風(fēng)光柴海水淡化綜合系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用淺析

文 | 湯群益

風(fēng)光柴海水淡化綜合系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用淺析

文 | 湯群益

浙江省海島數(shù)量居全國之首，全省擁有3061個(gè)島嶼，約占中國海島總數(shù)的2／5，海島旅游產(chǎn)品正由觀光型向觀光度假型提升。但海島旅游資源的開發(fā)受電力、飲用水緊缺和交通困難的制約。海島上電力緊缺而風(fēng)能資源十分豐富，開發(fā)風(fēng)能資源以解決島上電力不足，具有明顯的實(shí)際意義。近年來，浙江省及沿海市縣各級(jí)政府對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、海島資源利用、海島居民生活條件的提高日益重視。海島有較好的風(fēng)能和太陽能等可再生能源可利用，建設(shè)生態(tài)海島、環(huán)保海島，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高海島居民的生活品質(zhì)。

該風(fēng)光柴海水淡化系統(tǒng)工程擬安裝7臺(tái)單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組、100kWp的光伏發(fā)電系統(tǒng)、1臺(tái)200kW柴油發(fā)電機(jī)及一套50t/d海水淡化系統(tǒng)，總裝機(jī)容量510kW，并設(shè)有蓄電池組調(diào)節(jié)。風(fēng)電機(jī)組在升壓站AC400V側(cè)匯流。設(shè)置1臺(tái)315kVA升壓變壓器，海水淡化系統(tǒng)與居民用電負(fù)荷錯(cuò)峰運(yùn)行。

設(shè)計(jì)規(guī)模

一、風(fēng)力發(fā)電規(guī)模：

在該工程西北側(cè)和西南側(cè)布置分別布置4臺(tái)和3臺(tái)單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組，共有7臺(tái)，總建設(shè)規(guī)模210kW。

二、光伏發(fā)電規(guī)模

可與風(fēng)力發(fā)電互補(bǔ)，設(shè)100kWp的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

三、柴油發(fā)電機(jī)規(guī)模

可慮電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行及用電負(fù)荷要求，設(shè)1臺(tái)200kW柴油發(fā)電機(jī)。

四、海水淡化規(guī)模

該島常住人口約300人，部隊(duì)約50人，為解決當(dāng)?shù)鼐用窦安筷?duì)水電短缺問題，擬建立一套風(fēng)光柴海水淡化系統(tǒng)，生產(chǎn)淡水50t/日，在風(fēng)力發(fā)電電量過剩時(shí)，用于海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，以解決淡水資源短缺現(xiàn)狀。

設(shè)計(jì)方案

一、 風(fēng)電機(jī)組選型、布置及發(fā)電量

（一）機(jī)組選型

該島距離大陸較遠(yuǎn)，本工程所需的各種設(shè)備均需通過船只運(yùn)輸，交通較不方便；島內(nèi)交通也較不便?？紤]到該島交通運(yùn)輸現(xiàn)狀，結(jié)合島上用電負(fù)荷較小的特點(diǎn)，本工程宜選擇單機(jī)容量較小的風(fēng)電機(jī)組。經(jīng)分析按照單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)。

單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)特性見表1。

（二）風(fēng)電機(jī)組布置

根據(jù)島內(nèi)風(fēng)能資源分布特點(diǎn)將風(fēng)電機(jī)組布置在風(fēng)能資源較好的區(qū)域；為減少工程投資及降低施工難度，風(fēng)電機(jī)組布置在島內(nèi)交通較方便的區(qū)域；避開島上部隊(duì)設(shè)施等敏感因素；根據(jù)島上用電負(fù)荷特性及本工程風(fēng)、光、柴、海水淡化綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，本工程擬安裝單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組7臺(tái)，總裝機(jī)容量210kW。

表1 單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)特性

風(fēng)電機(jī)組布置圖詳見圖1。

（三）年發(fā)電量計(jì)算

本工程7臺(tái)單機(jī)容量30kW的風(fēng)電機(jī)組其年上網(wǎng)電量為30.55萬kWh，等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)約1455h。

二、 光伏系統(tǒng)選型、布置

（一）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)工程（100.8kWp）光伏系統(tǒng)選型

