潮流能示范电站微观场址布局方案初探

纪洪艳，顾振华

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

潮流能示范电站微观场址布局方案初探

纪洪艳，顾振华

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

以浙江舟山潮流能示范工程总体设计为蓝本，对电站微观场址布局中机组布置形式、机组横纵向间距对电站效益的影响进行了多层次、演进式的比较分析。通过探索研究，提出了推荐的前后排机组布置形式，揭示了横、纵向机组间距变化对机组发电效益的影响程度及变化规律，认识到机组横向间距的增大对电站效益的改善作用要显著优于机组纵向间距增大对电站效益的改善作用，并在此基础上，对浙江舟山潮流能示范电站的微观场址布局方案提出了建议。

潮流能；示范电站；微观场址布局

海洋能是重要的可再生能源，蕴藏量丰富，有着重大的发电潜力和推广应用前景[1-2]。近年来，潮流能成为世界各国争相研究开发的对象[3-4]，并逐步由理论研究、实海况试验向示范工程建设的方向发展，当前，欧美发达国家已经开展了大量潮流能试验场的建设运行工作，而我国在潮流能试验场建设方面仍是空白，浙江舟山潮流能示范电站是我国首个具备公共测试和示范功能的公益性开放型国家级潮流能试验场，在填补空白的同时，对推动我国潮流能开发利用技术及相关产业的发展具有重要意义。

在示范电站建设中潮流能发电装置的阵列布设方式直接影响潮流能装置的发电效率，进而影响整个示范电站的运行效益[5]。评估装置阵列能够提取的能量及提取能量的效率，是海洋能开发利用电站建设中面临的重要课题[6-8]。本文通过对浙江舟山潮流能示范电站示范区潮流能发电装置阵列布设方式的研究，对电站微观场址布局方案进行了初探。

1 示范电站概况

示范电站位于浙江省舟山市普陀区普陀山岛与葫芦岛之间水域。海域水深范围约20～60 m，场址分为测试区和示范区，分别布置3个测试泊位和6个示范泊位。

1.1 测试区

规划布置3个测试泊位，可为机组厂商提供潮流能机组的实海况测试。测试区可将环境与发电装置数据进行采集、传输、接收与储存；满足发电装置的测试需求，可将发电装置发出的电力传送至岸上；具备电网接入条件，发电装置发出的电力经过升压、测试最后完成并网；具有评价功能，可对发电装置的性能进行评价。

1.2 示范区

规划布置6台示范机组，总装机容量不小于1 MW。功能定位为潮流能的并网发电示范，将发电装置发出的电力传送至岸上；具备电网接入条件，发电装置发出的电力经过升压后完成并网。通过对工程区潮流能资源、水文气象、地形地貌、工程地质等工程建设条件的综合分析，比选确定适应上述环境条件特征且经济性最好的潮流发电机组，进行潮流能发电站的并网发电示范和商业化运行。

考虑到测试区泊位数量不多，仅为3个，且需要根据工程地质及海域条件等有针对性的布置，各测试泊位间距较大，彼此间因阵列存在而产生的影响相对较小，而示范区包括6个示范泊位，布局相对集中，各潮流能发电装置间会因阵列的存在而受到影响，因此本文主要针对示范区的微观场址布局方案进行研究。

2 研究方法

潮流发电装置一般布设于海水面以下，主要受流体影响，因此对于特定场址潮流的预测以及阵列影响的流体预测是微观场址布局方案研究中需要重点研究和解决的问题。目前，对于潮流能发电场微观场址布局的计算大体可分为两类，一类是具有良好适用性及推广性的国外科研机构研发的商业软件，另一类是利用开放模型代码自编的模拟评估。本文采用英国GL公司开发的TidalFarmer软件对微观场址布局方案进行研究。

TidalFarmer为了更好地模拟潮流装置的复杂性，同时减小模型计算的难度，引用了CFD第三方软件的计算结果，从而简化建模，实现对潮流能发电微观场址布局的优化和发电量的预测与评估。在阵列影响的流动模拟中包括了本地障碍模拟和尾流模拟。障碍模拟主要是基于制动盘理论，是结合边界表面的模拟计算，主要用于预测装置转子性能变化和流管外的水体流动。尾流模拟是基于扰乱假设，采用单一尾流模型及合并处理的方法，建立三维数学模型对尾流形式以及增加的湍流强度进行评估，计算某一场址布局条件下的发电量，优化微观场址布局。

