橡胶坝与潮汐发电站的结合方案精

1、橡胶坝与潮汐发电站的结合方案论文摘要：本方案将橡胶坝与潮汐发电站结合成一种新型的水工结构，以 提高潮汐能的开发利用率。主要设计方案包括以下两个方面：(1)坝体结构：拟选址在开阔的大面积海湾，以浮运坝块作为坝基，其上加筑一定高程橡胶坝作 为挡水建筑物。橡胶坝坝体采用堵头式双向受力充水橡胶坝，双线锚固，多节 搭缝。厂房布置采用河床式，水轮机选用灯泡贯流式，以适应坝高，并可用于 双向发电。(2)运行方式：充分利用橡胶坝操作灵活的特点，在涨潮时，打开放 水系统，放出坝袋内的水，降低坝顶高程，使水流快速流进水库。当水库内水 位达到最大值时，利用水泵向坝袋内充水，升高坝顶高程，挡水蓄能。根据电 网用电负荷

2、要求控制电站发电时间、功率，在用电高峰期时放水发电，起到削 峰填谷、蓄能发电的效果。论文关键词：橡胶坝，潮汐电站，蓄能.研究背景能源是决定人类生存和发展的重要物质基础。在当前科学技术水平下，能 量需求主要靠有机燃料、河流水能和原子能满足。有机燃料提供的电能约占百 分之七八十，而有机燃料是不可再生资源，且会造成环境污染。水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于 提高资源利用率和经济社会综合效益。我国是水力资源较丰富的国家，但分布 不均，在沿海经济发达地区恰恰缺乏水力资源。我国在开发可再生能源上做出了大量努力，例如大力开发潮汐能用于辅助 缓解电网紧张，潮汐发电站在有一定

3、潮差的沿海地带建造，多以水工建筑物和 周围自然挡水体围成水库。电站工作过程中，根据潮汐规律，将潮汐所蕴含的 能量以潮水位能的形式储存在水库中，当水库内外潮差达到发电条件时，泄水 发电。其发电方式主要有三种：单库单向电站，即只用一个水库，仅在涨潮时(或落潮)发电。单库双向电站，用一个水库，涨潮与落潮时均可发电，平潮时不发电。双库双向电站，用两个相邻的水库，使一个水库在涨潮时进水，另一个水 库在落潮时放水，这样前一个水位总比后一个水位高，故前者称为上水库，后 者称为下水库。水轮发电机组放在两个水库之间的隔坝内，两水库始终保持着水位差，可全天发电。但现有潮汐电站又有以下缺点：(1)潮汐电站建在港湾海

4、口，施工、地基处理及防淤等问题较困难。故工期长， 土建和机电投资大，造价较高。 潮汐发电站靠水闸进水，水闸操作相对不灵活，进水速度慢且进水量有限， 另外钢闸门易发生锈蚀现象。潮汐变化周期为太阴日(24h50min),月循环约为14天多，每天高潮落后 约50min,故与按太阳日给出的日需电负荷图配合度较差。由于以上因素的制约，使得潮汐能的开发利用率不高。兴起于上世纪60年代的橡胶坝经过半个多世纪的发展，逐渐有了完善成熟的技术。橡胶坝依靠充 胀的坝袋挡水并承担各种荷载，这些荷载通过坝袋胶布传递给设在基础底板上 的锚固系统。坝袋和锚固系统是橡胶坝能否安全稳定运行的关键结构。橡胶坝 的控制系统简单可靠

5、，陆上河流中的橡胶坝，在平时主要是以充胀的形式发挥 当水作用；在汛期或是需要坍坝时通过手动操作或激活自动系统打开控制阀 门，排空坝袋内的水，将坝袋坍落到底板上，即可复原河道的行洪断面。橡胶坝主要有以下优点：(1)节省三材(钢、木、水泥)，工程造价相对混凝土坝较低一般可减少投资 30%70% (2)坝体跨度大、不阻水、自重轻、抗震性能好。 坝高能灵活升降，涨潮时可坍坝过水，落潮时可开坝挡水。(4)橡胶坝袋可抗海水和海生物的侵害，不会发生类似钢闸门的锈蚀现象，是防 潮、御咸的较理想的水工建筑物。(5)结构简单，施工期短，一般为36个月。橡胶坝的这些优点可以在一定程度上弥补现有潮汐电站的一些不足，因

