張 旭，張 鵬，陳 昕

（長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢430010）

0 引言

抽水蓄能電站不但能調(diào)峰填谷，且啟動(dòng)迅速、運(yùn)行靈活，能快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，承擔(dān)著調(diào)峰調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動(dòng)等任務(wù)，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

利用江河湖泊淡水的抽水蓄能電站，常常會(huì)受到自然環(huán)境、氣候條件、地形地貌等客觀條件的限制，工程條件較好的站點(diǎn)已經(jīng)開發(fā)，新電站的選址日益困難。另一方面，我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的電力負(fù)荷峰谷日益增大，同時(shí)海上高速發(fā)展的新能源發(fā)電，沿海核電、海島燃油發(fā)電和多能互補(bǔ)供電系統(tǒng)等都亟需合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)來配合以解決其不穩(wěn)定性、間歇性等問題，因而，海水抽水蓄能技術(shù)越來越受到國家的重視。我國在《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出要推動(dòng)建設(shè)海水抽水蓄能電站示范項(xiàng)目，以填補(bǔ)我國在此領(lǐng)域的空白。

由于海水抽水蓄能電站的工程建設(shè)、運(yùn)行環(huán)境較淡水抽水蓄能電站的更為復(fù)雜，需重點(diǎn)關(guān)注電站在海洋環(huán)境下運(yùn)行的性能、壽命、穩(wěn)定性以及環(huán)境保護(hù)等問題。本文將主要對(duì)這些問題的影響因素進(jìn)行探討，并在國內(nèi)外研究和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一些解決方案。最后，本文將結(jié)合我國的實(shí)際情況探討海水抽水蓄能電站與新能源聯(lián)合運(yùn)行、可連續(xù)調(diào)

速的可變速抽水蓄能機(jī)組的應(yīng)用等拓展方向。

1 型式及工作原理

1.1 常規(guī)海水抽水蓄能電站

在海邊的高地上設(shè)置水庫作為海水抽水蓄能系統(tǒng)的上庫，利用現(xiàn)有的海洋作為系統(tǒng)的下庫。在抽水工況時(shí)，電能驅(qū)動(dòng)水泵水輪機(jī)組將海水抽至上庫，將電能轉(zhuǎn)換為海水的勢(shì)能；在發(fā)電工況時(shí)，海水通過水泵水輪機(jī)組從上庫排至海洋，將海水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。常規(guī)海水抽水蓄能電站的示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)海水抽水蓄能電站示意圖

常規(guī)的海水抽水蓄能電站具有如下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①不需要專門建設(shè)下庫，降低了工程費(fèi)用；②可以建在給沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)供電的大型電源點(diǎn)（如火電廠、核電廠、風(fēng)電場(chǎng)和潮汐電廠）附近，也可以建在靠近負(fù)荷中心周邊的海邊，降低了輸電成本。

1.2 其他型式海水抽水蓄能電站

（1）排水型海水抽水蓄能電站

排水型抽水蓄能電站的工作原理與潮汐電站類似，通過在海灣附近修筑水壩，將壩內(nèi)的水庫作為電站的下庫，壩外的海洋作為電站的上庫，利用水壩內(nèi)外海水落差進(jìn)行蓄能和發(fā)電[1]，如圖2所示。

圖2 排水型海水抽水蓄能電站示意圖

我國灘涂開發(fā)利用程度較高，常用于海產(chǎn)養(yǎng)殖、海涂圍墾、港口航運(yùn)、建閘蓄淡等；另外排水型抽水蓄能電站水頭較低，對(duì)庫容要求也較大，因此選擇庫容滿足要求、同時(shí)地形地貌、水文地質(zhì)、泥沙等條件適宜的站點(diǎn)是建設(shè)排水型海水抽水蓄能電站的難點(diǎn)。

（2）沉箱式海水抽水蓄能電站

沉箱式海水抽水蓄能電站是將混凝土沉箱下沉至地下形成封閉蓄水池，作為電站的下水庫，海洋作為電站的上水庫，如圖3所示。沉箱形成的下水庫一般庫容較小，電站裝機(jī)容量受到限制。

圖3 沉箱式海水抽水蓄能電站剖面示意圖

由于地下的土體空隙及巖體裂隙有大量的地下水，將對(duì)沉箱產(chǎn)生浮托力，特別是當(dāng)沉箱內(nèi)水位較低時(shí)，沉箱自重小于浮托力，如不采取合適的抗浮措施，將導(dǎo)致沉箱上浮失穩(wěn)，影響電站正常運(yùn)行，因此，建設(shè)沉箱式抽水蓄能電站需處理好沉箱的抗浮問題。