3 研究方案

3.1 泊位布置原则

本潮流能示范工程包含示范区和测试区，所处普陀山岛-葫芦岛海域相对狭小，需要在有限的海域内，优选潮流能资源丰富点位的同时，优化布置3个测试泊位和6台示范机组。因此在进行示范区机组布置时需遵循以下原则：

（1）优选潮流资源丰富区。示范机组所发电量将并入电网，为取得更大的发电效益及稳定性，泊位应布置在潮流能功率密度大且涨落潮流向集中的区域；

（2）节约用海。在泊位布置时尽量集中，同时避开航道、锚地、油气管道、海底电缆、捕捞区及保护区等限制用海区域；

（3）降低尾流影响。尽量减小潮流能发电装置彼此间产生的尾流影响，降低对潮流观测仪器的影响，提高测试结果的真实性与可信度；

（4）方便运输与安装。在布置潮流能发电装置时应选择地质条件相对良好、水下坡度变化较小的海域，并尽量方便装置的运输与安装，预留充足的作业水域以避免海上作业对相邻测试泊位的影响；

3.2 研究条件选取

3.2.1 模拟条件假定 在实际工程海域当潮流能机组布置方案改变时，机组布置区域的地形及各水轮机处的流速都会随之变化，故潮流能机组发电效益的变化同时受布置方案、地形以及各水轮机处所受流速变化这三者的影响。在研究中为了更好地给出潮流能机组不同布置方案本身对发电效益的影响，将模拟区域内地形及潮流两个因素固定。

场址所处的舟山海域属非正规半日潮，以往复流为主，基本呈NNW-SSE走向，取涨急流速1.44 m/s，流向332°，落急流速1.64 m/s，流向154°的典型潮过程进行计算。海域内地形坡度较缓区域水深基本在30～40 m范围，为了去除地形变化的影响，研究中假定模拟区域内水深恒定为30 m。

3.2.2 潮流能发电机组 综合考虑示范电站装机容量、潮流机组性能及示范区示范效果等因素，微观场址布局方案研究中选取东方电机有限公司正在研制的450 kW水平轴潮流能机组进行计算，该潮流能发电机组叶轮直径19 m，轮毂高度14.5 m，机组功率曲线见图1。

图1 潮流机组功率曲线

3.2.3 微观场址选择 根据数学模型对场址海域水流条件的模拟（如图2所示），场址海域全年垂向平均流速分布相对均匀且流速相对较大的区域位于葫芦岛与普陀山之间略靠南侧水域内；由于所选机组直径为19 m，从保证机组运行安全角度出发，场址海域水深至少为30 m；综合上述两个条件，示范区泊位微观场址选定在图中红色虚线范围内，该范围内30 m等深线的横向宽度约900 m。

图2 微观场址示意图

3.3 微观场址布局方案拟定

3.3.1 方案拟定思路 欧洲海洋能中心（European Marine Energy Centr，缩写：EMEC）编制的《潮流能资源评估指南（Assessment of Tidal Energy Resource）》中对泊位布置进行了建议：在顺流方向两行潮流能发电装置呈交错式布置，间距至少为10倍叶轮等效直径；垂直于流向的同一行内两发电装置中轴线之间的距离至少为2.5倍叶轮等效直径，如图3所示。

图3 潮流能发电装置阵列布局

本次研究中，首先研究对称布置与交错布置的优劣，得出推荐的阵列布置方式，再通过改变潮流能机组横、纵向间距（定义顺水流方向为纵向、垂直于水流方向为横向）研究横、纵向间距变化对机组发电效益的影响规律，最后在满足泊位布置原则的前提下，综合考虑电站场址的海域特点及施工条件得出建议的微观场址布局方案。具体研究路线见图4。

图4 研究路线图

3.3.2 方案研究与结果对比

（1）阵列布置形式研究

为提高研究结果的代表性，选取两组不同的横纵向间距组合方案对阵列布置形式进行研究，参考EMEC推荐的2.5D×10D，分别增大和减小横纵向间距，拟定5D×10D和5D×5D的组合方案，分别布置成前后排交错布置和前后排对称布置的阵列布局形式，具体布置见图5。

