海水抽水蓄能電站設計關鍵技術問題研討

滕 軍，吳新平，吳林波，吳秋芳，李定林，章 鵬，陳 滿

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510635）

0 引 言

海水環(huán)境對電站造成的污損、腐蝕和海水滲漏或溢出對環(huán)境的威脅，超出現(xiàn)行抽水蓄能行業(yè)的設計標準；海浪的激烈波動造成蓄能機組尾水水位變化大，對電站和機組安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟運行形成挑戰(zhàn)。

目前，日本、德國、希臘、英國、美國、印尼等諸多國家針對海水抽水蓄能電站，圍繞解決海水環(huán)境對電站建筑物和機電設備的影響及環(huán)境等問題都開展了一系列科學研究。在海水抽水蓄能規(guī)劃、設計及集成應用關鍵技術方面，日本1999年在沖繩建成世界上第一座海水抽水蓄能電站［1］，希臘正在開展規(guī)劃。我國已在2014年完成沿海地區(qū)蓄能資源開發(fā)潛力的評價，但仍未形成一套針對海水抽水蓄能站點的選址及設計方法。

為持續(xù)推動智能電網(wǎng)技術創(chuàng)新、支撐能源結構清潔化轉(zhuǎn)型和能源消費革命，從基礎研究、重大共性關鍵技術研究到典型應用示范全鏈條布局，實現(xiàn)智能電網(wǎng)關鍵裝備國產(chǎn)化，2017年，國家重點研發(fā)計劃《海水抽水蓄能電站前瞻技術研究》通過立項，擬突破海水環(huán)境對電站設計形成的瓶頸，對海水抽水蓄能電站前瞻設計的共性關鍵問題開展了深入的研究與實證。

1 資源評估與選址原則研究

海水抽水蓄能電站的站址選擇需關注工程所在地的新能源規(guī)模、電源結構、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會風險和工程區(qū)建設條件等。

2014年，國家能源局組織開展了全國海水抽水蓄能資源普查（見表1）。

表1 全國海水抽水蓄能電站資源站址成果表［2］

經(jīng)復查統(tǒng)計，從全國8省區(qū)海水抽蓄站址資源來看，裝機規(guī)模在500 MW 以上的海岸型站址僅有21 個，大多分布在廣東、福建和浙江3 省。根據(jù)3 省區(qū)陸上常規(guī)抽水蓄能最新選點規(guī)劃報告成果，常規(guī)蓄能站點的資源儲備豐富，不乏條件較優(yōu)的常規(guī)站址資源等待開發(fā)。因此，從建設條件、裝機規(guī)模、投資和開發(fā)阻力來看，海岸型海水抽水蓄能電站難以與常規(guī)抽蓄電站競爭。因此，研究海水抽水蓄能電站須從海島型站址入手。

海島型抽水蓄能站址建設規(guī)模雖然不大，但由于距大陸較遠，有一定的負荷需求和發(fā)展，具備與新能源形成充分的風光儲互補網(wǎng)絡結構，可結合常規(guī)能源和當?shù)匚磥戆l(fā)展預測，打造智能微型電網(wǎng)［3］。

為此選擇了珠海大萬山島作為代表性站點，作為科學研究的基礎。

大萬山島站址基本參數(shù)見表2。

表2 大萬山島站址基本參數(shù)表

2 水工建筑物設計關鍵問題研究

2.1 上水庫

海水抽水蓄能上水庫的布置方案、結構型式、防滲型式等的設計需考慮：海水的強腐蝕性對大壩及庫盆防滲的選材提出了更高要求；大壩布置及防滲結構須考慮生物附著問題及可檢修性，避免因生物附著降低系統(tǒng)的整體效率；庫盆及大壩防滲結構上要求實現(xiàn)更嚴格的防滲效果。設計方案是采用有優(yōu)異的防滲性、柔性、耐老化性能的CM∕EPDM 防水卷材與強度高且有一定柔性的PE防水卷材相結合方案［3］，該新型雙層熱復合防水卷材可以實施焊接，施工工藝簡單，防滲效果優(yōu)異。根據(jù)研究成果，新型耐海水復合防滲土工膜防滲等級均達到P12 或以上，具有優(yōu)異的耐水性、耐鹽性、耐候性和機械性能，可以在工程中得到應用。

