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浅析潮汐电站（工程选址）节能降耗技术路线肖瑞南1，杨爱菊2（1工控网北京数据技术有限公司，北京；2西北勘测设计研究院，西安710065）摘要：随着全球人类社会对新能源的迫切需求，伴随社会综合环境投资效益的新要求与提高，潮汐电站将成为新能源研发中的一枝奇葩，由此其市场竞争力将成为潮汐电站研究课题的主要目标。总结并借助传统江河水电工程建设经验，用以剖析潮汐电站工程效益因子及其主要控制因子，探讨电站工程枢纽布置格局、海风波浪爬高、枢纽前沿纳潮量等因子与其投资效益之间的关联性。潮汐电站节能降耗因子的影响因素及技术路线，与其前期工作的研究手段有着密切关系。由工程案例可进一步看出潮汐电站研究的关键节点及路径。整体物理模型实验基地更利于结合潮汐电站工程枢纽拦潮前沿阔长的工程特点开展海洋水力发电多能互补开发研究。关键词：海洋水电；增能；降耗；潮差增量；波浪；纳潮量1.前言（1）海洋水电研发的有利条件及潜力海洋水电应包含潮汐水电、潮流水电、波能水电等海洋水动能电力，而据有关资料显示世界海洋水电仅潮汐能理论蕴藏量[1]为4000GW,与江河水电蕴藏量相当，中国具有300多万km2海域的（不含岛屿）18000余km海岸线，据20世纪八十年代的潮汐能调查（未含台湾等岛屿地）其可开发保守蕴藏量为1.9亿kW，再者潮汐能电站自上世纪研发以来已有50多年的研发经验，因此较大规模开发海洋水电宜以潮汐能为基础，综合考虑挖掘潮（海）流及波浪能等海洋水电的巨大潜力，同时海洋水电开发有必要尽量参照执行DL或SL水能系列法规进行，从而以为编制有关海洋水电的国家标准及行业标准做相应的工作。正确合理利用已具有百年建设经验的江河水电开发技术和50多年潮汐、波能、潮流等海洋水电试验运行经验，寻找“提高潮汐电站效益”的有效路径，对我们来说既复杂又繁琐，但这是一个非常有效的捷径，这也是我国“十二五”期间具有战略意义的海洋水电新能源研究项目。（2）潮汐电站的市场竞争缺陷目前，我国的潮汐发电技术处于世界较先进的地位，但整体开发规模还很小，工程选址、枢纽多功能性、结构形式和施工方法还欠先进，尤其是工程规模匹配度[2]较差，从而使得潮汐电站不具备与传统江河水电站等其它电能竞争市场。有资料[1]显示法国电力系统中潮汐电站的发电成本与其他类型电站相比是最低的。用浙收稿日期:作者简介:肖瑞南（1985~），西安人，工控网北京数据技术有限公司市场分析研究员，主要从事行业市场分析研究。2江三门县2009年启动的某潮汐电站（装机2万kW，单位千瓦3.4万元）研发经济指标，与江河水电指标单位千瓦2.0万元不到相比，说明我国潮汐能发电市场竞争能力较差。2.潮汐电站工程技术现状2.1工程技术现状潮汐电能的优越性（月能量变化很小）使其在电力系统中既可担负峰荷，也可担负基荷，具有日月平均一定范围的规律性。潮汐电站日与月的规律变化不均匀性在上世纪下半叶建设的大型电力系统联合运行中已被吸纳而解决。总结中国成功的潮汐、潮洪能开发范例，汇总法国、俄罗斯、加拿大等国潮汐电站运行经验，包含韩国在建的、英国等国拟建的、印度以及澳大利亚正在设计的大容量潮汐电站，以上潮汐电站工程创新技术经验，基本可归为以下几个方面：（1）施工技术及建筑结构俄罗斯的基斯拉雅试验潮汐电站首次使用了漂浮沉箱技术(施工不用围堰及薄壁结构)，据称几乎可以使工程建设施工费用减少一半(达45％)。由此缩短了海域与陆地施工条件上的差距。由此从薄壁结构技术上解决了大体积混凝土的温控、海洋工程的混凝土量庞大等技术难题。（2）机组设备方面自1984年加拿大为潮汐电站设计了全贯流机组，随后中国江夏等潮汐电站对贯流机组进行了50多年研究，虽然该机组比灯泡机组价格低廉了20%，但其转轮常被海生物困扰。2004年俄罗斯研制出类似风电场的“新型正交水轮机”，使潮汐发电设备成本得到实质性降低。