图5 阵列布置形式研究方案示意图（方案1-方案4）

在研究中引入尾流影响系数rm来定量描述尾流对潮流能机组发电效率的影响，rm表示因尾流影响而损失的能量占潮流能机组总发电量的百分比，rm计算公式如下：

式中：Etotal和Ewake分别表示不考虑和考虑尾流影响时潮流能机组的总发电量。

通过对两种阵列布置形式下的尾流场（见图6）、各潮流发电机组及整个示范区发电总量的对比（见表2和表3）可知：前后交错布置形式（方案1和方案2）时各台机组发电量及整个示范区发电总量均高于前后对称布置形式（方案3和方案4），整个示范区发电总量可分别提高2.6%和7.2%。说明前后交错布置形式（方案1和方案2）上游迎流机组对下游机组的尾流影响要弱于前后对称布置形式（方案3和方案4）。由于减小了尾流干扰，从而提高了发电效益。从尾流影响系数的变化也可得出上述结论，5D×5D和5D×10D两种间距方案其尾流影响系数rm分别从前后排平行布置形式（方案4和方案3）的8.897和4.775降低至前后排交错布置形式的（方案2和方案1）1.863和2.458，交错布置形式的尾流影响系数显著小于对称布置形式的尾流影响系数。

说明在相同的横、纵向间距条件下，通过交错布置各台潮流能发电机组可以有效降低上游迎流机组对下游机组所产生的尾流影响，进而提高潮流能机组的发电效益。因此，在阵列布置形式上推荐前后交错的阵列布置形式。

表2 不同阵列布置形式下发电量对比表（5D×5D）

表3 不同阵列布置形式下发电量对比表（5D×10D）

（2）机组横向间距研究

以EMEC推荐的2.5D×10D（方案5）为基础，保持前后交错的阵列布置形式，在横向间距上以2.5D为增量逐级增加机组横向距离至5D，7.5D，10D，12.5D，15D（方案6-方案9），研究横向间距改变对潮流能机组发电效益的影响。各横行间距下发电量、尾流影响系数的计算结果及其变化趋势具体见表4和图7，尾流场见图8。由上述图表可以看出：

图6 不同阵列布置形式下尾流影响示意图

①在横向间距由2.5D增加到15D的过程中，相应的尾流影响系数从4.666%降低至几乎可忽略不计的0.002%，示范区发电总量由2.15增加到2.26 GWhr，增加了近5%。可见随着潮流能机组横向间距的增大，尾流影响系数rm随之显著减小，潮流能机组因彼此间的干扰降低，发电量显著增大。

②当横向间距由最初的2.5D增加到7.5D时，其尾流影响系数rm从4.666%减小至1.026%，即横向间距增大5D，尾流影响系数相应减小3.64%；当横向间距由10D增加到15D时，尾流影响系数rm从0.376%减小至0.002%，即横向间距同样增加5D，尾流影响系数只相应减小0.374%。可见随着机组横向间距的不断增大，其对电站效益的改善作用在逐渐趋缓，当横向间距增大到10倍叶轮直径后，相同的横向间距增量，所能触发的尾流影响系数削减量显著减小，继续增大横向间距效果已不明显。文中图7亦很好地诠释了这一变化规律。

当可开发利用海域较宽阔且所需布置机组较少时，建议从减小尾流影响的角度，在10倍的叶轮直径范围以外选取横向间距，而当可开发利用海域较狭窄时，可以从提高海域利用率的角度，在10倍的叶轮直径范围以内选取横向间距。

（3）机组纵向间距研究

在分析了不同阵列布置形式及横向间距与潮流能电站发电效益间的关系后，本节通过改变顺水流方向前后排机组间距来研究纵向间距对发电效益的影响。以方案1（横向间距5D，纵向间距10D）为基础，分别增加和减小纵向间距，组成5D、15D、20D、25D和30D的方案序列。各方案计算结果见表5，尾流场见图9。通过对比可知：

①纵向间距从10D逐渐增大到30D的过程中，尾流影响系数从2.458%减小到1.637%，减小了0.821%，相应的示范区发电总量由2.20 GWhr增加到2.22 GWhr，增加了约0.8%。可见纵向间距的增大对尾流影响的减弱效果不是十分明显，这主要是由于尾流分布呈狭条形，需要足够大的纵向间距才能使下游机组远离上游机组所产生的尾流区域。

表4 不同横向间距布置方案发电量对比表

图7 不同横向间距下发电量及尾流系数变化图

图8 不同横向间距下尾流影响示意图

②当纵向间距从10D减小到5D时，尾流影响系数没有呈现出随着纵向间距的减小而增加的变化规律，而是在较小的5D纵向间距时，形成了较低的尾流影响系数γm和较高的发电效益。这主要是由于纵向间距较小时上游水轮机的尾流还未完全扩散，尾流对下游机组的影响较小，这与英国卡迪夫大学工程学院的O’Doherty D M等人[9]指出的“在水流作用下水轮机之间区域流体速度加快，该加速区域流体有利于下游水轮机发电”的观点是一致的。

