Transcript 海流能电站站址优化方法研究

电力总图运输设计
技术交流会论文
海流能电站站址位置
优化方法研究
二○一三年三月
2015年4月13日星期一
济南
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海流能电站站址位置优化方法研究
主要汇报内容
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引言
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海流能发电的国内外发展现状
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海流能电站的特点及难点
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站址选择的影响因素分析
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海流能电站站址选择优化研究
6
结论
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海流能电站站址位置优化方法研究
一、引言
本文旨在针对海流能电站的特点，结合工程实践，基于合理的电
站总体布置方案，阐述海流能电站站址选择的主要原则、技术要求及
应注意的问题，提出站址位置的优化方法，供业内同行参考。
全世界海洋能的可再生能量近800亿kW，浩瀚的大海蕴藏着巨大
的可再生能源，主要包括波浪能、海流能、潮汐能、温差能和盐差能
等。在各种海洋能中，海流能因其巨大的蕴藏量和可预测性，是目前
最具有开发潜力的清洁能源之一。
全世界海流能理论估算值约为1×108kW量级。其中，中国沿海
海流能的年平均功率理论值约为1400×104kW。山东、辽宁、浙江
、福建和台湾沿海等地的海流能较为丰富，具有良好的开发价值。
我国拥有18000km 的海岸线，300多万km2 的海域，海流能资
源十分丰富，利用价值极高。
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二、海流能发电的国内外发展现状
2.1 海流能发电国外发展现状概述
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与其他海洋能相比，海流能研究起步较晚，仅于20世纪70年代初开始。
目前从事海流能技术研究开发的主要有美国、英国、加拿大、日本、意大
利和中国等。
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美国于1985年在墨西哥湾试验小型海流透平，2kW的装置悬吊在研究船
下50m 处。
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加拿大进行了类似垂直风力机的5kW海流透平试验。
日本于1980～1982年在河流中进行的抽水试验， 1988年安装在海底的
215kW 海流机组，该装置连续运行近1年时间。

英国IT动力公司于90年代初起，联合几家公司开始海流发电研究。1994
年夏季，在苏格兰近海对一种水下风车式水平轴流发电装置进行了试验，该装
置当流速2.5m/s时，出力达15kW。
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1998年意大利阿基米德桥公司完成40kW试验电站初步设计。
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二、海流能发电的国内外发展现状
2.2 海流能发电国内发展现状概述
中国是世界上海流能功率密度最大的地区之一，特别是浙江舟山
群岛的龟山、金塘和西侯门水道，平均功率密度在20kW/m2，开发条
件很好。
70年代，我国舟山的何世钧进行海流能开发，仅用几千元钱建造
了一个试验装置，得到613kW的电力输出。
80年初，哈尔滨工程大学开始研究直叶片新型海流透平，获得较
高的效率，开发出千瓦级装置在河流中进行试验。
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三、海流能电站的特点及难点
3.1 海流能电站的特点
海流能和其他能源相比，具有资源丰富、无污染、占用陆地少和
可再生，取之不尽，用之不竭等优点，但同时也存在如能量密度小、
稳定性差、设备材料及技术要求高、成本较高等方面的不足。
3.2 海流能电站的难点
由于海水的密度约为空气的1000倍，而且海流能发电装置必须放
在水下，故海流发电存在一系列技术问题，包括安装维护、电力输送
、海底电缆的敷设方式、防腐、海洋环境中载荷与安全性等，提高海
流能发电的经济性和稳定性。
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四、海流能电站站址选择的影响因素分析
海流能电站选址应以相应规划为基础，结合地区海域海洋使用及
规划的具体实施情况，根据选址区域的海流能资源、接入系统条件、
交通运输条件、海洋水文和地质条件和环境保护要求等多方面因素进
行综合考虑。海流能电站站址选择应遵循的一般原则如下：
（1）站址应符合海洋功能区划、海洋生态保护区规划、自然风景
区等相关规划的要求。
（2）站址区域应具有较好的海洋水文、地质、接入系统、交通运
输等建设条件。
（3）站址区域应具有丰富、稳定的海流能资源。
（4）站址应符合生态保护要求，尽量减少对周边自然保护区和渔
业的影响。
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四、海流能电站站址选择的影响因素分析
（5）站址应避开锚地、航道、禁航区，尽量减少对航路的影响。
（6）站址应避开电力、通信、油气等海底管线的保护范围。
（7）站址应避开军事设施涉及的范围。
（8）站址海域部分应尽量靠近海岸，减少海底电缆敷设长度。
（9）站址应考虑基础施工条件和施工设备要求，提高海流能电站
