海洋發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能

王　嘉

(水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家工程研究中心， 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150050)

海洋發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能

王嘉

(水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家工程研究中心， 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150050)

摘要：介紹了海洋發(fā)電設(shè)備的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況。對(duì)結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)要求，轉(zhuǎn)輪及其支撐的結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求，海洋發(fā)電設(shè)備的防護(hù)要求包括防止空蝕破壞、電蝕破壞及海洋生物的措施和表面防護(hù)措施也作了介紹。

關(guān)鍵詞：海洋發(fā)電設(shè)備；結(jié)構(gòu)性能；防護(hù)措施

0引言

地球表面積的71%是海洋。海洋是巨大的能源。

太陽(yáng)注入地球表面的能量中，大約2/3是用來(lái)加熱海面表層的海水，使其與深水的溫差超過(guò)20℃以上。另外，由于地球和月球或太陽(yáng)之間相對(duì)的天體運(yùn)動(dòng)和相互作用而引起海洋的潮流、潮汐、氣流等，并進(jìn)而引起波浪、波流以及海面的橢圓形周期性運(yùn)動(dòng)，此起彼伏，不是高于就是低于平均海面。海面的上下運(yùn)動(dòng)稱為潮汐，海水的水平方向運(yùn)動(dòng)稱為潮流。它們的運(yùn)動(dòng)周期幾乎相同，約為半日或一日。潮汐高度取決于地球的質(zhì)量和半徑、天體(月球或太陽(yáng))的質(zhì)量，地球與天體之間的中心距離、潮汐在海面上所處的方位等。海水的運(yùn)動(dòng)也是一種能量,可以用來(lái)發(fā)電。比如,溫差發(fā)電、潮汐發(fā)電、潮流發(fā)電等等。

1海洋發(fā)電

作為一種可再生的清潔的新能源，當(dāng)今世界開(kāi)發(fā)應(yīng)用的容量比較大的海洋發(fā)電方式主要是潮汐發(fā)電。世界最大的法國(guó)郎期潮汐電站，裝機(jī)容量為240 MW，運(yùn)行40多年。其可用率高達(dá)90%。其次是加拿大的阿那波里斯潮汐電站，1984年8月投運(yùn)至今。韓國(guó)即將投入運(yùn)行的西瓦潮汐發(fā)電站比郎期潮汐電站還要大。正在開(kāi)發(fā)中的還有加拿大的芬地灣、阿根廷的桑坡亞、俄羅斯的圖古爾、梅洋、潘辛斯卡亞，英國(guó)的塞文、梅爾西、杜登，韓國(guó)的仁川港、泰安、群山、全羅，澳大利亞的坎貝灣，中國(guó)的杭州灣，美國(guó)的帕薩馬廊迪等潮汐電站。

其次是潮流發(fā)電，雖然它的容量比較小，但是它不像潮汐發(fā)電那樣必須建造影響魚類等海洋生物生存的堤壩。比如中國(guó)的岱山(容量為70 kW)、舟山(容量為100 kW)。英國(guó)正在建造世界上最大的潮流發(fā)電站，單機(jī)容量為1.2 MW，裝機(jī)40~50套機(jī)組。

至于海浪發(fā)電，由于容量小、成本高等原因，早期只能用于燈塔的照明，后來(lái)發(fā)展到用于海洋養(yǎng)殖和局部區(qū)域的居民生活用電。

與普通發(fā)電方式不同，海洋發(fā)電是利用海水能量來(lái)發(fā)電。由于鹽水的腐蝕、流體的空蝕、風(fēng)暴的襲擊以及微生物的附著等，對(duì)于開(kāi)發(fā)應(yīng)用海洋發(fā)電設(shè)備，在結(jié)構(gòu)性能方面提出了特殊要求，而且已經(jīng)列入國(guó)家甚至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)構(gòu)材料