③总揽纵向间距从5D增加到30D过程中发电量及尾流影响系数所呈现的变化规律是：随着潮流能机组纵向间距的增大，潮流能电站发电效益随之先减小后增大，先减小是由于加速区域流体的有利影响减弱，后增大是由于尾流的不利影响减弱。当纵向间距增大到25D时，尾流影响系数rm约为1.871%，此时潮流能电站发电效益恢复到与纵向间距为5D时类似。之后随着纵向间距的进一步增大，尾流影响系数随之缓慢减小。

当可开发利用海域较开阔且所需布置机组较少时，建议从减小尾流影响的角度，纵向间距选取大于25倍的叶轮直径，而当可开发利用海域较小时，可以从增大水轮机间加速区域流体有利影响的角度出发，纵向间距选取5倍的叶轮直径。

通过对横纵向间距的研究，可以看出横向间距对潮流能电站发电效益的响应灵敏度要远高于纵向间距，这是由于水轮机尾流影响区域多呈狭长分布，尾流场的横向尺度远小于其纵向尺度，在交错布置形式下通过增大水轮机横向间距可使后排水轮机迅速远离尾流影响区。因此，在进行微观场址布局时应优先考虑满足横向间距。

3.3.3 舟山潮流能示范电站微观场址布局方案建议 通过前文对潮流能发电机组阵列布置形式、机组横向间距及纵向间距的研究，从电站效益最大化的角度出发，建议选取前后排交错、横纵向间距为15D×10D的布置方案，其发电效益该方案横向最外侧两台机组间距600m，小于30m等深线宽度900m，满足机组布置对海床深度的限制条件。由于本文研究中对模拟条件进行了假定，因此在实际工程设计时，可在上述研究成果的基础上结合实海况对微观场址布局进行多方案对比优选。

表5 不同纵向间距布置方案发电量对比表

图9 不同纵向间距下尾流影响示意图

4 结语

海洋能发电评估及微观场址选择是海洋能发电设计中的重要环节，直接关系到电站的发电效益，不同布设方案所能提取到的能量及其对周边水动力的影响是不同的。本文以浙江舟山潮流能示范电站示范区机组布置为例，采用英国GL公司开发的TidalFarmer软件，从潮流机组阵列的排布形式、机组横向间距、机组纵向间距等方面进行了逐层次、演进式的推导性研究。通过研究发现：

（1）前后排机组交错布置可减小上游迎流机组对下游机组所产的尾流影响，当潮流能发电机组较多，需要前后排多列布置时，推荐采用前后交错的阵列布置形式。

（2）通过增加潮流能机组横、纵向间距，能起到减小尾流影响，提高发电效益的作用，其改善作用总体上随着机组横、纵向间距的增大而趋缓。

（3）机组横向间距变化对发电效益的响应敏感度远高于纵向间距。在进行微观场址布局时应优先考虑满足横向间距。

（4）横向间距增大到10倍叶轮直径后，相同的横向间距增量，所能触发的尾流影响系数削减量显著减小，继续增大横向间距效果已不明显。

（5）受水流作用下水轮机之间区域流体速度加快的影响，纵向间距为5D时的发电效益与纵向间距25D时相似。当可开发利用海域较小时，纵向间距可选取5倍的叶轮直径。

（6）建议在实际工程设计中综合考虑可开发利用海域范围、机组特性、机组数量等因素，通过多方案对比得到最优的微观场址布局方案。

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Study on the Layout Scheme of the Micro Site Selection for Tidal Current Energy Demonstration Station

JI Hong-yan,GU Zhen-hua
Shanghai Investigation,Design&Research Institute,Shanghai 200434,China

Taking the Zhoushan tidal current energy demonstration station in the Zhejiang Province as an example,This paper discusses and analyzes the influence of the micro site layout scheme on the efficiency of electricity generation from the aspects of transverse spacing,longitudinal spacing and the configuration form of the turbine generator system.According to the results of research,a configuration form of turbine generator system is put forward,and the relationship between the spacing of the turbine generator system and the efficiency of electricity generation has been studied and revealed in a quantitative manner.It is pointed out that,to improve the efficiency of electricity generation,increasing the transverse spacing will be more effective than increasing the longitudinal spacing.On the basis of the above-mentioned findings,this paper provides some useful advices on the layout optimization of the Zhoushan tidal current energy demonstration station in Zhejiang Province,China.

tidal current energy;demonstration power station;micro site layout scheme

P743

A

1003-2029（2017）04-0057-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.011

2017-03-08

海洋可再生能源专项资金工程示范类项目资助（GHME2013GC03）

纪洪艳（1981-），女，硕士，高级工程师，主要从事河口海岸规划研究。E-mail：jhy@sidri.com