正交水轮机设备的简单使电站的发电厂房结构相应土建工程和建筑物尺寸均有很大改进，同时厂房尾水管结构线形也非常简单明了，由此不但节约了厂房混凝土的工程量，同时其施工技术难度也相应地简化了许多。（3）电站运行及环境潮区钢筋混凝土建筑物没有损坏的迹象，而电化学腐蚀保护和生物污损[1]等问题已经有所解决。以上现象可由中国江夏潮汐电站及法国朗斯、俄罗斯基斯拉雅40多年的监测数据证明，由此也可证明潮汐能是一种环境友好的能源。（4）海工物理模型试验及数值仿真模拟根据目前所掌握信息，海洋潮汐能的海工整体性物理模型试验资料短缺。但数值仿真3模拟却在近几年有些许个例[3]。纵观以上潮汐能发电技术与经验，他们涵盖了电力系统性问题的解决、简化设备结构、降低施工技术难度以及极少数的水力实验等方面。但在工程布置与选址方案比较方面，其物理模型实验资料非常欠缺。2.2值得关注的事项江河水电研发历史经验告诉我们，整体物理模型实验可反映工程枢纽布置对工程修建后所处地域水的流动形态及路线的影响。水电（海洋水电更甚）工程规模大、投资额高，实际工程一旦在实施中出了问题，随时可能给自然环境、社会环境、人类生命、国家财产等造成重大损失，因而在海洋水电工程前期研究工作中，海工整体物理模型实验（以下简称WLMXSY）的作用更显其重要性。进一步来说，WLMXSY既可以为水电站工程选址、方案论证及其实施提供多重性研究，也可对多方案进行检验而提出最优方案，并且在整体WLMXSY的研究中，其工程实施状态也可以提前预知，这有助于水电设计方案的验证和修改从而使其更具科学性和合理性。总结江河水电经验，分析海洋水电工程特点，我们可以初步把海洋水电工程WLMXSY任务基本归结为：（1）研究枢纽布置方式对工程所在区潮差的影响度；（2）研究枢纽布置方式对水库海域实际纳潮量的影响；（3）研究枢纽布置对水库海域泥沙淤排的影响；（4）研究风波浪爬高对枢纽建筑物高度与发电水头的影响；（5）研究枢纽各坝段比例匹配度及装机规模与工程规模的匹配度；（6）研究潮汐能、波浪能、潮流能及风能太阳能综合开发的可能性。以上若干方面问题对潮汐电站的投资效益及运营效益有着至关重要的影响。3.潮汐电站投资效益因子的关联性潮汐电站投资效益的主要影响因子组织结构可如框图3.1所示。4图3.1潮汐能投资效益因子结构图如图3.1所示：①为保证问题突出，此处我们重点探讨a、b类因素（c、d等其他因子研究在此暂不作深度研讨）与电站投资效益的关联性及其技术路线。②为反映海洋的潮波风波在挡潮建筑物前沿的实际状况，为充分利用堤坝前波能及规模宏长的堤坝前沿空间，提出潮汐、波浪、潮流能等综合开发做尝试性联合开发研究。3.1效益因子的关联性潮汐电站投资效益如何，关键在于工程规模M、投资规模P、电站装机规模N（含年发电量E值）三者之间的匹配和谐情况。经进一步综合分析M、P、N三者关系，我们不难发现它们有如下紧密关系：装机效益经济指标式①发电效益经济指标式②式①及式②中：Xn，Xe--效益指标，以单位千瓦投资元或单位电度元计，与装机规模N及发电量成正比，与投资规模成反比。其中N--电站装机规模万千瓦计数，P--投资规模以万元计数，E--电站发电量以万度计数；（1）主要耗能因子分析潮汐电站投资额与工程规模成正比，受工程所处地的地质构造及地形地貌影响，基本与传统江河水电相似，因此潮汐电站选址及其布置方案优化工作尤显其重要。投资规模与装机规模成正比，说明电站的装机容量研究的重要性。因此可有：投资规模式③5工程规模式④式③中：M--工程规模以工程等级计，N—电站装机容量,J—机组效率（本文暂不探讨）,G—施工技术水平（本文暂不探讨）。式④中：L--拦潮建筑物前沿最大长度，单位以米计；B--拦潮建筑物最大总厚度，单位以米计；C—潮汐电站发电厂房综合参数，与机组台数及转轮直径有关；X—泄水纳潮过流孔数及宽度，单位以米计。（2）主要增能因子的分析从效益指标Xn，Xe式①及式②中不难看出，效益与装机规模N及发电量成正比，而控制装机及发电量的主要因子从江河水电经验可初步看出，电站装机与发电水头、与发电水量成正比。