6、此 结合二者，可提高对潮汐能的利用率，且可为大规模开发潮汐能提供技术保.可行性研究技术可行性潮汐电站经过半个多世纪的发展，在挡水建筑物的建设上已较成熟。主要 有土石坝、浮运坝块、混合式结构(前两种形式混合)三种，可视具体工程择 优而定。橡胶坝方面，橡胶工艺发展迅速，使坝袋性能日趋完善。目前坝袋橡胶胶料配 方主要有氯丁橡胶配方及氯丁橡胶与天然橡胶混合的配方。氯丁橡胶的综合性 能好，其耐光、耐热、耐老化、耐油及耐腐蚀性均优于天然橡胶，且耐天候、 耐燃性更突出。近几年又有学者提出坝袋胶料并用无极性、具有饱和结构的橡 胶和弹性体(如三元乙丙橡胶与氯磺化聚乙烯等)混炼的配方，可更进一步提 高坝袋的耐老化

7、性能。坝袋加工工艺亦日趋发展，主要坝袋形式有斜坡式坝袋和堵头式坝袋可供 选择，在坝袋安装形式上分为单节和多节搭缝式橡胶坝。坝袋胶布从平纹锦纶帆布、网眼锦纶高强浸渍坝袋发展到现在的双层钢丝网坝 袋和钢丝骨架坝袋，其力学和耐用等主要性能也日趋优化，可应用范围也越来 越大。坝袋在其基座上的锚固是一项关键技术。锚周线的布置可分为单锚周线和双锚 固线两种，在本方案中仅有双锚固线适合，另外其布置可分为基础底板和边坡 (岸墙)两部分。锚固结构形式，按锚固坝袋的方式可分为穿孔锚固和不穿孔 锚固；按锚固构件材料，分为螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固和胶囊充水式 锚固。在优化发电方面，可综合考虑当地用电负荷曲线、潮

8、高变化曲线等特点，确定 参数来编制计算机程序，用以控制电站的运作。这种自动化在国外已有长足发 展，在我国尚处于研究阶段，但也已有多年的研究经验，技术越来越成熟。经济可行性投资成本方面，从坝体剖面图看来，一定高程的坝体被橡胶坝袋代替，无 论从材料加工成、运输成本，还是工程建设成本都有一定程度的较少。 电站效益方面，由于橡胶坝挡水建筑物可增大进水前缘，故可大量快速蓄水， 增加发电量；另外以蓄能电站的方式，根据用电负荷在合理时间发电，可优化 能源的利用，提高了潮汐能源的综合效益。安全可行性(1)本方案坝体可能存在的主要安全隐患a.海水对坝袋的腐蚀，海洋生物带来的隐患；b.波浪和风浪对坝体的冲击，及其

9、引起的坝袋振动；c.频繁坍坝开坝对坝袋基线处的折损；d.漂浮物影响；e.光热氧使坝袋橡胶易老化；f. 人为破坏。(2)解决方案a.针对此问题，可从坝袋材料即橡胶胶料配方入手解决。危仲桢、陈博 坚等学者于1986年在广东湛江市对橡胶坝耐海水性和海生物侵蚀问题进行了深 入研究。并有资料表明，北戴河橡胶坝坝袋下游长期接触海水，自建成后至 1997年，原坝袋已经安全使用18年，经常接触海水的部分与其他部分相比并 没有明显变化。此坝袋用的是氯丁橡胶，可见海水对氯丁橡胶配方的橡胶坝袋 没有明显的腐蚀作用。b.这个问题主要从两方面解决。一方面，在坝袋胶布的选择上，可选择 力学性能较好且有成熟应用经验的双层钢