由于海水的腐蝕作用，會(huì)使發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)輪葉片的過(guò)流表面變得粗糙，水動(dòng)力學(xué)性能降低。在材料選擇方面，首先考慮的是復(fù)合材料，而不是金屬材料。

復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是：1)重量輕，便于水下安裝，減少吊裝費(fèi)用；2)可以采用模具成型，加工方便，精度比較高；3)減少微生物的附著，因?yàn)榕c木材和鋼材相比，海洋生物也不喜歡有毒性的塑料；4)不存在腐蝕問(wèn)題；5)具有比較高的抗疲勞性能。

與玻璃絲環(huán)氧樹(shù)脂相比，采用碳素纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，能夠具有更高的強(qiáng)度和剛度，特別是剛度。它對(duì)于承受暴風(fēng)掀起的巨浪、地震、臺(tái)風(fēng)以及海洋浮冰等的沖擊，具有很大作用。但是，它的成本比較高。

采用復(fù)合材料時(shí)，必須滿足下述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特殊要求：1)在含鹽度為2.5%的海水中浸泡168 h以后，復(fù)合材料的吸水率，不得超過(guò)50 mg；2)復(fù)合材料的表面都必須具有合適的涂層，來(lái)防止周圍介質(zhì)的損傷和海洋生物的附著生長(zhǎng)；3)采用的纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合樹(shù)脂，在固化處理以后不會(huì)吸水。此外，采用的材料試樣還必須進(jìn)行以下試驗(yàn)：復(fù)合材料應(yīng)當(dāng)浸泡在溫度為20℃的海水中進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)；粘接材料應(yīng)當(dāng)浸泡在溫度為20℃的海水中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

現(xiàn)代化的潮流發(fā)電設(shè)備，采用材料的比例如下：碳鋼占88.8%，鑄鐵占7.3%，復(fù)合材料占2.0%，銅占1.0%，不銹鋼占0.6%，其它材料占0.3%。由此可見(jiàn)，雖然采用了一些復(fù)合材料，但是，仍然以鋼鐵材料為主。

2.1　轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

用于潮流發(fā)電的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)與潮汐發(fā)電方式采用的軸流式燈泡型水輪機(jī)不同。它采用類似于圓形管道式通風(fēng)機(jī)那樣的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。由于轉(zhuǎn)速很低，只有10~30 r/min，為了增加容量所以葉片很長(zhǎng)。早期的轉(zhuǎn)輪葉片采用鋼材制造。葉片由縱向的主梁、橫向的輻板和表皮組成，全部鋼制。由于具有流線型的外層表皮形狀復(fù)雜，只能采用點(diǎn)焊加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，成本又高。后來(lái)，改為由復(fù)合材料和鋼材相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。即：受力比較大的主梁，仍然采用鋼材，而輻板則采用成本比較高的碳素纖維復(fù)合材料。外表的包皮就直接采用成本相對(duì)比較低的玻璃纖維復(fù)合材料。已經(jīng)投入運(yùn)行的比較大的這種發(fā)電設(shè)備的容量為1.2 MW，其葉片長(zhǎng)度為7.5 m。機(jī)組容量為500 kW時(shí)，葉片長(zhǎng)度只有6 m。對(duì)于直徑為11 m的轉(zhuǎn)輪，它的葉片長(zhǎng)度方向均勻分布有7個(gè)輻板，其厚度為65 mm。它通過(guò)葉片根部的法蘭與機(jī)組的主軸連接。就像普通轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)那樣，采用變槳距控制，葉片的沖角可以調(diào)節(jié)，以便適應(yīng)潮流流速的變化，達(dá)到在最高效率下運(yùn)行。為了防止葉片受到腐蝕、空蝕和海洋生物的附著，在葉片的表面涂敷以含有銅粒子的環(huán)氧樹(shù)脂涂層。實(shí)踐證明，這種銅基防污涂層，效果良好。

2.2　支撐結(jié)構(gòu)

