新能源开发 文章编号:1006-0081(2009)10-0037-05世界潮汐发电发展前景展望[俄] I .N .尤萨切夫 摘要:近几年,潮汐电站土建工程中漂浮沉箱的应用和新发电设备的开发,使潮汐能源工程的建设费用大大降低。
对潮汐发电的发展现状和漂浮沉箱技术的应用情况进行了综述。
以俄罗斯基斯拉雅潮汐电站为例,说明了潮汐电站在系统保障、结构安全、环境安全等方面取得的进展。
简要介绍了潮汐发电设备革新、潮汐发电经济论证和潮汐能备选用途等方面的情况。
关键词:潮汐电站;土建工程;漂浮沉箱;世界中图分类号:TV 744 文献标识码:A 在过去10a ,世界各国对可再生的和环境上安全的潮汐能(其蕴藏量可以与常规的水电蕴藏量相比)的开发兴趣显著增加。
在俄罗斯,基斯拉雅潮汐电站漂浮沉箱(不用围堰)的概念,以及使建设费用大为降低的新型正交水轮机的制造,重新唤起了人们对潮汐电站的关注。
2006年,开发了俄罗斯潮汐电站所特有的漂浮沉箱设备,正交水轮机的直径为5m 。
基于这一概念,目前,图古尔、梅津和科尔斯克3座潮汐工程正在进行中。
1 潮汐发电发展现状目前,世界上有几座商业运行的潮汐电站:法国朗斯电站(1966年投运)、俄罗斯基斯拉雅试验电站(1968年投运)、加拿大安纳波利斯电站(1984年投运)以及中国的8座微型潮汐电站。
韩国的始华(Sihw a )潮汐工程正在施工中,英国和加拿大已经开展了大型潮汐电站的设计工作。
印度、澳大利亚和俄罗斯也在设计潮汐电站。
俄罗斯的潮汐工程有:白海的梅津电站、鄂霍茨克海南部的图古尔电站和巴伦支海的科尔斯克电站。
表1示出了世界上部分已建、在建和拟建的潮汐电站。
世界潮汐能的理论蕴藏量估计为4000GW ,与可利用的水电蕴藏量相当。
当前研究的139座沿海潮汐电站的总装机容量估计为810GW ,可能发电量为2000TW ·h ,其中俄罗斯分别占115GW 和260TW ·h 。
表1 世界部分已建、在建和拟建潮汐电站国家电站装机容量/GW年发电量/TW ·h水轮机类型转轮直径/m状态法国朗斯0.2400.50灯泡式5.301966年投运俄罗斯基斯拉雅0.4000.01灯泡式3.301968年投运加拿大安纳波利斯0.0190.03全贯流式8.601984年投运韩国始华0.2540.55灯泡式5.82在建英国塞文8.64017.00灯泡式9.101989年设计报告英国默西0.7001.40轴流式8.001992年设计报告俄罗斯图古尔8.00019.50轴流式10.001994年可行性报告5.18016.00正交式5.002006年可行性报告俄罗斯梅津11.40038.90正交式10.001999年可行性研究正交式5.002006年可行性报告收稿日期:2009-05-28 2009年10月 水利水电快报 EWRHI 第30卷第10期 DOI :10.15974/j .cn ki .slsd kb .2009.10.009 潮汐发电的主要优点是具有月平均规律性。
另一方面,潮汐发电的主要特点是具有日变化和月变化。
潮汐发电不均匀性的问题实质上在20世纪下半叶通过建立大型电力系统业已得到解决。
这些大型电力系统通过保障水电站和火电站的联合运行能够吸收潮汐电站所发的电量。
2 漂浮沉箱技术的应用世界试验潮汐电站,法国朗斯电站采用常规方法(采用围堰保护)建造,其建设费用似乎比替代水电站的费用高出一倍。
俄罗斯基斯拉雅潮汐电站,通过应用漂浮沉箱技术(不用围堰,属世界首创),使得建设费用显著减少,可以减少1/3以上。
