潮汐电站电能产出最大化研究

[德国 ]R.布赫尔

苏 燕 译自英刊《水电与大坝》2009年第4期

作为海洋可再生能源的一种形式,潮汐动力代表了一种可变但可预测的能源,在不远的将来,可能为清洁能源生产做出贡献。潮汐流水轮发电机组,直接将运动水体的动能转化为电能,结合创新的技术,已接近商业开发状态。公海上的局部实验装置和与电网相连接的原型证明了开发离岸海洋能源在技术上是可行的。

因为复杂的海洋环境,商业规模的潮汐发电场的概念设计具有挑战性。为了取得作为投资依据的可靠能源输出数据,需要进行广泛的数字模拟和优化程序。原型机的机械特性适应于工程的特定要求,系统地确定有利的发电场布置,将支持第1批原型机发电装置的有效实施。

1 主要潮汐特性分析

全球的潮汐作用由月亮(68%)和太阳(32%)施加在地球上的重力所引起,总功率约为3.7TW。全球的潮汐情势约由 400个谐波成分决定,每个谐波成分的周期与幅值不同,潮汐每隔18.6a重复一次。

通常,海洋流电站首选站址要考虑多个因素,这些因素能增大优势潮流速度的幅值,主要存在于狭窄通道、海峡或岛屿之间的浅水中。

在韩国西部和南部海岸的离岸部位,因其地形特征和潮汐高,是世界上开发潮汐电力的最佳地点之一,在规划莞岛潮汐电站的位置时考虑了众多有利的自然因素。开发区的地形特点是坡陡,宽阔、均匀和水平的海床,平均水深为 35m,实际上,180°反方向潮流的期望水力效率很高。

详细的潮汐信息可从全球潮汐模拟程序、卫星高程测绘文件或邻近港口或岛屿的潮汐高程测量获得。作为工程研究的原始数据,分辨率为 30min的一个朔望月的潮汐高程数据便可满足需要。

2 数字模型和校准

为了研究潮汐发电工程可获得的发电量,需要在水动力模型中,最好在三维水流模型中,准确表示出相应的海洋断面。对于世界上大多数潜在的潮汐发电场布置,可用精确的数字深测法。如果空间分辨率不够高,这些文件可通过当地海图的数据完成。从国家海洋地理研究所的航海图或通过与工程有关的 ADCP测量可获得周期性潮流速度的信息。依据选择的水流模拟软件包,可增加有关盐度、水温和海床成分的附加输入数据。

为了校准与确认模型,总共使用了15组数据,包括海岸潮汐高程的实时数据,以及海面和水下速度矢量数据。在最初确认阶段,检验了模拟结果和海洋地理测量数据之间的基本潮汐频率特性的匹配情况。在第2阶段也是更加详细的确认阶段,利用从韩国海洋地图提取的参考数据分析工程区的最大和最小海面流速以及水流方向。在第 3和最后确认阶段,根据高级参考浮标测量数据详细分析了水下流速。

在模拟结果与真实数据的比较过程中,输入数据和模型系统本身均得到验证。因为数字模型的精度基本上确定了电能产出计算的质量,这些工作与进一步的工程优化密切相关。

3 能源评估

20世纪70年代,进行了早期潮汐能源评估,此后,分析模型的质量不断改进。同时,发现多种概念和评价方法并不妥当,因为没有充分考虑能源的间歇特性和由于能量的获取而造成的水流速度下降。在莞岛工程研究中,没有应用已公开的概念(发电场方法、能量通量法或能源获取单元方法)。根据各水轮机转子掠过区域处的主要水流速度,直接确定电能的产量。对从三维水流模拟软件得出的高分辨率速度矢量数据加以处理能确定与机组有关的电力输出特性,随后确定发电场的总电能产出。在29.5d中,时间分辨率为5min,导致需要对510万单个速度数字进行处理,从而便可基本了解大规模潮汐发电场的性能。

