電站動能計算及軟件開發(fā)范文
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1.1計算方法概述目前潮汐發(fā)電量等動能指標(biāo)，國內(nèi)外主要有理論分析法、水能調(diào)節(jié)法和水動力計算模型進行計算三種。理論分析法一般適用于電站選址初期資料缺乏的情況下做近似估算，所得結(jié)果較為粗略，一般情況只須知道庫區(qū)面積及平均潮差，即可估算可能的年發(fā)電量及相應(yīng)裝機容量；在國際上的設(shè)計實踐及文獻中，采用最多是伯恩斯坦[3]提出的適用于正規(guī)半日潮和非正規(guī)潮半日潮的計算公式；我國在第二次全國沿岸潮汐能資源普查時，正規(guī)半日潮港潮汐電站可開發(fā)裝機容量N和年發(fā)電量E分別采用公式：N=225FA2，雙向潮汐電站：E=0.55×106FA2，單向潮汐電站：E=0.40×106FA2，式中：N為理論功率，kW；E為潮汐能年理論儲量，kW•h；A為平均潮差，m；F為水庫面積，km2。規(guī)劃設(shè)計階段對重要的大中型電站，特別是進入可行性研究和初步設(shè)計階段，則對電站裝機規(guī)模和年發(fā)電量確定要求建立水能調(diào)節(jié)計算過程進行較準(zhǔn)確的分析計算。另外，如果電站庫區(qū)為較狹窄的海港且有一定數(shù)量的斷面地形資料，可建立一維水力計算模型，對于開闊的海域可采用二維水力計算模型并耦合機組發(fā)電過程，計算過程一般較為復(fù)雜。
1.2長系列水能調(diào)節(jié)計算本文將建立長系列水能調(diào)節(jié)計算模型編寫較通用的計算程序，為提高計算成果精度，計算時段細化至0.1h。計算工作一般可分為三步：即基本資料準(zhǔn)備、水能調(diào)節(jié)計算與發(fā)電量計算。水能分析計算必須具備的基本資料為：逐時潮位過程線（典型或長歷時）、庫區(qū)庫容關(guān)系曲線、水輪機組運轉(zhuǎn)特性曲線、閘門泄流曲線（或計算公式）以及庫區(qū)最高、最低限制水位等。雖然潮汐電站根據(jù)開發(fā)利用方式不同，運行工況也不盡相同，但水能調(diào)節(jié)計算都遵循水量平衡原則，主要基本公式有：式中：ΔV為時段內(nèi)庫容差；ΔT為時段值；Q為時段進出總流量；Qfi為Ti時刻入庫流量，若無入庫徑流則為0；Qti為Ti時刻發(fā)電流量，落潮正向發(fā)電為正，漲潮反向發(fā)電時為負；Qzi為Ti時刻水閘流量，泄水時候為正，充水時為負；Qpi為Ti時刻水泵流量，泄水時候為正，充水時為負；Ni為Ti時刻發(fā)電機組出力；ρ為海水密度；g為重力加速度；η為機組效率；Ei為第i至i+1時段內(nèi)的電量；Esum為總電量。
2潮汐電站動能計算軟件設(shè)計
2.1軟件功能框架設(shè)計軟件開發(fā)基于Windows平臺采用VisualBasic6.0編程工具，快速構(gòu)建具有數(shù)據(jù)可視化、界面友好、操作簡單、統(tǒng)計方便等特點的潮汐電站動能計算軟件，本軟件目前已向國家版權(quán)局取得了軟件著作權(quán)（登記號：2014SR025244）。軟件設(shè)計的主要功能模塊包括：①基本數(shù)據(jù)讀取。庫容關(guān)系曲線、潮位過程線，機組特性、閘門泄流曲線等。②水能調(diào)節(jié)計算。包括單庫單向、單庫雙向兩種潮汐電站類型有水能調(diào)節(jié)計算，對于多庫方案的調(diào)節(jié)計算有待進一步研究和開發(fā)。③統(tǒng)計輸出功能。包括年發(fā)電量和加權(quán)水頭等主要動能指標(biāo)輸出、逐時段計算過程輸出以及不同時間段進行統(tǒng)計等。④圖形展示功能。各類工作關(guān)系曲線繪制、計算過程數(shù)據(jù)可視化以及圖形打印輸出等。軟件系統(tǒng)功能框架如圖3所示。