该电站的施工大力推动了漂浮沉箱技术在海洋燃料与电力建筑物、火电站、水下隧道、水下输电线等工程施工中的应用。
本文仅着重介绍漂浮沉箱技术在水电站工程施工中的应用情况。
1982年,美国在俄亥俄河上的格里纳普坝处修建拉夫电站厂房。
该电站厂房的沉箱构件在法国建造,拖运需横穿大西洋,溯密西西比河而上,全程6600km,历时35d。
1990年,将该电站厂房施工中取得的经验应用于S.J.默里水电站,其沉箱构件的尺寸为139m×44m×38m,在新奥尔良船坞制造。
制作完成后,沿密西西比河拖运到维代利亚镇的施工现场,建设费用节省了45%。
在俄罗斯,在基斯拉雅潮汐电站施工中取得的施工经验,在跨过卡霍夫卡水库的330kV架空输电线支架的沉箱基础施工中,以及在圣彼得堡防洪系统大型泄水建筑物(130m×52m)的沉箱施工中都得到了应用,前者节省费用39%。
这些沉箱构件是梅津潮汐电站和图古尔潮汐电站100m×40m电站厂房构件的原型。
基斯拉雅工程对世界范围内潮汐发电的发展具有重要的意义。
该工程不仅取得了漂浮技术的经验,而且成为40a成功运行的范例,特别是关于系统保障和环境与结构安全方面。
3 系统保障基斯拉雅潮汐电站的运行,证明了在电力系统中有效包括潮汐发电容量的可行性,利用潮汐能的优越特性(每月的能量不变),潮汐电站既可担负峰荷,也可担负基荷;还证明了通过电网吸收潮汐的日、月不均匀性的可能性。
试验性地应用异步化同步电动发电机,可以使发电量增加5%。
在所有大型潮汐电站的最新设计中,都是采用单水池的方案,能以最经济有效的方式运行(在负荷曲线的底部)。
这种方案被称为“俄罗斯”方案。
4 结构安全基斯拉雅电站施工中使用的极端抗冻混凝土是专门为该电站设计的,对其进行了长达40a的研究,成果极具价值。
因为在易感潮的北极海洋的条件下,钢筋混凝土遭受损坏一直被认为是不可避免的。
该电站厂房混凝土的设计强度为40M Pa,采用硬度计与超声法(包括水下测试法)对混凝土强度进行了测试,结果表明,目前所有工作区的混凝土强度都超过了69M Pa。
混凝土的抗渗性也超过B14级混凝土。
而且,极其重要的事实是:仅15cm厚、一直承受8～12m外侧水头的混凝土墙的内表面,自投入运行以来一直是干爽的。
混凝土抗冻试验证实其设计等级为F1000。
电站厂房的混凝土已经经受了1800多次冻融循环,一直都未探测出由于侵蚀、冰冻或其他原因造成的损坏。
在混凝土内也一直未发现侵蚀或其他损坏的迹象。
电站运行伊始,即对电站厂房的钢筋以及钢结构采用阴极保护系统进行充分的抗电化学腐蚀保护。
在没有实施这种保护的部位,腐蚀深度每年只有1mm。
利用专门为该电站设计的独特的电解系统对压力钢管进行抗生物侵蚀保护(而在没有实施保护的厂区,污损达230kg/m2),可以保证在电站整个运行过程中对压力管道的钢材和混凝土进行非常有效的保护,同时,还能保持环境友好。
为了对电站厂房及其基础的性状进行监测,在上部结构和下部结构内共埋设有608支仪器。
通过对40a的监测结果进行分析,可以得出以下结论:结构的耐久性非常优越,没有遭受到任何损坏,在北极严峻的气候条件下,甚至是在遭受到北极海水袭击的情况下,结构仍然完好无损。
在基础板中心部位测得的钢筋最大压应力为750kg/cm2,不超过允许值的0.22;结构中混凝土的最大受力状态估计为允许值的0.38。
对电站厂房进行的动力学研究表明:薄壁结构的刚度很大,超过基辅水电站和萨拉托夫水电站现浇电站厂房结构的刚度。
