水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗分析

張 峰，戴春妮，吳勤兵

(1. 國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；3.浙江省海鹽縣港區(qū)開發(fā)建設辦公室，浙江 嘉興 314300)

水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗分析

張 峰1，戴春妮2，吳勤兵3

(1. 國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；3.浙江省海鹽縣港區(qū)開發(fā)建設辦公室，浙江 嘉興 314300)

本文提出了一種全新的潮汐能開發(fā)方式，把封閉管道中的水擊效應應用到潮汐能開發(fā)中。利用水錘泵將海水提至高水庫，把潮汐能的低水頭勢能轉化成高水頭勢能存蓄在高水庫中，再視需求進行發(fā)電，免除了傳統(tǒng)方法先潮汐發(fā)電再抽水蓄能的二次轉化。本文通過模型泵測試模擬了水錘泵在潮差的驅動下將水提送到蓄水庫的工作狀況，獲取了1.0～3.0 m水位差條件下，將水輸送到5.0～20.0 m水頭蓄水池時模型水錘泵的工作效率和輸出功率。試驗表明，在1.0～3.0 m水位差條件下，水錘泵的能量轉化效率超過0.60，且水頭變動時，效率基本穩(wěn)定。經(jīng)估算，水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能。

潮汐能；水錘泵；抽水蓄能；試驗

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人類對能源的需求越來越大，而傳統(tǒng)的石油煤炭能源屬不可再生能源，使用過程中還會帶來污染和溫室氣體排放。世界正面臨著能源日益匱乏，環(huán)境每況愈下的困境，清潔可再生能源的開發(fā)因而備受世界各國的關注。潮汐能因其儲量豐富、可預測性強，被認為是極具開發(fā)前景和開發(fā)價值的新能源。我國有著漫長的海岸線，蘊藏著豐富的潮汐能資源，據(jù)調查，我國沿海潮汐能可開發(fā)裝機容量約為2 158萬kW，可開發(fā)潮汐能總量為619億kW·h[1]。

目前潮汐能的開發(fā)利用方法主要是修建堤壩形成水庫，利用潮汐形成的水庫內外水頭差驅動水電機組發(fā)電。由于潮汐發(fā)電的水頭較低，變幅大，水輪發(fā)電機在低水頭工況和反向運作時發(fā)電效率往往較差[2-3]。而且傳統(tǒng)的潮汐電站不能實現(xiàn)能量存蓄，無法根據(jù)電網(wǎng)需求調節(jié)發(fā)電能力，其電能接入電網(wǎng)受到限制。在現(xiàn)有的潮汐能電站運行模式下，發(fā)電連續(xù)性和電能調蓄的問題只能通過興建抽水蓄能電站配合使用來解決，俄羅斯梅津灣 (Mezen)、法國喬瑟島 (Chausy) 等潮汐電站的選址研究中均考慮同時興建抽水蓄能電站[2]。然而水錘泵為解決潮汐能量存蓄問題提供了一種可能的新途徑，水錘泵是根據(jù)“水擊”非恒定流現(xiàn)象發(fā)明的一種提水裝置[4-8]，它可以提高水體的能量密度，將低水頭潮汐能 (1.0～3.0 m水頭) 轉化為15.0 m以上高水頭的勢能。如圖1所示，首先修建堤壩形成潮汐水庫，并在高處修建小水庫用于儲存高勢能海水 (類似于抽水蓄能電站的蓄水庫)。采用水錘泵替代傳統(tǒng)的潮汐水電機組，利用堤壩內外的水頭差驅動水錘泵工作，直接將部分海水泵送到高水庫中。高水庫的海水可以采用技術成熟、造價較低的中水頭發(fā)電機組按用電需求適時發(fā)電，也可直接用于海水淡化等用途。

目前水錘泵應用限于從山泉和河流中提水[9]，其工作環(huán)境與用于海洋能開發(fā)有著較大的區(qū)別。水錘泵用于山區(qū)提水時，其供水水頭往往是固定的，而在潮汐能開發(fā)中內外庫的水位差是變化的，因此供水水頭也是一個周期變化的量。不同水位差情況下，水錘泵能否保持較為穩(wěn)定的效率是關鍵問題。本文通過試驗模擬水錘泵在潮差的驅動下將水提送到15.0 m高度蓄水庫的工作狀況，測試不同水頭條件下水錘泵的流量、揚程、工作效率等要素以及他們的相互關系，并在此基礎上進一步研究水錘泵用于潮汐抽水蓄能的技術可行性。