海洋發(fā)電設(shè)備必須能夠承受來(lái)自臺(tái)風(fēng)、海浪、地震、浮冰等的沖擊，必須保證它具有足夠的強(qiáng)度和剛度以及運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。按照海洋能源研究中心制定的關(guān)于海洋發(fā)電設(shè)備制造、安裝和試驗(yàn)方面的指導(dǎo)性文件的規(guī)定，海洋發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)上的選擇，必須符合要求的級(jí)別，并達(dá)到指定的可控性和可追溯性。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果采用屈服強(qiáng)度比較低的材料，有可能造成支撐設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度方面的不足。但是，如果采用屈服強(qiáng)度比較高的材料，又可能產(chǎn)生焊接方面的問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)材料的選擇，必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR15608的規(guī)定，其中包括：驅(qū)動(dòng)主軸、聯(lián)接法蘭、連接螺栓、鍵、銷釘?shù)?。用于支撐結(jié)構(gòu)上的混凝土制品和各種纖維增強(qiáng)塑料等，與必須按照規(guī)定的等級(jí)要求供貨。在材料的要求中包括：材料來(lái)源、極限強(qiáng)度、密度、比重、顆粒尺寸、化學(xué)成分等。材料的供貨單和領(lǐng)料單都必須是可追溯性的，應(yīng)當(dāng)能夠追溯到原材料生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)工序，并且?guī)в泄ば驑?biāo)示。所有材料都應(yīng)當(dāng)能夠追溯到檢驗(yàn)合格的認(rèn)證書。

就像近海的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備那樣，潮流發(fā)電設(shè)備通常選擇在近海的海水流動(dòng)速度比較大的海域。主要支撐結(jié)構(gòu)部件是插入海底的圓形管狀鋼樁，它必須能夠承受發(fā)電設(shè)備的整個(gè)重量，以及暴風(fēng)、海浪、地震等環(huán)境載荷。圓形鋼樁的重量和尺寸設(shè)計(jì)，必須考慮到海洋駁船的提升能力。當(dāng)鋼管直徑為2.1 m、長(zhǎng)度為42.5 m時(shí)，質(zhì)量可達(dá)80 t。其外部接觸海水的表面，應(yīng)當(dāng)涂有環(huán)氧樹(shù)脂基的防蝕涂料。圓形鋼樁的外圓套有大型墊圈。發(fā)電機(jī)組的支架，便通過(guò)鋼質(zhì)的套環(huán)和這種墊圈上下滑動(dòng)，以便適應(yīng)海水平面的波動(dòng)。發(fā)電機(jī)組固定在機(jī)艙里面，該機(jī)艙由工字型鋼梁制成，外部包復(fù)以薄鋼板。

3防護(hù)措施

3.1　空蝕破壞

當(dāng)流體機(jī)械的局部靜壓下降到汽化壓力時(shí)，便開(kāi)始產(chǎn)生真空化的空泡。這種真空負(fù)壓極大，能使過(guò)流表面脫流，并在流體與金屬表面之間形成真空。這些空泡里面沒(méi)有汽體，甚至也沒(méi)有空氣。當(dāng)它到達(dá)高壓區(qū)域時(shí)，便突然破裂，并從零部件的過(guò)流表面向外高速噴射，形成粉碎性的微米級(jí)的許多小空泡。這種空泡的破裂，就像爆炸那樣，所產(chǎn)生的負(fù)壓極大，其局部壓力高達(dá)105bar，足以把金屬表面的結(jié)晶顆粒撕裂下來(lái)，與此同時(shí)還產(chǎn)生高頻噪聲。

這種破壞作用主要來(lái)自兩個(gè)方面：1)高速噴射——空泡突然破裂時(shí)產(chǎn)生的水錘作用，破壞了金屬材料表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其顆粒脫落并形成極小的微米級(jí)的凹坑，而且不斷擴(kuò)大和加深，形成魚鱗狀凹坑。不僅降低了轉(zhuǎn)輪的水力性能，而且還減少了運(yùn)行壽命；2)沖擊波——空泡突然爆破粉碎，甚至破滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，導(dǎo)致了金屬材料的疲勞破壞，并進(jìn)一步使材料局部逐漸脫落。這種現(xiàn)象被稱為空蝕。這就是空蝕破壞的機(jī)理。