10、丝网坝袋或钢丝骨架坝袋；另一方 面，在设计阶段，可根据坝袋截面尺寸、选用材料及当地水文条件统计资料， 合理设计坝袋分段长度。c.这一损害可以通过控制具体工作时的坝袋变形程度来降低。即坍坝可 以不完全，只要满足进水需要，在一定时间内可以蓄满水即可。比如，坝袋设 计工作高程3m蓄水需要2m的进水深度，那么就有1m的坍坝保护高程，即可 缓解基线处的折损。d.这一问题其实是所有海上建筑物都面临的问题，其解决要靠组织清 污。另外这不仅仅涉及到电站本身，更与相关海洋环保法律法规的制定和实施 有关。相信随着法制健全，再加上清污处理，双管齐下，一定可以将这一危害 降低到最小。e.光热氧的影响中，氧的作用是加速

11、老化的主要因素。氧在光、热的参 与下使坝袋材料发生自动氧化作用，从而导致坝袋橡胶的老化。然而对于本方 案中的坝袋，有很大部分时间是处于海水的覆盖之下，可以说是一层天然的隔 氧层，从而在一定程度上解决了这一问题。f. 人为破坏的可能性要比陆上水域建筑物小很多，只要加强管理和维护 就可避免坝体受损。环境可行性在建设材料生产时，原来一大部分的水泥、钢筋、土石料等被橡胶坝袋所 代替，在节约生产成本和运输成本的同时缩短生产时间，而且减少污染排放。 橡胶本来自于大自然，运用于工程中将是环境友好型工程。通过以上四个方面的可行性分析，可见本方案的实施有较高的可行性，且可增进潮汐电站的综合效益。.设计原理设计思

12、路根据潮汐发电站的工作原理一一通过涨潮落潮，利用水库内外水头差，带 动水轮机转动实现将潮汐能转化为电能。结合橡胶坝作为挡水建筑物，可以调 节坝顶高程，以简单可靠的控制系统，在涨潮或是需要坍坝时，通过手动或激 活自动系统，打开排水系统，放出坝带内的水，降低坝顶高程；在落潮或需要 开坝时，利用水泵向坝袋内充水，即可实现水库快速蓄水。橡胶坝依靠充胀的 袋体挡水并承担各种荷载，可大量蓄水。根据电网用电负荷要求控制电站发电 时间、功率，起到削峰填谷、优化发电的效果。整体设计(1)选址本方案拟选址在一大面积海湾(如图1),海湾地形、地质、含沙、风浪条 件良好，口小肚大，坝址水深较浅，最深处 20m海湾多年

13、平均最大潮差为 5m,水库平土面积为20km2蓄水量可达1xi09m3蕴含?18汐能100MW/(2)输出功率及水轮机的选用对于小型潮汐水电站或规划开始阶段的大中型潮汐电站，往往由于资料不 足等原因，不具备水能计算分析的条件，不得不利用近似公式来估算潮汐电站 的装机容量。潮汐电站是利用潮汐的位能，潮汐能源蕴藏量近似地与平均库区 面积，平均潮差的平方两者乘积成正比例。电站是利用资源的一种设施，具规 模必然和资源量多少相称，故也应有类似的比例关系即 ：P=KX H2XS(1)式中 P装机容量，KW;H-平均潮差，m;S平均库区面积，kR;K一经验系数。严格地讲，式中的 不能用一个常数表示，而是一个

14、函数，其自变量有水库 地形特征、潮汐特征、机组型式、运行方式、电站效率和电站补充单位千瓦造 价等。然而对一些潮汐电站经详细的水能调节计算所给定的合理装机容量与上 式作对照，知 值有一个不大的变化范围。在我国开展的第二次全国潮汐能源普 查工作中，推荐可开发潮汐能资源的装机容量估算公式为(考虑到综合效率， 包括机械效率，配电效率等)。P=200X H？X S 式可作为目前潮汐电站装机容量估算公式。在本方案中，经用以上方法估算，装机容量为100MW；采用大直径低转速的灯 泡贯流式水轮机组，单机装机容量是 5MW设计装置水轮机20台。(3)工程结构设计整个工程轴线长644m在沿轴线方向主要分为挡水建筑