圖1 水錘泵潮汐抽水蓄能示意圖

1 模型泵試驗

1.1 試驗方案

為詳細分析水錘泵在水位變動情況下的工作性狀，對一臺100 mm口徑的模型水錘泵(圖2)進行了測試，模擬在1.0～3.0 m水位差的條件下將水提送到高水庫的工作狀況。

試驗采用有多個溢流孔的敞口水箱作為供水源，測試過程中根據(jù)水頭需要打開不同的溢流孔，提供可變的供水水頭，用于模擬不同時段庫內外的不同水位差。同時為了測試不同揚程下的出流流量，將出水管道連接到一個溢流水箱中，打開特定的溢流孔，可使出水水頭保持在某一穩(wěn)定值。試驗中供水水頭為供水水箱液面與水錘泵沖擊閥的高差，出水水頭為出水水箱液面與沖擊閥的高差，水錘泵的供水流量和出水流量采用電磁流量計測量。

圖2 測試用水錘泵

本次試驗共進行了5個供水水頭(1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 m)和7個出水水頭(5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 m)條件下共35組測試，每組測試都采集到了準確的供水水頭、出水水頭、進水流量和出水流量。在此基礎上，本文著重分析各工況下輸出功率和能量轉化效率這兩個重要的特征參數(shù)：

P=ρghqc

(1)

式中：P為輸出功率，是指單位時間內水錘泵輸出水體所含的能量，它反映了水錘泵獲取能量的大??；ρ為水密度；g為重力加速度；h為出水水頭；qc為出水流量。

(2)

式中：η為能量轉化效率，是水錘泵輸入功率和輸出功率的比值，它反映了水錘泵能量轉化的效能；H為供水水頭；h為出水水頭；qr為進水流量；qc為出水流量。

1.2 試驗結果

圖3為水錘泵輸出功率的變化情況，隨著供水水頭的增大，輸出功率隨之增加。模型水錘泵在1.0 m供水水頭下的輸出功率為129～184 W，1.5 m供水水頭下的輸出功率為192～285 W，2.0 m供水水頭下的輸出功率為252～389 W，2.5 m供水水頭下的輸出功率為306～483 W，3.0 m供水水頭下的輸出功率為379～575 W。在同一供水水頭條件下，出水水頭的設定在一定程度上會影響水錘泵的輸出功率。1.0～2.0 m供水水頭下，模型泵出水水頭設為17.5 m水頭時輸出功率最高；2.5～3.0 m供水水頭下，出水水頭設為15.0 m水頭時輸出功率最高。

圖4是水錘泵能量轉化效率的變化情況，模型水錘泵測試的轉化效率在0.41～0.65之間，測試表明出水水頭的設定對水錘泵效率也有一定影響。出水水頭在15.0～17.5 m水頭之間時，模型水錘泵的工作狀態(tài)最佳，其能量轉化效率超過了0.60。模型水錘泵在1.0 m供水水頭下的效率為0.43～0.61，1.5 m供水水頭下效率為0.43～0.63，2.0 m供水水頭下效率為0.42～0.65，2.5 m供水水頭下效率為0.41～0.64，3.0 m供水水頭下效率為0.42～0.64。在供水水頭確定時，水錘泵效率隨出水水頭的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。1.0～2.0 m供水水頭下，出水水頭設為17.5 m水頭時水錘泵效率最高；在2.5～3.0 m供水水頭下，出水水頭設為15.0 m水頭時效率最高。

圖3 水錘泵輸出功率的變化曲線

圖4 水錘泵能量轉化效率的變化曲線

2 討論和展望

水錘泵從設計之初是用于小流量的提水，無論是使用環(huán)境還是使用目的都與潮汐能開發(fā)有著很大的區(qū)別。能否對這項技術進行改進和發(fā)展使其服務于潮汐能開發(fā)，本文將從以下幾個方面進行討論。