2 國內(nèi)外發(fā)展

2.1 國外發(fā)展

日本資源匱乏，四面環(huán)海，且海岸線地勢(shì)陡峭，在建設(shè)海水抽水蓄能電站方面有著迫切需要和先天優(yōu)勢(shì)。自第1座海水抽水蓄能電站在日本投入運(yùn)行以來，日本在海水抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

日本在1981年就開始了海水抽水蓄能的基本研究試驗(yàn)工作[2-3]。1991年開工建設(shè)世界首座海水抽水蓄能電站—沖繩（Okinawa Yambaru）電站，1999年3月投入試運(yùn)行，2003年底試運(yùn)行結(jié)束后被日本電力開發(fā)有限公司接管。通過電站近5年的試運(yùn)行，證實(shí)了海水抽水蓄能電站的合理性和可靠性，為以后海水抽水蓄能電站的建設(shè)、運(yùn)行提供了重要經(jīng)驗(yàn)。沖繩海水抽水蓄能電站的鳥瞰圖如圖4所示。

圖4 沖繩海水抽水蓄能電站鳥瞰圖

隨著常規(guī)能源的消耗以及新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，愛爾蘭、智利等擁有豐富海洋資源的國家，也開始部署海水抽水蓄能技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)研究工作[4-6]。各國研究的內(nèi)容主要集中在海水抽水蓄能電站的選址及可行性評(píng)估；海水抽水蓄能電站與風(fēng)電、太陽能、潮流能等新能源聯(lián)合運(yùn)行；機(jī)組的防腐蝕及穩(wěn)定運(yùn)行研究；新型海水抽水蓄能電站研究等方向[7-11]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展

我國海岸線長約18 000多km，島嶼6 000多個(gè)，具有建設(shè)海水抽水蓄能電站的優(yōu)越條件。近年來，相關(guān)科研、設(shè)計(jì)單位及機(jī)組廠家也積極參與海水抽水蓄能技術(shù)的相關(guān)課題和關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。水電水利規(guī)劃總院2013年組織相關(guān)單位開展了沿海地區(qū)海水蓄能開發(fā)潛力的評(píng)價(jià)工作，于2015年受能源局委托牽頭組織開展了海水抽水蓄能電站資源普查工作，共確定了238個(gè)站點(diǎn)，如表1所示[12]。在普查站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考察了各站點(diǎn)的工程地形、工程布置、交通運(yùn)輸?shù)裙こ探ㄔO(shè)條件以及開發(fā)價(jià)值，最終確定了8個(gè)示范工程站點(diǎn)，并對(duì)各示范站點(diǎn)在技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性上做了評(píng)估[12-15]。

表1 全國海水抽水蓄能資源普查成果匯總表[12]

8個(gè)示范站點(diǎn)分布在浙江、廣東和福建三省。各示范站點(diǎn)的裝機(jī)容量都在1～5萬kW之間，相對(duì)于國內(nèi)新建的淡水抽水蓄能電站，其裝機(jī)容量偏低，也直接導(dǎo)致各示范站點(diǎn)的單位kW投資偏高，其經(jīng)濟(jì)效益并無優(yōu)勢(shì)。但海水抽水蓄能電站并不存在移民、淹沒損失等問題，隨著開發(fā)條件較好的淡水抽水蓄能站點(diǎn)減少，海水抽水蓄能技術(shù)的日臻完善，其經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)日益體現(xiàn)。

3 工程難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

海水抽水蓄能電站的工程環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，對(duì)電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行要求更高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 電站性能和壽命

3.1.1 影響因素

海水抽水蓄能電站的性能和壽命受海水腐蝕和海洋生物的附著影響較大。電站中的水泵水輪機(jī)、壓力管道等重要設(shè)備或土建結(jié)構(gòu)，其表面與海水直接接觸時(shí)容易被海水腐蝕，另外海洋生物在這些構(gòu)件和設(shè)備中附著并大量繁殖時(shí)，也會(huì)腐蝕其接觸表面。一旦設(shè)備或構(gòu)件被腐蝕破壞，不但會(huì)增加電站維護(hù)成本，縮短電站使用壽命，還會(huì)影響電站性能，降低電站的效率[16]。