4 能源获取能力

在莞岛工程的概念规划中,各开发商推荐设想的发电场容量为 300～600MW,单机容量1MW。在电能产出优化研究过程中,审查了总共11个发电场方案,每个方案有单独的完全月潮周期水流模拟和随后的分析程序。基于 3个主要发电场方案,即01号发电场装机容量598MW、04号发电场 300MW和10号发电场100MW,对发电场优化过程的基本步骤进行了说明。

由于潮汐能源的间歇特性(在莞岛电站,潮汐水流每 6h改变一次方向)和要求的最小速度(接通速度约为1m/s),机组长时间停机是不可避免的。通过电能产出优化,可将最初的598MW发电场方案42%的停机时间降低到10号发电场方案(100台机组方案)的34%;相应的满负荷运行时间增加到6.6倍。停机时间值主要影响电厂的效率。

通过优化,可提高电力质量(均匀性,峰值)和方案效率。减少机组台数后,单台机组的电能产量较高(598台机组为59.6MW,100台机组为17.8MW)。取得该成效的原因是机组位置得当,且总的水流速度被降至最低。

确定和优化能源获取能力的任务很艰巨,这需要处理大量数据、大量数学模拟和计算工作。由于不同指数函数和相关性,必须检查误差传播,以作为投资的可靠基础。参考研究中确定的速度矢量数据的标准误差为10%,因而导致对电能产出的平均影响分别为 +30.6%和 -27.6%。

5 电能产出最大化

精心准备的优化方法旨在使合适的机组放置得当,以提高潮汐发电工程的效率。考虑可持续要求,从基本方案布置概念开始,以协调的方式对经过优化的发电场布置进行了反复改进。

为了系统地确定各发电场方案的性能特点,绘制了图1。其中,发电场总容量系数(CF)代表的是在一定时期内的发电量除以连续满负荷运行条件下应该生产的发电量,因此,CF实质上决定发电站的经济吸引力。通过逐步增加各机组的目标容量系数,完成了基于事实的发电场地选择过程。

图1 不同发电场方案的容量系数特性

图1表示 3个发电场方案的符合每台机组(选择的)目标容量系数的机组数目和相应的发电场总容量系数之间的关系。目标容量系数越高,符合的机组数越少,因此,发电场总容量系数越高。在财务模型中,可以达到所要求的盈利能力与设想的机组台数的精细平衡。例如,如果确定一台水轮发电机组的经济限制按 CF值等于23%确定,则可得到有72台机组的一个发电场,其总容量系数为26%。

除了发电装置数目发生变化以外,还修改了下列特征值,以使该方案的效率最大化:

(1)行距从500m改为250m;

(2)转子直径从16m改为18m;

表1 计算的发电场数据汇总

(3)发电机额定容量从1MW改为 800kW;

(4)海堤扩建的分期实施。

由于利用水流模拟软件,考虑了工程区域中因能量获取引起的总水流速度降低,所以发电场的 CF大体上随装机数减少而增加。如果减少机组获取较少的能量,则其余机组可在较高的平均水流速度下运行,每台机组可发更多的电。

表1给出了所有经审查的发电场方案的主要性能特征和月产电能。

6 结 语

潮汐发电场的优化设计是一项复杂的任务。需要收集、分析、处理和优化大量各种各样的数据。

为了使发电场布置和机械概念在经济上具有吸引力,需要将主要的潮汐情势用综合的数字模型表示,随后用真实的海洋地理数据加以验证。为了最大化潮汐电站的电能产出,建议对概念设计阶段已经提出的不同发电场方案进行参数变化研究和相关敏感性分析。系统性优化过程可识别性能最好的发电装置布置,这可使电站总的容量系数最大。

因为能量的获取使水流速度下降,需要进行工程后环境影响评估模拟。可持续性要求对发电量有一定限制,基于此,可以预见对生态系统不会造成长期负面影响。

在开发海洋可再生能源系统方面,人类面临的挑战很大。但为缓解全球可持续能源日趋紧张的局面,实施商业化规模的潮汐电站工程应该已为时不远。