海水抽水蓄能電站相比常規(guī)抽水蓄能電站，水庫大壩規(guī)模較小，且上水庫集雨面積較小，可不設置專門的泄水建筑，結合電站調(diào)度，利用輸水建筑物下泄洪水，一方面節(jié)省投資，更重要的是避免因泄洪產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

由于海水抽水蓄能電站站址多處在熱帶風暴的活動范圍，易受風暴潮及臺風等的侵襲，為此開展上庫水位壅高計算方法，確定壩頂高程的設計原則，不僅具有重要的科學意義，對工程設計也有實際指導意義。《海水抽水蓄能電站前瞻技術研究》針對海水抽水蓄能電站上水庫在臺風作用下的波浪特征及壅高問題，在風浪水槽中開展了斷面模型試驗研究，并開展了相應的風暴潮及臺風浪數(shù)值模擬分析，臺風浪數(shù)值模擬結果與試驗結果反映出來的風浪特征基本一致，表明建立的數(shù)值模擬方法可為后續(xù)海水抽水蓄能電站上庫庫水壅高計算分析提供有力的技術支撐。

2.2 輸水系統(tǒng)

相比于常規(guī)抽水蓄能電站，工作介質(zhì)的不同將使海水抽水蓄能輸水系統(tǒng)的布置方案產(chǎn)生差異：以藤壺為例，藤壺在流速約為5 m∕s時就會產(chǎn)生附著，在流速1～2 m∕s時更容易附著；輸水系統(tǒng)在壓力管道的布置上必須考慮防海生物附著問題及可檢修性，避免因微生物附著降低系統(tǒng)的整體效率；輸水系統(tǒng)壓力管道的結構上要求實現(xiàn)更嚴格的防滲效果。

海島型抽水蓄能電站位于離岸海島上，考慮離岸海島淡水及天然建材等資源匱乏，輸水系統(tǒng)壓力管道以及進出水口結構型式的設計理念應適應特殊的施工條件。

考慮輸水系統(tǒng)壓力管道的結構上要求實現(xiàn)更嚴格的防滲效果，壓力管道要求采用不透水襯砌。鋼筋混凝土襯砌由于存在隧洞內(nèi)海水外滲帶來的地下水環(huán)境污染問題，不建議在海水抽水蓄能電站引水管道中使用。

課題研發(fā)的無錫自拋光防污涂料防污防腐涂層配套附著力≥7 MPa，與環(huán)氧樹脂基防腐底漆具有優(yōu)良的配套性；在廈門海域36個月的淺海掛板實驗表明，所制備的無錫自拋光涂料具有良好的機械性能、附著強度和優(yōu)良的防污性能（防污效率≥90%），達到了預期的防污效果［4］。為了達到綠色環(huán)保、高效的防污，需要綜合采用電化學的防污技術。電解防污方法操作簡便、自動化程度高，相對安全可靠，配合防污涂料使用，可以達到良好的協(xié)同防污的效果。

圖1 實海浸泡3年后的裸鋼板對照與防腐防污涂層配套體系

2.3 尾水圍護

為了保證抽水蓄能電站的安全、經(jīng)濟運行，其首要條件之一即是需要保證其下水庫具有相對穩(wěn)定、安全的進∕出流條件。對于以廣袤的海域作為下水庫的海水抽水蓄能電站，受外海潮汐、波浪等的影響，下水庫水體波動較大，難以滿足電站機組取水平穩(wěn)和安全穩(wěn)定運行的要求，因此需對下水庫進∕出流區(qū)域進行適當?shù)膰o。海水抽水蓄能電站尾水圍護結構的首要功能是在滿足進流要求的同時具備足夠的消波、防浪功能，即滿足尾水圍護區(qū)內(nèi)水面波高限值要求；其次圍護結構設置還需兼顧考慮防漂浮物（含海生物）、防泥沙要求；其三，需保證圍護結構包絡區(qū)域有適宜的水深、范圍與形狀，以滿足取水進流、排水出流消能要求，同時也滿足外型結構穩(wěn)定性要求（減少圍護結構周緣的波能集中）；其四，需盡量減少圍護結構附加水頭損失以及滿足典型海生物保護、通航等要求。

本科研項目依據(jù)初步篩選的尾水圍護結構基本型式，開展了不同波浪條件下結構防浪掩護效果、透浪特性等水工模型試驗研究工作。在初步分析（試驗）結果基礎上針對2～3種典型結構、布置方式進行深入優(yōu)化研究，模擬研究不同波浪條件下圍護結構的防浪掩護效果、透浪特性，并對其進行必要的優(yōu)化以滿足下水庫取水條件（有效波高不大于0.5m）。與此同時，開展必要且適宜的圍護結構過流能力（局部阻力）試驗研究，給出優(yōu)選結構型式的局部阻力系數(shù)等。