當(dāng)電站引水流道、尾水流道或機(jī)組流道等被腐蝕或被海洋生物附著，將導(dǎo)致電站流道水力損失增大，電站效率下降；當(dāng)水庫庫盆被海洋生物大量附著，將使庫盆的防滲系統(tǒng)品質(zhì)惡化，增加了庫盆內(nèi)海水泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)機(jī)組冷卻系統(tǒng)被海水腐蝕或海洋生物附著，不但會(huì)影響機(jī)組的冷卻效果，甚至冷卻管道會(huì)被海洋生物阻塞，導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行。

3.1.2 解決方案

為避免海水和海洋生物腐蝕損壞設(shè)備，應(yīng)盡量減少重要設(shè)備與海水直接接觸，如機(jī)組的冷卻系統(tǒng)可采用間接冷卻方式。當(dāng)設(shè)備或構(gòu)件必須與海水接觸時(shí)，可采用耐腐蝕材料制造、防腐蝕涂裝或電氣防腐蝕等方式緩解海水腐蝕對(duì)設(shè)備的損傷[17-18]。

電站的壓力鋼管制造材料除防水性能優(yōu)良外，還應(yīng)耐腐蝕性能、防海洋生物附著性能良好。如沖繩海水抽水蓄能電站壓力鋼管采用了玻璃鋼FRP（Fiber Reinforced Plastics）材料制造[19]，經(jīng)過 5 年試運(yùn)行后，與海水接觸的表面未發(fā)現(xiàn)有腐蝕損傷現(xiàn)象，海洋生物也不易在其表面附著。對(duì)于電站的土建結(jié)構(gòu)，其混凝土應(yīng)采用海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)，以提高其耐海水腐蝕性能，延長使用壽命。另外，機(jī)組的錐管及肘管部分可采用玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝，冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)表面采用抑制海洋生物生存的涂料涂覆等可有效防止海洋生物的附著，保證設(shè)備的壽命和電站的效率[20]。

電站在運(yùn)行期間應(yīng)定期檢查設(shè)備腐蝕及海洋生物的附著情況，制定合理的處理、維護(hù)方案，必要時(shí)需更換設(shè)備或清除附著的海洋生物。

3.2 電站安全穩(wěn)定運(yùn)行

3.2.1 影響因素

沿海地區(qū)的自然災(zāi)害相對(duì)頻繁，如風(fēng)暴潮、赤潮、龍卷風(fēng)、雷電及地震等可能危及電站的安全；另外，臺(tái)風(fēng)、洋流、潮汐等會(huì)導(dǎo)致電站水位落差急劇變化，致使機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性變差；海洋中的漂浮物堆積也可能掩埋電站進(jìn)出水口，影響電站正常運(yùn)行。

3.2.2 解決方案

在電站設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)的防范自然災(zāi)害的措施，提高電站防自然災(zāi)害的設(shè)計(jì)等級(jí)。

對(duì)于水位落差急劇變化，可在水泵水輪機(jī)進(jìn)行水力設(shè)計(jì)時(shí)，考慮上述不利因素的影響，平滑化處理發(fā)電及抽水工況。在電站設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的進(jìn)出水口位置，并在進(jìn)出水口前設(shè)置透過型消波堤壩，以緩解潮位劇烈變化對(duì)電站的影響，同時(shí)也能阻擋漂浮物掩埋進(jìn)出水口，沖繩抽水蓄能電站的消波堤壩如圖5所示。

圖5 沖繩抽水蓄能電站消波堤壩

3.3 環(huán)境保護(hù)

3.3.1 影響因素

國內(nèi)大部分淡水抽水蓄能電站都存在水庫庫盆滲漏問題，而海水抽水蓄能電站的海水一旦滲透到土壤中將導(dǎo)致電站周圍的地下水和土壤污染，因此其水庫防滲要求更為嚴(yán)格。另外上水庫周圍的空氣和土壤中鹽分較高，可能對(duì)周圍動(dòng)植物產(chǎn)生影響，電站運(yùn)行過程中的抽水和排水也可能對(duì)下庫進(jìn)出水口處的生物產(chǎn)生影響。

3.3.2 解決方案

為保護(hù)水庫周圍的土壤和地下水，在水庫防滲處理時(shí)，可在采用合理的庫盆防滲系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在庫盆表面覆蓋一層防滲漏合成橡膠材料EPDM（ethylene propylene diene terpolymers）層以增加水庫防海水滲透的安全性。同時(shí)可設(shè)置海水滲透監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并采取補(bǔ)救措施[19]。

應(yīng)加強(qiáng)電站對(duì)周圍環(huán)境影響的評(píng)估工作，經(jīng)常檢測(cè)電站周圍動(dòng)植物、海洋生物的數(shù)量和種類。另外，進(jìn)出水口處的消波堤壩也能緩解電站運(yùn)行對(duì)珊瑚礁等海洋生物的不利影響。

