潮汐電站發(fā)電調度運行研究

陳曉芬，湯春義，陳國海

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，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)電技術日趨成熟，產業(yè)進入了規(guī)模化發(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，其技術水平和規(guī)模在當今世界上仍位居前茅。

根據(jù)已有經驗和成果并結合工程實際，開發(fā)建立潮汐電站發(fā)電調節(jié)計算模型，并將其應用于潮汐電站規(guī)劃設計。

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分割，電站的平均水頭將僅為天然潮差的一半左右，電站設計水頭降低，發(fā)電機組尺寸相應加大，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)電調節(jié)建?；举Y料

在建立潮汐電站發(fā)電調度模型之前，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，泄水閘門關閉，當海側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、海側水位持平時，泄水閘門關閉，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，海側潮位不斷升高，至海側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。由于海側潮位升高速度比庫側水位上升速度快，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、海側水位持平時，泄水閘門關閉，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)電流量關系曲線；

Qz=f（h）——水閘水頭流量關系曲線；

Qp=f（h）——水泵水頭流量關系曲線；

N=f（h）——發(fā)電機組水頭出力關系曲線。

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)電調節(jié)應用

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)電調節(jié)模擬計算。以江廈潮汐電站為實例分析該模型的應用情況。

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，可應用于其他類似的潮汐電站。

5 江廈潮汐電站發(fā)電調節(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)電設計發(fā)電最小水頭為是1.00 m和1.50 m，反向發(fā)電設計發(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，若調整潮汐電站起始發(fā)電最小水頭進行發(fā)電調節(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 語

該模型很好地模擬了潮汐電站發(fā)電調節(jié)計算過程，應用中可根據(jù)預報的潮汐過程，模擬潮汐電站發(fā)電調度運行方式，編制出發(fā)電效益最優(yōu)的調度方案指導生產運行，帶來更大的經濟效益。