3 機電設計關鍵技術研究

3.1 可變速機組研究

風光儲一體化微電網(wǎng)結構中，風電和光伏出力具有隨機性、間隙性等特點，對電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性都提出了更高的要求。選擇可變速海水抽水蓄能機組，在水泵工況下也能調(diào)節(jié)軸入力，為風力發(fā)電機出力波動帶來系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定問題提出了一個解決方案，還可提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定響應速度，滿足風電并網(wǎng)對快速響應的要求［5］。

水泵水輪機轉(zhuǎn)速變化范圍取決于電力系統(tǒng)要求并由水泵水輪機轉(zhuǎn)輪設計確定，也與交流勵磁系統(tǒng)的容量選擇有關。我們研究選取海水抽水蓄能電站10 MW 可變速機組額定轉(zhuǎn)速為500 rpm，轉(zhuǎn)速變化范圍±8%。

《海水抽水蓄能電站前瞻技術研究》中，根據(jù)提出的設計開發(fā)技術條件，對10 MW 水泵水輪機進行了水力開發(fā)和模型試驗。試驗結果表明，水輪機工況原型最優(yōu)效率93.82%，水泵工況原型最優(yōu)效率93.17%，滿足項目申報指南的要求；在額定水頭以下可以在30%～100%相應水頭最大負荷運行。在駝峰區(qū)裕度滿足2%和無空化條件下，最小揚程功率調(diào)節(jié)幅度為35.6%。該可變速水泵水輪機水力性能達到國內(nèi)領先水平。

該科研還設計制造了10 MW 交流勵磁發(fā)電電動機及3 種變流器樣機，進行了發(fā)電電動機及IGCT 變流器、IGBT 變流器、IEGT變流器的聯(lián)調(diào)試驗。試驗表明，10 MW可變速交流勵磁發(fā)電電動機常規(guī)檢查、運行要求、最大轉(zhuǎn)矩和電磁參數(shù)、溫度和效率達到技術指標；IGCT 變流器、IGBT 變流器、IEGT 變流器，能夠發(fā)電機空載建壓、并網(wǎng)、解列，電動工況起動、并網(wǎng)、解列，能夠通過同步點；10 MW 電機及其變流器，能夠保持定子電壓為額定頻率50 Hz、電能質(zhì)量達到要求、能夠進行發(fā)電和電動兩種運行模式，實現(xiàn)可變速、有功功率調(diào)節(jié)、無功功率調(diào)節(jié)的功能。

3.2 海洋環(huán)境下機組的運行穩(wěn)定性

水泵水輪機在海洋環(huán)境下運行，將受到臺風、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪的影響。海洋的波浪擾動對于機組的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)，雖然尾水圍護可削減部分的波浪擾動，為了改善水泵水輪機的運行環(huán)境，減輕系統(tǒng)波動，采用頻率能自動調(diào)節(jié)，運行范圍更廣的可變速抽水蓄能系統(tǒng)是必要的。

為消除上述不利因素對真機運行的影響，需事前監(jiān)測潮位的變動范圍，在水力設計、模型試驗實施基礎上，在高波浪時尾水口選擇合適的水深確保尾水水位，設計時利用可變速機組的特點平滑化處理發(fā)電工況及電動工況，緩和臺風、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪對真機有效落差、水力機械運行影響等，并在實證平臺進行實驗驗證。

《海水抽水蓄能電站前瞻技術研究》中，參照大萬山站址樞紐布置設計構建了具備波浪擾動條件的可變速抽水蓄能機組實證平臺，研究優(yōu)化海水抽水蓄能電站安全穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性運行策略，驗證樣機集成設計的性能、功能及設計的合理性［3］。

圖2 基于波浪擾動的可變速機組實證平臺

實證平臺與10 MW 機組采用正態(tài)比尺，比尺為1∶4。按照1∶4比尺換算，實證裝置模型機組的額定轉(zhuǎn)速為1 000 rpm，水頭（揚程）變化范圍為24～32.5 m，電機額定功率為78.1 kW。

模型裝置研究表明，隨著下游波浪擾動幅值的增大，尾水管壓力受下游水位周期性的強迫振蕩后幅值逐漸超過下游波浪擾動幅值。按照模型比尺換算，原型電站下游引水口所允許的波浪擾動幅值應小于1.8 m，這為尾水圍護結構的布置設計提供了理論依據(jù)。