4 拓展方向

4.1 與新能源發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行

我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力負(fù)荷的峰谷差日益增大，電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能電站的需求也日趨明顯。另一方面，沿海地區(qū)的新能源發(fā)電，如高速發(fā)展的海上風(fēng)電、光伏等，也需要抽水蓄能電站與之聯(lián)合運(yùn)行，以解決其間斷性、不穩(wěn)定性等問題。另外，我國核電主要分布在沿海地區(qū)，但核電常常帶基荷運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差，建設(shè)在海邊的海水抽水蓄能電站能有效避免核電機(jī)組通過頻繁升降負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰，提高了核電站的安全性。

我國海域的海島眾多，但偏遠(yuǎn)海島的開發(fā)受到電力、飲用水和交通的制約，其電力供應(yīng)主要依靠燃油發(fā)電或風(fēng)電、太陽能等可再生能源[21]。若在海島建設(shè)海水抽水蓄能電站，不但能提高燃油供電體系的穩(wěn)定性，而且還能與風(fēng)電、光伏建立風(fēng)能-太陽能-海水抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電混合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)島嶼的安全獨(dú)立供電[22]。

4.2 可連續(xù)調(diào)速的可變速機(jī)組

相對(duì)于常規(guī)抽水蓄能機(jī)組（Pumped Storage Unit，PSU）和分檔調(diào)速的可變速機(jī)組（Pole-changing Pumped Storage Unit，PCPSU），可連續(xù)調(diào)速的可變速機(jī)組（Adjustable Speed Pumped Storage Unit，ASPSU）的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，功率和水頭變幅范圍可以更廣，且能一直保持在較高效率和穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行；同時(shí)，ASPSU機(jī)組對(duì)電網(wǎng)響應(yīng)速度更快，擾動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定更有利。

在電站自身運(yùn)行方面，由于海水抽水蓄能機(jī)組在海洋復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行，雖然消波堤壩緩解了臺(tái)風(fēng)、潮汐、洋流等引起的水位急劇變化，但依然會(huì)導(dǎo)致機(jī)組水頭運(yùn)行范圍較大變動(dòng)，采用水頭運(yùn)行范圍廣、調(diào)節(jié)速度快的ASPSU機(jī)組能有效減輕系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng)，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性；另一方面，ASPSU機(jī)組高效率區(qū)更廣，能降低電站在能源轉(zhuǎn)換過程中的能量損失。

在接入電網(wǎng)及與新能源聯(lián)合運(yùn)行方面，ASPSU機(jī)組除了可以承擔(dān)削峰填谷的常規(guī)作用外，還可以靈活地調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率和無功功率，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；此外，ASPSU機(jī)組采用的是電力電子器件控制，響應(yīng)速度快，其轉(zhuǎn)速和功率可根據(jù)新能源的發(fā)電量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而可以提高電網(wǎng)系統(tǒng)中新能源電源的利用率，客觀上可以促進(jìn)風(fēng)電、光伏等新能源電源的消納。

目前，在我國已投入運(yùn)行的采用PCPSU機(jī)組的有崗南、密云、潘家口和響洪甸4座淡水抽水蓄能電站，在建的豐寧二期擬采用ASPSU機(jī)組。由于ASPSU機(jī)組的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及其對(duì)于海水抽水蓄能電站的重大意義，將ASPSU機(jī)組應(yīng)用于海水抽水蓄能電站將是未來海水抽水蓄能技術(shù)發(fā)展不可或缺的一部分。

5 結(jié)語

本文主要介紹了海水抽水蓄能的發(fā)展情況，并就電站安全穩(wěn)定運(yùn)行、電站的性能和壽命以及環(huán)境保護(hù)等需要重點(diǎn)關(guān)注的問題以及相應(yīng)解決方案進(jìn)行了探討，最后結(jié)合我國實(shí)際情況，提出了海水抽水蓄能電站相關(guān)的拓展方向。

雖然海水抽水蓄能電站的建設(shè)和運(yùn)行面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，但只要采取合理的解決方案，其和淡水抽水蓄能電站擁有著同樣的安全可靠性。另外，我國應(yīng)在海水抽水蓄能電站與新能源發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行、連續(xù)調(diào)速的可變速機(jī)組的應(yīng)用等發(fā)展方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，并結(jié)合自身資源優(yōu)勢(shì)，在借鑒國外技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探尋海水抽水蓄能發(fā)展的新途徑。