电站厂房沉箱构件安放在准备好的0.5m厚的水下砂基上,沉降均匀,为24～29mm。
1a之后,大部分(95%)沉降都较稳定,沉箱构件在基础上就位 2009年10月 水利水电快报 EWRHI 第30卷第10期 以后的6a内,沉降已完全稳定。
地下渗流的稳定性也取决于电站厂房沉降的稳定。
在土层中还没有追踪到管涌现象。
按照FIP的说明,基斯拉雅电站是北极地区耐久性最强的大型混凝土建筑物。
5 环境安全就环境影响来说,与火电站相比,潮汐电站的主要优点就是不向大气层排放废气。
此外,潮汐电站不淹没土地,也不涉及大坝安全问题,而且也不象核电站那样,不存在任何潜在的危险因素。
修建和运行挡潮坝,也不可避免地会产生一些不能接受的不利影响,然而与其他类型的电站相比,这些不利影响是可以忽略不计的。
修建潮汐电站具有以下优点:①可以形成有利的娱乐条件;②发挥抗暴风浪的护岸作用;③减缓大量水体紊动;④提供有利于水池内动植物群生长的清洁水(以增加生物量)。
此外,漂浮技术允许把主体工程从未开发的原始自然区转移到现有的沿海工业中心,从而可以避免阻断施工期间大海与水池之间水体的交换。
潮汐电站的建成,使得鱼从大海到水池的通行复杂化,不过根据理论数据和在基斯拉雅电站进行的原型测试(鱼群通过挡潮坝并被收集),所有接受试验的鱼(99%),在转速为45～72r/min时,都可以通过低水头转轮(灯泡式水轮机和正交水轮机),而且没有受到任何损害。
在挡潮坝稳定地进行水体交换的情况下进行了观测,结果表明:在水池内以及在邻近挡潮坝的海域内,动植物群的数量与种类组成,以及浮游生物的生物量仍然保持不变。
这说明2个相邻水域的动物群具有一致性;当构成鱼群主要饲料的浮游生物通过挡潮坝时,绝大多数(90%)仍保持原状。
挡潮坝上游和下游海床刷深的过程,在运行2a 以后就达到了动态平衡,冲刷过程趋于停止。
这也表明:在挡潮坝水池内,与天然条件相比,风暴现象消失,只有少量泥沙通过电站。
岩石动力学过程趋于减小,实际上没有发现海床变形。
根据对梅津海湾冬季空间监测结果的分析,以及在全俄水利工程研究院冰试验室所开展的冰对潮汐电站影响的模型试验研究,发现潮汐电站有助于减轻水池的冰封状态。
水中含盐量是影响海洋动物群生态状态的主要因素之一。
水盐度研究表明:如果在自然状态下,水盐度变化为0.07‰,那么在建有潮汐电站的情况下,其变化也许只是0.03‰,实际上可以忽略不计。
然而,挡潮坝可能引起水池内水体分层增加,致使表层水和底层水的盐度差可能增大0.2‰～0.3‰。
这样分层水体将从原来的位置稍向外海延伸,不过,这种改变没有任何实际意义。
在基斯拉雅电站挡潮坝水池所在的海域,自1924年以来,一直在进行环境监测,可以为世界各国论证大型挡潮坝工程的环境安全提供有价值的数据。
6 潮汐发电设备革新漂浮沉箱技术在潮汐电站施工中的应用已使工程的建设费用减少了45%,面临的下一个挑战是减少潮汐电站发电设备的成本,使其只有低水头电站发电设备成本的一半。
在法国朗斯电站安装了转轮直径为5.3m的灯泡式机组。
这些机组专门为潮汐电站设计,而且在落潮和涨潮条件下,能以扬水方式和泄水方式成功地运行。
不过,灯泡式水轮机组的结构很复杂,费用也很高。
1984年,在加拿大安纳波利斯电站安装了为潮汐电站新设计的全贯流式机组。
据估计,与常规的灯泡式机组相比,这种水轮机的成本要便宜20%,因此认为在拟建的大型潮汐电站中,完全可以用其取代灯泡式机组。
但遗憾的是,这种水轮机的转轮轮辋经常受到生物污损问题的困扰,因此将其应用于潮汐电站的试验仍在进行中。