的经济性，站址处水深一般控制在30m左右为宜。
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五、海流能电站站址选择优化研究
本文旨在以某海流能示范电站工程实践为依托，基于既定的电站
总体布置方案，深入研究探讨站址具体位置的优化方法。现将某海流
能示范电站站址总体规划及总平面布置方案简述如下：
5.1 海流能示范电站总体规划及总平面布置方案
本工程建设主要包括海域工程、陆域工程和辅助配套工程三部分
。其中，海域工程占地约为3.75hm2，建设内容为海流发电机组基础
工程、上部工作平台、海流发电机组、海底电缆工程；陆域工程占地
约为7~8亩，建设内容为监控中心、新能源技术展示中心、生活辅助
建筑、简易码头等；辅助配套工程的建设内容为输电线路、道路、供
水与消防设施等。
5.1.1 电站总体规划
站址区地势平坦开阔，可利用面积南北长200m、东西宽150m
，能够满足建设4×300kW海流能发电机组的要求,并留有扩建条件。
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5.1.1.1 站址位置
本工程结合站址附近区域的风景区规划、海洋生态系统自然保护
区规划、海洋潮流能条件、交通运输条件，根据山东省沿海选址及本
示范工程“海流数值计算报告”的海流测量的基本工作数据，合理确
定站址位置。
本工程站址位于山东省某市最南端海域，东北侧依山，东南侧傍
水，站址周边海、陆交通便利，出线走廊开阔。站址位置如图5.11~2所示。
单元
站址
电缆
宗海
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界址线
面 积 (公 顷 )
2.25
1.20
3.45
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5.1.1.2 电站规模
本工程规划建设4×300kW海流能发电装置，本期建设
2×300kW海流能发电装置。
5.1.1.3 出线走廊
根据接入系统要求，本期工程出线1回10kV线路，出线向北，最
终接入站址北侧约3.0km处的某220kV变电站，出线走廊较为开阔。
站区内采用电缆出线，站区外采用架空线路出线。
5.1.1.4 水下发电设施
水下发电设施包括两组4台水轮发电装置，其位置应结合站址区域
海洋生态系统自然保护区规划，避开核心区范围，并充分考虑水深条
件、海流能条件等，目前暂定两组水下发电设施位于距海岸线约
650m，平均水深在30m处的海域范围内。两组水轮发电机中心线间
距间距初步暂定为100m。
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5.2 基于遗传算法的站址位置优化研究
5.2.1 建立宏观费用控制模型
宏观费用控制模型是指将影响海流能电站位置的主要因素统筹考
虑，并建立其与项目费用之间的函数关系，精确反映海流能电站站址
位置变化对可变项目费用（随站址位置变化而变化的费用）的影响强
度，进而确定最优站址位置。
5.2.1.1 目标函数
本文将可变项目费用作为目标函数，综合考虑海域条件、海流条
件、电力输送、交通运输等主要影响因子的建设费用、运输费用和项
目收益，建立流能电站站址位置优化模型。具体函数模型如下：
n 2
min f ( x, y)   f ( xi , yi )
i 1
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5.2.1.1 目标函数
f ( x, y ) 为宏观费用控制模型函数值；
f ( xi , yi ) 为第个模型影响因子的函数值；
（1）因素1：站址位置与工程造价间的函数。站址位置的变化将
引起工程造价主要是海底电缆费用的变化。通过模拟，建立两者间的
函数关系，作为站址优化的一个重要方面参与优化计算。
（2）因素2：站址位置与电站出力的函数。不同的站址位置将对
应不同的海流条件，进而决定了电站的出力，将直接影响项目的收益
情况。通过模拟计算，建立两者间的函数关系，作为站址优化的一个
重要方面参与优化计算。
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5.2.1.2 约束条件
本文以不宜建站因素作为约束条件，如不适宜建站的海域范围、
水深条件、最小海流条件等作为约束条件，并通过程序设计加以控制
，当备选站址位置超出程序限定的界限后，目标函数值将返回无穷大
，程序将自动舍弃该点位，不予记录；进而确保优化结果的合理性和
广泛适用性。
5.2.2 优化结果分析
通过以上论述及实例分析可以看出，站址可供选择的范围很大，
即使经验丰富的设计人员，也很难准确判断出最优的站址位置，遗传
算法可有效地解决避免站址选择过程中的主观判定，缺乏数据支撑的
缺点。其优化结果客观性高，可靠性强，值得在今后的工程中推广应
用。在今后的工作中将进一步对模型的适用性和数据的可靠性进行校
验，确保优化的结果更加切合实际、更具可操作性。
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六、结论
本文针对站址位置选择优化问题，充分结合工程实践，深入探讨
站址选择的影响因素，并基于既定的合理的海流能电站总体布置方案
，通过建立一个以可变项目费用最少为目标，以多项不宜建站因素为
约束条件的非线性函数模型即宏观费用控制模型，并运用遗传算法对
目标函数进行优化计算，求解最优站址位置，从而达到降低工程造价
，节省社会资源的目的。经实例论证，取得了较好的结果。实践证明
遗传算法是一种较为有效的、准确的站址位置优化方法,具备应用到实
际工程的可行性和可操作性。在今后的研究工作中将继续深化和细化
函数模型，做到宏观与微观相结合，更加立体化和多元化，进而能够
更好的为工程实践服务。
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汇报完毕
谢谢大家！
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