轉(zhuǎn)輪葉片表面的空蝕破壞是很難避免的。這種現(xiàn)象，過(guò)去曾經(jīng)長(zhǎng)期被普遍地稱為“汽蝕”或“氣蝕”。后來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化部門推行名詞術(shù)語(yǔ)的規(guī)范化統(tǒng)一化，決定采用“空蝕”一詞。因?yàn)樵谒a(chǎn)生的機(jī)理和發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，并不存在“氣”和“汽”的因素，而是一種真空負(fù)壓作用。

根據(jù)這種機(jī)理，不僅是鋼鐵，包括復(fù)合材料在內(nèi)的任何材料，都不能避免空蝕破壞。為了防止空蝕破壞，航海船艦的螺旋槳推進(jìn)器，多年以來(lái)積累了許多好的經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒。然而用于海洋發(fā)電設(shè)備上，就要考慮成本核算問(wèn)題?？箍瘴g破壞性能最好的材料是雙相不銹鋼，最差的是灰鑄鐵。采用聚合物涂層可以保護(hù)灰鑄鐵，使其不受到空蝕破壞。但是涂層與金屬的結(jié)合必須緊密。流體機(jī)械過(guò)流表面的空蝕破壞是很難避免的。即使表面型線的設(shè)計(jì)非常精確，完全符合流線軌跡，然而負(fù)載和流動(dòng)狀況(如流速、流量、揚(yáng)程等)是變化的。重大的水電站，比如三峽水電站的轉(zhuǎn)輪葉片，即使增加成本，也要采用鍛壓鋼板來(lái)取代鑄造，目的就是為了防止這種空蝕破壞。

3.2　電蝕破壞

金屬零部件浸泡在鹽水中，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致腐蝕破壞。如果零部件浸泡在不同的區(qū)域(比如全部浸泡或部分浸泡區(qū)域)，不同的零部件材料之間的物理化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)引起電偶腐蝕效應(yīng)。采用陰極保護(hù)措施，能夠有效地防止這種電蝕破壞。將一塊銅質(zhì)或鋅質(zhì)的材料放入水中，作為外加直流電源的正極，而零部件作為負(fù)極，就能將引起電偶腐蝕的帶有負(fù)電荷的分子，吸引到作為正極的銅塊或鋅塊上，并使它們承受電蝕(通常稱呼它們?yōu)闋奚姌O或消耗電極)，從而保護(hù)了發(fā)電設(shè)備零部件不被腐蝕，所以稱為陰極保護(hù)。這種陰極保護(hù)措施非常有效，特別是在全浸區(qū)域。世界最大的朗斯潮汐發(fā)電站的長(zhǎng)達(dá)40年的運(yùn)行實(shí)踐中，取得了明顯的效果。如果采用這種陰極保護(hù)作為主要保護(hù)措施，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行壽命來(lái)設(shè)計(jì)，使鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)零部件的極化達(dá)到合理的水平，使腐蝕程度達(dá)到最低。作為犧牲陽(yáng)極的銅塊或鋅塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)保證零部件遭受電蝕的關(guān)鍵區(qū)域得到充分地極化。