2.1 蓄能水庫高度和泵型選擇

本文試驗中模型泵的效率在0.41～0.65之間，對水泵效率影響較大的似乎是出水水頭的設定。試驗采用的模型泵最佳的出水水頭為17.5 m，此時模型泵的效率都超過了0.60，而出水水頭在不合理的區(qū)間時，模型泵的效率則明顯下降。這表明將水錘泵用于潮汐抽水蓄能時，泵型與蓄能水庫高度的匹配十分重要。按蓄水高度的不同要求，將水錘泵型系列化是應對此問題的較好對策。

2.2 水錘泵對變水頭的適應性

潮汐能的一個突出特點是水位實時變動，庫內外的水位差隨潮周期變化。根據(jù)模型試驗的結果，當蓄能水庫高度為17.5 m水頭時，庫內外1.0～3.0 m的水位差下，水泵能量轉化率在0.61～0.65之間。各水位差條件下，水錘泵效率波動很小。由此可見潮汐變化帶來的庫內外水位差變動對水錘泵效率影響不大，水錘泵在實現(xiàn)能量存蓄的同時，轉化效率也能夠得到保證。

2.3 啟動閾值

和其他潮汐能發(fā)電裝置一樣，水錘泵也存在著啟動閾值，當庫內外水位差低于閾值時無法正常工作，水位差達到閾值后方可開啟。目前技術條件下，水錘泵的啟動閾值最可低至0.3 m左右[6]。通過改進設計降低啟動閾值，擴展水錘泵的工作范圍是值得今后研究的一個方向。

2.4 設備大型化

目前水錘泵體管徑多為5～6 cm，輸水量較小，換算成輸出功率只有不足100 W。本文試驗中將模型泵口徑增加到10 cm，輸出功率相應達到575 W。然而要投入真正的應用，進行提水蓄能，水錘泵還必須進行大型的改進。B.W.Young對水錘泵的工作性能和設計方法做了大量的研究，得出水錘泵的輸出能力基本與水錘泵口徑直徑的平方成正比[10-11]。參照本文模型泵的功率測試結果，如果將水錘泵口徑放大10倍，達到1.0 m直徑，其輸出功率相應將提高到超過50 kW以上。一個1.0 m直徑的水錘泵獲取的能量可以滿足一個小面積海島的需求，此外還可以通過多臺水錘泵并聯(lián)工作，提高出水量和輸出功率。

2.5 與傳統(tǒng)潮汐能開發(fā)方式的對比

傳統(tǒng)的潮汐能發(fā)電站無法根據(jù)電網(wǎng)需求調節(jié)發(fā)電能力，其電能接入電網(wǎng)受到限制。潮汐電站聯(lián)合抽水蓄能和水錘泵潮汐蓄能發(fā)電兩種方式均可以實現(xiàn)能量存蓄。潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能需要兩套雙向機組，分別用于潮汐發(fā)電和抽水/蓄能；而水錘泵潮汐蓄能發(fā)電僅需要一套水錘泵機組和一套常規(guī)水電機組，其工程造價低于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的開發(fā)方式。

潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的潮汐能開發(fā)方式的能量綜合利用率受水輪機效率、發(fā)電機效率以及抽水蓄能循環(huán)效率3個因素的共同影響。由于潮汐水位差遠小于常規(guī)水電工程，采用的超低水頭水輪機效率低于常規(guī)水輪機；此外，其水輪機效率受水頭變動影響較大，以某新型高效低水頭雙向貫流式水輪機為例，其在1.0～3.0 m水頭下的正向效率在0.58～0.90，反向還會降低約6%[12]。發(fā)電機的效率一般取決于電機尺寸和電磁方案，代表我國先進水平的江廈潮汐電站6#機組(國家863計劃項目)發(fā)電機的設計效率為0.94[13]。據(jù)報道，目前已建抽水蓄能機組的循環(huán)效率一般為0.75左右[14]。綜合以上3個因素，潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能的能量利用率可以達到0.40～0.62(圖5)，平均為0.54。