3.3 機組過流部件及海水管路系統(tǒng)的防護設計

與淡水抽水蓄能電站不同，由于水泵水輪機過流部件、水力機械輔助系統(tǒng)在海水環(huán)境下運行，容易發(fā)生腐蝕，影響設備的安全、穩(wěn)定和高效運行，海水中的海生物容易附著在金屬結構表面，影響過流部分、管路系統(tǒng)的過流條件。過流部件及管路系統(tǒng)的防腐、防污是海水抽水蓄能電站需要解決的關鍵技術問題。

海水抽水蓄能機組過流部件由蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管等部件組成。 相較于其他類型的海洋環(huán)境運行的金屬結構，海水抽水蓄能機組的金屬過流部件結構和材質(zhì)構成，以及流道內(nèi)流體流動具有很強的特殊性。

海水管路系統(tǒng)的特點是用材主要為金屬材料、結構復雜精密、管路數(shù)量眾多，腐蝕與污損對輔助系統(tǒng)的危害非常明顯。必須制定合適的防護方案應對不同的腐蝕與污損風險。水力機械輔助設備防腐防污應當根據(jù)自身的設計特點，針對不同的環(huán)境條件，利用合適的工程設計，選取相對比較經(jīng)濟合理的防腐防污方案。

3.4 含鹽高濕環(huán)境下廠房通風空調(diào)設計

與常規(guī)抽水蓄能電站不同的是，海水抽水蓄能電站環(huán)境中空氣鹽霧含量高于陸地，大氣環(huán)境具有含鹽高濕的特點。電站廠房通風散熱需要把大量的含鹽高溫高濕空氣送入廠房，會加速室內(nèi)設備的腐蝕。通風設計關系到電站運行狀態(tài)和壽命，分析和設計符合海洋環(huán)境的通風空調(diào)系統(tǒng)是海水抽水蓄能電站建設的一項重要任務。目前我國海島抽水蓄能電站還處于概念設計階段，要考慮減少地面開挖，保護海島環(huán)境，避免海洋環(huán)境對廠房的影響。

相比于常規(guī)抽水蓄能電站，海域環(huán)境下鹽霧含量高于陸地，廠房環(huán)境除控制溫濕度外，還應采取必要的措施控制鹽霧含量。分離除鹽霧技術缺點較多，可分離的鹽霧粒徑普遍較大（＞10 um），不適合一些過濾要求較高的場合，離心除鹽霧機設備復雜，不利于后期運維。電除霧技術可去除任意粒徑鹽霧粒子，如靜電除霧技術過濾效果達94%以上，但設備結構復雜，體積龐大。而過濾除鹽霧技術具有除鹽霧效率高，設備結構簡單的優(yōu)點，結合抽水蓄能電站設備的重要程度，推薦采用過濾除鹽霧技術。

目前常規(guī)內(nèi)陸抽水蓄能電站地下廠房大多采用的是直流式通風空調(diào)方案。海水抽水蓄能電站需對進入地下廠房的室外新風進行除鹽處理，即在新風機組中需安裝除鹽霧過濾器。進入地下廠房的室外新風量越大，所需的除鹽霧過濾器就越多，則除鹽霧過濾器的成本和運行維護費用就越高，而室外新風的主要目的是保證地下廠房內(nèi)人員的衛(wèi)生要求，因此，提出一種新的通風空調(diào)方案，即控制送入地下廠房的室外新風量，將室外新風量取最小值，室外新風除鹽后單獨送入房間，當室外新風不足以消除室內(nèi)的余熱時，加入局部空調(diào)。地下廠房可采用直流式通風空調(diào)方案或小新風通風空調(diào)方案，宜采用全壽命周期費用計算比較的方法確定最終方案。

4 結 語

建設海洋強國是我國崛起的國家大戰(zhàn)略。構建安全穩(wěn)定、面向海洋應用的基于儲能與可再生能源聯(lián)合運行的區(qū)域電網(wǎng)，是戰(zhàn)略實施的重要能源保障。

定速淡水抽水蓄能已是我國電網(wǎng)大容量儲能應用的首選，在未來建設以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的進程中，研究可變速海水抽水蓄能是解決海島及沿海大規(guī)模可再生能源消納、支撐海洋資源開發(fā)的重大技術發(fā)展方向。 □