3.3　海洋生物

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，即使采取特殊的涂層來(lái)防止結(jié)垢，包括微生物在內(nèi)的貽貝類族群還是頑強(qiáng)地生長(zhǎng)在機(jī)座的外表面上。經(jīng)過(guò)污垢檢查證明，機(jī)組外部表面覆蓋了厚度達(dá)到10 cm的貽貝。出于衛(wèi)生考慮，通常是將機(jī)組的進(jìn)水管道關(guān)閉幾天，達(dá)到脫水的要求，才能除掉這些污垢。研究結(jié)果表明，少量的海洋生物附著，就能使水輪機(jī)的效率減少20%。如果是大量的附著，則會(huì)使效率減少70%。采用環(huán)氧樹(shù)脂基的玻璃纖維增強(qiáng)或碳素纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，只能保證在運(yùn)行10個(gè)月內(nèi)，很少有微生物附著。雖然采用防污涂料能夠防止微生物附著，但是，它要求定期更換或重新施工，而且它的成本很貴，它對(duì)于海洋環(huán)境也有一定影響。

3.4　表面防護(hù)

海洋發(fā)電設(shè)備的表面防護(hù)，首先要考慮的是成本，即如何把成本減少到最低。同時(shí)，還要達(dá)到預(yù)期的效果。與海洋潮汐發(fā)電和海浪發(fā)電相比，海洋潮流發(fā)電設(shè)備所處區(qū)域，水的含鹽量比較大，流速比較高，就要考慮到采取有效的防止腐蝕的措施。然而，要想完全避免腐蝕和空蝕，幾乎是不可能的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，零部件過(guò)流表面處的厚度，應(yīng)當(dāng)預(yù)先留有適當(dāng)?shù)母g裕量。這個(gè)裕量的確定，取決于零

部件的應(yīng)力、相對(duì)于海平面的位置、腐蝕的面積等因素。通常，轉(zhuǎn)輪葉片上比較嚴(yán)重的空蝕，發(fā)生在葉片邊緣和尖端；而腐蝕則幾乎遍布整個(gè)過(guò)流表面。

對(duì)于只是采用一般涂料而不是防蝕涂料的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)考慮到適當(dāng)增加腐蝕裕量。關(guān)于腐蝕速度，必須進(jìn)行實(shí)際調(diào)查和測(cè)量。如果沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)制定一個(gè)設(shè)計(jì)原則來(lái)用于計(jì)算腐蝕速率。此時(shí)，就要把點(diǎn)蝕之類的局部腐蝕考慮進(jìn)去。除了腐蝕速率以外，機(jī)組零部件過(guò)流表層厚度腐蝕裕量的最終確定，還要考慮到機(jī)組運(yùn)行的設(shè)計(jì)壽命。即使在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命以后，也要保證剩余的表層能夠承受足夠的負(fù)載。在選擇防蝕措施時(shí)，也要考慮到零部件所處的區(qū)域和腐蝕的介質(zhì)。通常情況下，分為大氣區(qū)(水面以上)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)5大類。要有針對(duì)性地選擇適當(dāng)?shù)姆牢g措施。

對(duì)于處在飛濺區(qū)域或潮差區(qū)域的零部件表面，應(yīng)當(dāng)采用具有耐磨損和抗紫外線輻照的涂層加以保護(hù)。其中包括加熱鍍鋅或增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂基涂料等。它們通常具有5~10年的設(shè)計(jì)壽命。屆時(shí)應(yīng)當(dāng)重新施工。為了保證涂覆質(zhì)量和涂層性能，對(duì)于防腐涂層的施工工藝，必須按照指定的規(guī)范進(jìn)行。噴涂以前，零部件的表面，不得存有任何外部物質(zhì)。噴涂表面必須是干燥的、清潔的，沒(méi)有任何污染的。

4結(jié)語(yǔ)

與普通的發(fā)電設(shè)備不同，對(duì)于海洋發(fā)電設(shè)備，提出了許多特殊要求，并且納入了國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。為了開(kāi)發(fā)應(yīng)用海洋發(fā)電這種可再生的清潔新能源，生產(chǎn)廠家必須滿足電站用戶在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和表面防護(hù)等方面的要求，以便保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

王嘉，男，1979年生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，流體機(jī)械工程專業(yè)，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)椋盒滦退Πl(fā)電設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，高級(jí)工程師。

作者簡(jiǎn)介：