電站,可安裝正交式水輪機(jī)和修建較短的堤防,按 DESS方案運(yùn)行。該電站每年可提供200億 kW·h電能,但是設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,主要是因?yàn)槌毕畮?kù)必須與一片淡水水庫(kù)相聯(lián)。

卡奇(Kutch)沼澤地是比較有開(kāi)發(fā)價(jià)值的,這片區(qū)域可安裝大型的太陽(yáng)能電站,沿著卡奇海灣,可通過(guò)建設(shè)抽水蓄能電站來(lái)完成電能存儲(chǔ)。

在孟加拉,可建設(shè)一些大型工程利用潮汐和波浪來(lái)發(fā)電,對(duì)于受臺(tái)風(fēng)或全球海平面上升影響的一些大型居住區(qū),這些工程會(huì)在防洪中起到重要作用。

(5)加拿大。在加拿大,最適合建設(shè)潮汐電站的是芬迪(Fundy)灣,對(duì)于該區(qū)域是否適合作為潮汐電站站址的研究已有很長(zhǎng)一段時(shí)間。該區(qū)域潮差比較高,堤防無(wú)需太長(zhǎng)。這里有兩座可能的水庫(kù),采用燈泡貫流式機(jī)組的 VHALS方案是可行的。但是采用正交式水輪機(jī)的 DESS方案,并配合抽水蓄能電站一起使用,造價(jià)會(huì)更低廉,并能保持天然水位和流量狀態(tài)。

該工程年供電量可達(dá) 1 000億 kW·h,可向加拿大本國(guó)和美國(guó)東北部供電。一些初步考慮的電廠(chǎng)可建在兩座水庫(kù)之間。在赫德森(Hudson)海灣和溫哥華(Vancouver)北部存在大力發(fā)展潮汐電站的可能性。

(6)中國(guó)。在中國(guó),成本合算的潮汐能蘊(yùn)藏量每年超過(guò) 1 000億 kW·h,許多適合建設(shè)潮汐電站的海灣均坐落于上海的南部。沿著平坦的海岸到上海北部,修建距海岸線(xiàn) 15 km的堤防,用來(lái)圍成潮汐水庫(kù),可以防止那些可能受不斷上升的海平面影響的近海平坦地區(qū)被淹,同時(shí)也可以減輕淮河下游洪水的影響。

(7)韓國(guó)。韓國(guó)一直積極致力于潮汐電站的開(kāi)發(fā)利用,如西赫瓦項(xiàng)目。但是總的來(lái)說(shuō),韓國(guó)開(kāi)發(fā)潮汐電站的潛力不大。

(8)拉丁美洲。在拉丁美洲建設(shè)潮汐電站的可能性很高,比如墨西哥(加利福尼亞海灣)、智利、阿根廷。其中阿根廷有一些適合建設(shè)大型潮汐電站的場(chǎng)地。

(9)澳大利亞。在澳大利亞,有很多地方可以建設(shè)潮汐電站。位于東部的潮汐電站,發(fā)電量可供本國(guó)使用,西北部的潮汐電站可在爪哇島建造,并供電于爪哇島。

在其他一些國(guó)家,也存在建造潮汐電站的可能性,如美國(guó)的阿拉斯加、愛(ài)爾蘭、緬甸等。

11 結(jié) 語(yǔ)

一批成本合算、年供電總量為 1萬(wàn)億 kW·h的大型潮汐電站(單座電站年供電量在 100億 kW·h以上)在未來(lái)幾年中即將開(kāi)始建設(shè),特別是在 2015年之后。對(duì)于同樣的電能產(chǎn)量,在對(duì)環(huán)境影響方面,潮汐電站項(xiàng)目似乎比其他傳統(tǒng)的水電項(xiàng)目更受歡迎。潮汐電站的另外一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是不需要移民。總之,潮汐電站可提供穩(wěn)定的電力,月和年供電量可得到保證。

潮汐電站建設(shè)在技術(shù)方面是成熟且安全的,但應(yīng)該首先建設(shè)一些初步的試點(diǎn)工程,以便能夠?qū)Πl(fā)電設(shè)備和施工方法作進(jìn)一步優(yōu)化,對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。為此,修建年供電量為 10億 kW·h的工程可能更為適宜,與將來(lái)的大型工程相比,這種規(guī)模的電站,其堤防所承擔(dān)的每 kW·h的造價(jià)可能更高些。

國(guó)家之間通過(guò)合作,聯(lián)合開(kāi)發(fā)潮汐電站可能會(huì)非常有益。

李安強(qiáng) 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

趙樹(shù)湘 校

TV 744

A

1006-0081(2010)10-0015-07

2010-07-25

(編輯:趙秋云)