圖5 兩種潮汐蓄能發(fā)電的能量利用率

水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的潮汐能開發(fā)方式的能量綜合利用率受水錘泵效率、蓄能水庫水輪機效率和發(fā)電機效率3個因素影響。本文的試驗中，蓄能水庫高度為17.5 m時，模型泵效率可以達到0.61～0.65。蓄能水庫中的海水水頭較大，因而可以選用技術成熟、造價較低的常規(guī)中低水頭發(fā)電機組進行發(fā)電，且蓄能水庫水頭穩(wěn)定，可使機組處于最優(yōu)工況下運行。目前國內定型投產(chǎn)的新型中低水頭機組的水輪機最優(yōu)效率均在0.95左右，發(fā)電機效率也基本在0.95以上[15]。綜合上述因素，水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的能量利用率可以達到0.52～0.59(圖5)，平均為0.57。從兩種蓄能發(fā)電方式的能量利用率來看，水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能，尤其是當水位差在1.0～2.0 m時優(yōu)勢明顯。

3 結論

本研究從多個角度對水錘泵用于潮汐抽水蓄能的技術可行性進行了討論，該方法解決了傳統(tǒng)潮汐能發(fā)電方式的原有缺陷，將蓄能和發(fā)電結合在一起。本文通過模型泵測試模擬了利用水錘泵在潮差的驅動下將水泵送到高蓄能水庫的工作狀況，并獲取了多個工況下模型泵的工作效率和輸出功率。在試驗數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)分析得到以下結論：

(1) 測試結果表明庫內外水位差變動對水錘泵效率的影響不大，在1.0～3.0 m水位差范圍內，水錘泵能量轉化效率可以達到0.60以上。水錘泵對水位變動的適應性良好，在實現(xiàn)能量存蓄的同時，能量轉化效率也能得到保證。

(2) 模型泵最佳的出水水頭在15.0～17.5 m水頭之間，當出水水頭在不合理區(qū)間時，模型泵的效率明顯下降。這表明將水錘泵用于潮汐抽水蓄能時，泵型與蓄能水庫高度的匹配十分重要。

(3) 經(jīng)估算水錘泵潮汐蓄能發(fā)電的平均能量利用率略高于潮汐發(fā)電聯(lián)合抽水蓄能，尤其是當水位差在1.0～2.0 m時優(yōu)勢明顯。本文討論還只是基于現(xiàn)有資料的初步分析，要使水錘泵真正應用于潮汐蓄能發(fā)電，還需要在經(jīng)濟可行性、設備大型化等方面進一步地深入研究。

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Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump

ZHANG Feng1, DAI Chun-ni2, WU Qing-bing3

(1.KeyLaboratoryofOceanEngineering,TheSecondInstituteofOceanography,SOA，Hangzhou310012，China； 2.ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower，Hangzhou310002，China； 3.HarbourDevelopmentOfficeofHaiyanCounty，Jiaxing314300，China)

A new method for tidal energy utilization was proposed using water-hammer in pipeline. The hydro-ram pump can convert potential energy of low water head to higher water head by pumping sea water to high reservoir，which avoid the energy conversion from tidal power to pumped storage in the traditional method. Model pump test was carried out to simulate the 1.0～3.0 m working condition to pump sea water to 5.0～20.0 m high reservoir. The experiment shows that the efficiency can be higher than 0.60 in the working condition and remain stable when water level changes. According to simple calculation，The average energy efficiency of hydro-ram pump can be higher than tidal power station with pumped storage.

tidal power; hydro-ram pump; energy storage; experiment

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.

2014-08-22

2015-01-09

國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務專項資金項目資助(JG1213,JT1308)

張峰(1986-)，男，江蘇如皋市人，工程師，主要從事海洋能及工程海洋學方面的研究。E-mail：fengsio@163.com

P743.3

A

1001-909X(2015)01-0069-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010

張峰，戴春妮，吳勤兵.水錘泵用于潮汐抽水蓄能的模型試驗分析[J].海洋學研究,2015,33(1):69-73,

ZHANG Feng, DAI Chun-ni, WU Qing-bing. Experimental study on tidal energy storage with hydro-ram pump[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):69-73, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.010.