太陽電池組件選用單晶硅太陽電池組件，其他直流接口設(shè)備包括：在方陣場安裝的光伏陣列防雷接線箱和電源機(jī)房內(nèi)安裝的直流配電柜等。

（二）光伏方陣場布置

WXS－180S型組件以2*10的排列方式串聯(lián)成一個(gè)陣列，根據(jù)緯度情況計(jì)算組件朝向?yàn)檎戏?，傾斜角20°，根據(jù)冬至日10點(diǎn)太陽高度角，計(jì)算太陽電池組件方陣安裝間距為1040mm。光伏工程布置28個(gè)太陽電池組件方陣，光伏發(fā)電場合計(jì)為100.8 kWp，布置匯流箱6只，將匯流后的電流接入光伏直流配電箱。

三、海水淡化選型和布置

本海島常住人口約300人，部隊(duì)約50人，為解決當(dāng)?shù)鼐用窦安筷?duì)水電短缺問題，擬建立一套風(fēng)光柴海水淡化系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電電量過剩時(shí)，用于海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，以解決淡水資源短缺現(xiàn)狀。

（一）工藝選擇及流程說明

日產(chǎn)50t/日淡水反滲透海水淡化工程包含海水預(yù)處理、反滲透海水淡化及產(chǎn)品水后處理。工藝流程如下：海水取水泵—→海水原水池—→原水增壓泵—→多介質(zhì)過濾器—→保安過濾—→海水高壓泵＋ 能量回收裝置—→反滲透海水淡化裝置—→淡水蓄水池。

（二）海水淡化廠布置

海水淡化廠主要為海水淡化車間、海水原水池、淡水蓄水池及取水泵房。

四、電氣設(shè)計(jì)

(一) 負(fù)荷估算

本海島因受電源限制，用電負(fù)荷較小，負(fù)荷估算：居民用電負(fù)荷按常住人口300人，約100戶家庭，戶均2kW估算，用電負(fù)荷約200kW；部隊(duì)用電負(fù)荷約40kW；海水淡化系統(tǒng)負(fù)荷約24kW?？傆秒娯?fù)荷約264kW，年總用電量約47.08萬kW h。海水淡化和供水泵負(fù)荷可與居民用電負(fù)荷錯(cuò)峰運(yùn)行，實(shí)有用電負(fù)荷約240kW。

圖1 風(fēng)電機(jī)組布置圖

根據(jù)島內(nèi)用電負(fù)荷、國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組制造情況、海島地形條件、風(fēng)能資源，選用7臺(tái)單機(jī)容量30kW風(fēng)電機(jī)組、100kWp太陽能光伏電池和1臺(tái)200kW柴油發(fā)電機(jī)組。

7臺(tái)單機(jī)容量30kW風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘繛?10kW風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量約為30.55萬kW·h；100kWp太陽能光伏電池年發(fā)電量約為9.63萬kW·h；風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電合計(jì)年發(fā)電量約為40.18萬kW·h；風(fēng)光發(fā)電不足的部分由柴油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)。在豐水季節(jié)淡水可由雨水收集凈化，可不進(jìn)行海水淡化。

(二) 電網(wǎng)方案

根據(jù)本工程風(fēng)光柴的電源設(shè)置和負(fù)荷情況，電網(wǎng)方案如下：

設(shè)置7臺(tái)單機(jī)容量為30kW的風(fēng)電機(jī)組，二組50kWp的光伏太陽能發(fā)電裝置，一臺(tái)200kW柴油發(fā)電機(jī)組，向海島居民、部隊(duì)、海水淡化裝置、供水水泵供電。7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)以AC400V在低壓母線并網(wǎng)匯流；二組光伏發(fā)電裝置以DC480V匯流，蓄電池接于DC480V匯流母線，經(jīng)雙向逆變器并入AC400V在低壓母線。

該方案以柴油發(fā)電機(jī)為主電源，維持電壓和頻率穩(wěn)定。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組、太陽能發(fā)電裝置的出力情況、蓄電池的儲(chǔ)能情況和用電負(fù)荷變化情況，以盡可能利用風(fēng)光可再生能源、減少蓄電池充放電次數(shù)、節(jié)約燃油為原則，由監(jiān)控系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和用電負(fù)荷的投切，以維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定和電力平衡。海水淡化裝置、供水水泵安排在有富余電力時(shí)運(yùn)行；因風(fēng)電、光伏電源均為間歇性電源，為提高供電保證率，設(shè)置一套1500AH的蓄電池進(jìn)行蓄能調(diào)節(jié)，在蓄電池放電至其蓄電量的60%時(shí)，為延長蓄電池使用壽命，蓄電池將停止放電。當(dāng)風(fēng)光發(fā)電出力充裕，除滿足正常負(fù)荷外，調(diào)減柴油發(fā)電機(jī)出力，開起海水淡化，調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組出力或投入電阻器進(jìn)行電力平衡電，并可為蓄電池充電。