结合海洋水文水情特点，这里的水头及水量与江河水电的水头水量的特点如下：发电水头：看似仅由潮差决定，因潮差自身量值小，而影响水头的因子有风浪、波浪、潮差增量等因素。发电水量：看似发电水量大小几乎不受限制，但经仔细分析实际参与发电的水量受电站的实际纳潮量等诸多因素影响。实际纳潮量：受拦潮闸坝与潮流方向的夹角影响，受拦潮闸坝的闸孔数量及空口尺寸大小及建筑物布置格局等因素影响。总结分析众多典型潮汐电站及众多资料后，在此可有如下因子关系：电站装机（或发电）规模N(或E)式⑤波浪爬高式⑥式⑤中：H—拟建工程之前工程所在海域原始自然潮差，单位以m计；Δh—修建工程后坝址处的潮差增量，单位以m计；δ—枢纽工程建后坝址处波浪爬高最大或平均高度，单位以m计；S—电站库容，单位以m2计；Q--电站实际纳潮量，单位以m3/s计；6q1、q2--潮(海)流来量，矢量值。式⑥中：F—风级数；Ss—港湾面积，单位以m2计。总结陆地江河水电站效益经验，分析潮汐电站效益状况，与潮汐能电站效益有关的主要控制因子可归结有：潮差H、潮差增量Δh、库容S、电站实际纳潮量Q、风级F、波浪爬高δ、潮(海)流来量q1与q2等参数。因此我们可以从不同方面来研究分析以上自然因素与工程建设效益的关联性。3.2效益因子的经验公式据现有潮汐能文献信息，潮汐能可开发装机容量N与年发电量E的经验公式[4]有：装机容量N=H2*S*200式⑦年发电量E=0.55*106*H2S(kW·h)式⑧式⑦及式⑧表明潮差H、库容S值控制着电站装机规模，尽管众多文献说明潮差H量值较小[2]。但在潮汐水电站效益研究分析中，我们不应放弃或轻视任何可能获得效益的因素，因为海洋水电的开发对于我们来说仍是一门新学科，因此在潮差H与库容S（或纳潮量）值的研究中，现实是需要在跳出原来的思维框框对影响投资的枢纽工程布置与规模等因子做更多研讨。衡量潮汐电站工程开发效益指标的经验公式有：装机与工程规模匹配度[2]：K=K1×K2或K=N2/（Lh）式⑨其中K1=N/L式⑩K2=N/h式⑩以上各式中：K1——单位堤坝长的单位装机系数；K2——单位堤坝高的单位装机系数；L——挡潮建筑物前沿总长，单位是m；h——挡潮建筑物高度，单位是m；N——电站装机容量，单位是MW；Kn的单位是用MW/m来衡量。其中Kn与K值越大，说明潮汐电站装机规模与建筑工程规模匹配度越好。73.3有待进一步研究的问题总结分析以上内容，未来急需探讨的经验公式任务仍很艰巨，不但判别潮汐电站枢纽工程各坝段比例匹配度、拦潮前沿流道与纳潮量及机组台数匹配度等效益指标经验公式仍待进一步探讨，其他众多海洋水电工程技术问题的理论体系仍需投入很大力量来创建分析研究，因此潮汐电站进入电力市场竞争的道路仍是艰巨而漫长。4海洋水电增能降耗的技术路线4.1增能与降耗的因子分析汇总前文工程投资效益因子关联性中的内容有：工程投资经济效益指标或式①式②投资规模式③工程规模式④式①或式②中经济效益指标Xn（或Xe）与投资额P成反比，与装机N(或E)成正比。因此“增能与降耗”研讨工作宜从如何增加装机N(或E)和降低投资额P两方面来入手。撇开式③中其他因子单看M即可发现，工程规模M与P成正比关系。进一步分析工程规模，式④中M与L（拦潮建筑物前沿最大长度）、B（拦潮建筑物最大总厚度）、C（潮汐电站发电厂房综合参数,与装机台数及转轮直径有关）、X（泄水纳潮过流孔数及宽度）成正比。由以上分析可以清晰看到，工程选址（即坝址、坝线选择）及枢纽布置的研究对投资效益有至关重要的影响。陆地江河水电工程建设经验告诉我们，坝址、坝线选择及枢纽布置影响着工程效益，而海洋水电工程坝址、坝线选择及枢纽布置同样也将对其效益产生更大影响。4.2增能因子水头的增量分析分析电站效益指标式：8电站装机规模N(或E)式⑤波浪爬高式⑥式⑤电站装机或发电量与潮差增量Δh、波高δ等因子成正比，除潮差H、库海域面积外，在此着重就潮差增量Δh、波高δ两因子做进一步分析。（1）潮差增量的玄机分析众多潮汐资料不难发现，海洋