15、物、厂房等建筑 物，长度分别为404m 240m坝顶及厂房顶部设公路桥。在挡水建筑物段，底部设计为浮运坝块式坝体，其上底面为橡胶坝的基底，按 照橡胶坝基底设计建造，内部装置橡胶充排水系统。上部橡胶坝，充水后工作 高程设计为3m坝体采用堵头式双向受力充水橡胶坝，双线锚固，多节搭缝， 每节长度为78m (不含堵头边墩宽度)。橡胶坝上空架设公路桥连接海湾两岸 交通，单拱长19m (含一侧桥墩)，桥墩宽1m,连接在下部坝体上。四段桥拱 为一节橡胶坝，桥墩兼作为橡胶坝堵头和加固防护结构，橡胶选用氯丁橡胶， 坝袋选用钢丝骨架坝袋，内外皆附着橡胶层。为降低海浪引起的坝袋振动，坝 袋工作断面近似设计为半椭圆形

16、(如图 2)。橡胶坝充排水建筑物建在泄水建 筑物与厂房连接处的公路一旁，坝袋充水水源引用海水，借助水泵充排水。厂房按潮汐电站常规厂房设计，水轮机采用灯泡贯流式水轮机。灯泡贯流式水 轮机的水利效率比较高，单位转速和单位流量也比较大，有利于缩小机组和厂 房尺寸，大中型贯流式水轮机多采用灯泡型。虽然它对发电机的密封、通风和 散热等提出了较高的要求，但从法国朗斯潮汐电站灯泡机组投入运行以来已积 累了许多成功的经验，目前国内外运用得比较广泛。另外，灯泡贯流式水轮机 容易改造成双向运转形式，满足本方案中机组双向发电的要求。工程运行方式本方案运用潮汐电站的双向发电原理。当开始涨潮时，打开水轮机进水口 开始发

17、电，同时运用橡胶坝操作灵活、进水前缘大的特点，排水坍坝，使大量 的潮水能够快速地流进水库；当达到最高潮位时，关闭水轮机进水口，同时开 坝挡水，蓄起最大潮水位能。橡胶坝高程根据潮汐变化规律用计算机系统控 制。电站发电时间和功率调节以电网用电负荷为依据，在用电基荷情况下下少 发电或不发电，在用电高峰期集中发电，起到削峰填谷，优化发电的效果。关键技术(1)挡水建筑物坝体剖面设计挡水建筑物分两层。下层运用浮运坝块技术建造，最大坝高 20m坡度 i：i ,坝底最大宽度54m基座顶宽14m上底部分按照橡胶坝基底结构设计； 上层为橡胶坝袋，采用近似半椭圆形设计，符合双向受力的特点，椭圆方程与 设计图如下：(

18、2)工作时间控制系统时间控制系统是电站工作运转的重要依据。因潮汐现象本身有规律性，较 容易准确预测，而当地的用电负荷则以 24小时为周期做变化不大的重复。综合 考虑这两个重要因素，设计出电站的工作时间表，控制电站蓄水和发电，使发 电达到最优化，最大价值化。(3)橡胶材料水轮机类型的选择根据以往工程实例经验(北戴河橡胶坝和江厦潮汐电站)，坝袋选择受力 条件好且耐海水腐蚀的内外双层涂氯丁橡胶的钢丝骨架坝袋，水轮机选择灯泡 贯流式水轮机，其尺寸合适用于大中型厂房，另外容易改装为双向发电的机 组，有利于充分开发能源。(4)橡胶坝充排水系统本方案采用动力式系统充水，采用水泵抽水直接充入坝袋，水源就选用过 滤后的海水，清洁且含沙量少。在涨潮排水时，库内水位低。再利用海侧的潮 差压力，即可将坝袋内的水自流排出。.创新特色橡胶坝建设简单，建设材料用量少，节省费用，而且材料的来源及加工过 程绿色环保。以橡胶坝坝顶过水蓄能代替现有潮汐电站通过水闸蓄能，使操作更灵活， 并增大了进水前缘，电站可以更快更多地蓄水。根据潮汐变化规律和用电负荷统计规律设定电站运作时间，采用蓄能发电 的形式，优化发电，使潮汐能的开发更加优化。.应用前景及结语我国沿海地带潮