（三）控制

設(shè)置一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的集中監(jiān)控系統(tǒng)。值班人員在控制室通過控制臺(tái)上操作員工作站的顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等人機(jī)接口設(shè)備，完成全系統(tǒng)電氣設(shè)備的監(jiān)控任務(wù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括主機(jī)兼操作員工作站、公用PLC柜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)等設(shè)備。風(fēng)電機(jī)組和太陽能發(fā)電裝置的控制自成系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)能接受來自計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷的大小發(fā)出的遠(yuǎn)方調(diào)控，即計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)居民、部隊(duì)、海水淡化裝置的用電量控制風(fēng)電、太陽能的出力，確保供發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也能接受風(fēng)電機(jī)組和太陽能發(fā)電裝置控制系統(tǒng)的重要參數(shù)和信號(hào)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能具有向值班員發(fā)出中文語音報(bào)警和手機(jī)短信報(bào)警的功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能具有采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)歸檔、事件記錄、生產(chǎn)報(bào)表的功能。設(shè)一套直流電源系統(tǒng)，額定電壓采用220V。直流電源系統(tǒng)供給控制、保護(hù)、斷路器分合閘、不間斷電源等。

五、土建工程設(shè)計(jì)

（一）風(fēng)電機(jī)組布置

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)持力層采用天然地基，其承載力和變形均能滿足結(jié)構(gòu)要求，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為6m×6m，正四邊形，埋深1.8m。單個(gè)基礎(chǔ)混凝土量約為35.0m3，鋼筋量約3t。

（二）光伏組件支架及基礎(chǔ)

光伏組件支架采用固定式支架，基座為現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)，支架采用鋼支架。光伏組件基座的排列應(yīng)根據(jù)光伏列陣的排列，應(yīng)能便于安裝、維護(hù)并具有抗傾覆、抗滑能力。基座高度偏差不應(yīng)大于5mm，水平度偏差不應(yīng)大于3mm/m。

（三）升壓站總布置

10kV升壓站位于工程中部，升壓站圍墻中心線內(nèi)面積為1350m2。升壓站站內(nèi)道路為城市型，道路呈環(huán)形布置,主干道寬3.5m，轉(zhuǎn)彎半徑為6m；升壓站南側(cè)大門寬7.5m。升壓站站內(nèi)設(shè)一幢變配電房及其他附屬建（構(gòu)）筑物。變配電房一層布置，建筑面積438m2。布置高壓變配電室、低壓配電室、蓄電池室、控制室、備品備件間、休息室、廚房等。升壓站布置詳見圖2。

圖2 工程綜合系統(tǒng)圖

（四）海山淡化廠區(qū)布置

海水淡化系統(tǒng)主要布置海水原水池、淡水蓄水池、取水泵房及海水淡化車間。海水原水池占地面積4.0×4.0 m2，總深3.5m，有效水深3.2m，有效容積約50m3，該構(gòu)筑物為全地上式貯水結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。淡水蓄水池占地面積4.0×4.0 m2，深3.5m，有效水深3.2m，有效容積約50m3，該構(gòu)筑物為全地上式貯水結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。取水泵房占地面積約10m2，單層結(jié)構(gòu)，層高3m，該建筑物擬采用磚混結(jié)構(gòu)。海水淡化車間：將廢棄魚粉廠廠房改造裝修后利用，石砌結(jié)構(gòu)，占地約120m2，總高約5m，現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu)，擬改為單層，作為淡化廠設(shè)備車間。

建成應(yīng)用

項(xiàng)目建成后每年的運(yùn)營成本為90萬元，供電的電價(jià)為1.82元/kWh，水價(jià)為5.0元/t，該價(jià)格高于當(dāng)?shù)鼐用裆钣秒娪盟畠r(jià)格。由于本項(xiàng)目目的是為了解決偏遠(yuǎn)海島供水、供電的民生問題，地方政府出臺(tái)了相應(yīng)的政策措施進(jìn)行補(bǔ)貼。項(xiàng)目建成后運(yùn)營正常，基本達(dá)成項(xiàng)目建成生態(tài)海島、環(huán)保海島，提高海島居民生活品質(zhì)的初衷，且項(xiàng)目建成后該海島已成為當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)旅游景點(diǎn)，通過旅游促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

該項(xiàng)目建成運(yùn)營也對(duì)全國孤立海島的開發(fā)提供了很好的示范。

(作者單位：中國電力建設(shè)集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院)