2.2程序流程設(shè)計軟件的計算操作流程主要包括4個步驟流程：①選擇潮汐電站類型；②讀取基本數(shù)據(jù)和參數(shù)；③進行水能調(diào)節(jié)計算；④計算結(jié)果輸出保存。具體過程過圖4所示。以發(fā)電工況為例，充水、泄水和抽水等工況計算，步驟與此類似，從相應(yīng)的工作曲線上根據(jù)水頭查找或計算相應(yīng)的流量，進行水量平衡調(diào)節(jié)計算，計算步驟見圖5。
2.3軟件界面設(shè)計本軟件界面主窗口主要有五部分組成：菜單、工具條、左視圖、底視圖和主視圖。其中左視圖為樹狀文件瀏覽、主視圖為顯示標(biāo)簽頁的數(shù)據(jù)和圖形，主視圖為顯示標(biāo)簽頁的數(shù)據(jù)和圖形，采用標(biāo)簽頁的形式，頂部包含基本數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、成果圖形顯示、程序幫助說明等，基本數(shù)據(jù)里包括水位庫容、潮位過程、機組參數(shù)、閘門參數(shù)等四個分項；總體界面如圖6~圖8所示。
3應(yīng)用實例
3.1甌飛潮汐電站概況溫州甌飛潮汐電站位于浙江省溫州市甌江至飛云江間的甌飛一期圍墾工程外的灘涂區(qū)域，壩址距離溫州市約12km，如圖9所示。項目開發(fā)目標(biāo)為發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，同時進行防洪、港口、旅游、養(yǎng)殖、船舶避風(fēng)、交通等綜合開發(fā)和利用。溫州潮汐電站是基于圍海而開發(fā)的潮汐電站，不適于作多庫式開發(fā)，由于該區(qū)域平均潮差只有4.00m左右，規(guī)劃設(shè)計階段按單庫單向發(fā)電進行研究。主要建設(shè)物包括：潮汐電站（規(guī)劃裝機約450MW）、圍堤及水閘、船閘等其他相關(guān)工程，電站建成后將超過目前裝機容量最大的法國郎思潮汐電站（240MW）。
3.2調(diào)節(jié)計算1）基本資料①本區(qū)域潮汐為正規(guī)半日潮，潮汐過程為1991~1993年逐時過程，為提高計算精度，潮汐過程在程序中以0.1h時段進行細化插值計算。②水位~庫容曲線采用庫區(qū)最新地形圖量算，庫區(qū)在-3m~-10m等深線范圍內(nèi)，水庫面積約45萬畝，有效庫容約10億m3，發(fā)電運行水位范圍0.5m~3.5m。水位庫容關(guān)系曲線值見表1。③燈泡貫流式機組出力運轉(zhuǎn)特性曲線。裝機容量初擬450MW(單機5MW×90臺)，額定水頭為3.00m，最低發(fā)電水頭為1.5m，機組發(fā)電過程中水頭損失取0.5m。機組特性運轉(zhuǎn)曲線值見表2。④泄水閘初擬50孔×20m高,泄流總凈寬1000m，泄水閘底高程為-10.0m。2）電站動能指標(biāo)經(jīng)過水能調(diào)節(jié)分析，通過研制的計算軟件輸出逐時過程分析并通過手動計算驗算過程的正確合理性，最后得出電站主要動能指標(biāo)見表3，同時可以輸出不同水頭段的發(fā)電量，以便進一步優(yōu)化機組選型和發(fā)電優(yōu)化調(diào)度。
4結(jié)語
本文通過長系列的水能調(diào)節(jié)計算潮汐電站動能指標(biāo)，并研制了潮汐電站動能計算軟件，計算時段可細化至0.1h，且具有數(shù)據(jù)可視化、界面友好、計算快速、統(tǒng)計方便等特點，并獲得了軟件著作權(quán)，通過工程實例應(yīng)用表明，計算成果能滿足潮汐電站規(guī)劃設(shè)計階段要求，本軟件有較大的實際應(yīng)用和推廣價值。對于多庫建設(shè)方案潮汐電站的動能調(diào)節(jié)計算有待進一步的研究。
作者：舒全英 盧曉燕 鄭雄偉 單位：浙江省水利水電勘測設(shè)計院
