海水抽水蓄能電站水工建筑物防護條件研究

吳秋芳，林文婧，陳志偉，郭建設，薛繼樂，王殿春，劉力捷

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東粵海控股集團有限公司，廣州 510110）

1 水工建筑物防護研究方案

相關數據顯示，至2018年底，我國抽水蓄能系統的投產總裝機容量已達30 025 MW，在建容量達到43 210 MW，均為以淡水為運行工質的常規抽水蓄能電站。考慮到常規抽水蓄能水工建筑物的防護技術手段已非常成熟，海水抽水蓄能水工建筑物防護研究著眼于分析海水抽水蓄能電站與常規抽水蓄能電站的差異，參考常規抽水蓄能電站的設計經驗及現有的海水防護技術手段，提出水工建筑物不同區域、部位、適用工況的防污、防腐、防滲的防護條件，并明確研究成果具體要求。

2 水工建筑物防護研究過程

2.1 海水抽水蓄能電站工作原理

海水抽水蓄能電站的基本原理如圖1所示。電站以大海作為下水庫，在地理位置和地形合理的海岸山地上修建上水庫［1］。儲能時，電能驅動水泵或可逆式水泵水輪機組將海水從海洋抽送到高位蓄水池，將電能轉化為水的勢能存儲起來；釋能時，海水從高位蓄水池排放至海洋驅動水輪機或可逆式水泵水輪機組發電，將水的勢能轉化為電能。

圖1 海水抽水蓄能電站系統原理圖

海水抽蓄電站不僅與常規抽水蓄能電站一樣，啟停迅速、運行靈活，在電網中可以承擔調峰、調相、調頻、事故備用等任務。且與常規的陸地淡水抽蓄電站相比，具有不需建設下水庫、水量充沛、水位變幅小、有利于水泵水輪機的穩定運行等有利條件，同時海水抽蓄可以修建在火電、核電、海上風電等基荷電源附近或在電力需求相對較大的沿海負荷中心附近，有利于整個電力系統的運行及輸電成本的降低；也可以建設在淡水資源缺乏、常規抽蓄電站建設條件較差的沿海地區和小島上，利于電力系統靈活調峰，具有很強的競爭力［2-4］。

2.2 海水抽水蓄能與常規抽水蓄能差異分析

海水抽水蓄能電站是指在傳統抽水蓄能的基礎上利用海水作為工質的新型抽水蓄能形式。相比于常規抽水蓄能，工作介質不同將對水工建筑物材料的防護要求產生以下差異［5，6］：

（1）海水相比淡水存在大量氯離子、化學性質較為活潑，大壩、輸水系統壓力管道等水工建筑物將面臨海水腐蝕問題，影響使用壽命及維修成本，這就對相關水工建筑物材料的防蝕性能提出了更高要求［7］。

（2）海洋生態系統相比淡水生態系統營養結構相對復雜、物種更為豐富、數量更為龐大，海水抽水蓄能將面臨更為嚴峻的微生物附著問題，以藤壺為例，藤壺在流速約為5m∕s 時就會產生附著，在流速1～2m∕s 時最容易附著；故應著重考慮輸水系統壓力管道及尾水圍護結構的防附著問題及可檢修性，避免因微生物附著降低系統的整體效率［8，9］。

（3）相比淡水，海水滲漏進入土壤，將可能產生地表或地下水污染、影響周圍動植物的正常生長，破壞生態環境，此外，上水庫泄漏的海水中的鹽分可能會對周圍的動植物產生不利影響，故海水抽水蓄能將面臨更嚴格的防滲要求，應著重考慮上水庫庫盆及輸水系統的防滲措施，同時也對滲漏水的收集、引排提出了更高的要求。

2.3 水工建筑物防護條件分析

根據海水抽水蓄能電站與常規抽水蓄能電站的差異分析，參考常規抽水蓄能電站的設計經驗及現有的海水防護技術手段，提出水工建筑物的防護條件（見表1）。

表1 海水抽水蓄能電站水工建筑物防護條件

（1）水工建筑物材料的防腐性：部位包括與海水有接觸的水工建筑物，如庫盆及大壩、輸水系統（含上下庫進出水口及壓力管道）、地面廠房及尾水圍護結構，材料包括鋼筋混凝土、鋼板及其他結構用材，其中輸水系統應特別關注高壓高流速狀態的結構材料的防腐蝕。

（2）水工建筑物材料的防滲性：部位主要包括上庫庫盆及輸水系統的壓力管道，其中壓力管道如采用鋼板襯砌或玻璃鋼，則不存在滲漏問題。

（3）水工建筑物材料的防污性：部位主要包括輸水系統（含上下庫進出水口及壓力管道）及尾水圍護結構；材料包括鋼板、鋼筋混凝土及其他結構用材。

海水抽水蓄能的水工建筑物設計，必須考慮從工程布置上減少因海水腐蝕性、海水滲漏以及海生物附著帶來的安全隱患，比如輸水系統的水道設計應考慮可檢修性，可通過檢修清除水道附著的海生物。

3 水工建筑物防護條件科研結果要求

3.1 水工建筑物防護范圍

海水蓄能電站主要的水工建筑物包括上水庫、輸水系統、廠房及尾水圍護結構，防護區域為與海水有接觸的部位，具體要求如表2所示。

表2 海水抽水蓄能電站水工建筑物防護部位要求

3.2 水工建筑物適用工況

（1）上水庫（含大壩及庫盆）。根據《全國海水抽水蓄能電站資源普查報告》資料分析，運行期上水庫水位消落深度多在10～30 m 之間［10］；同時，為避免海水滲漏對海島生態環境的干擾，上水庫均采用全庫盆防滲，防滲材料應根據科研成果確定，并在庫盆底部設置集水廊道，用于收集庫盆滲漏水［11］。

（2）輸水系統（含上下庫進出水口及壓力管道）。輸水系統管道內流速與流量、管材、管徑等控制因素息息相關，應考慮經濟性以及水頭損失等影響進行技術經濟綜合比較確定。參考常規抽水蓄能設計經驗，按水頭損失盡量控制在設計水頭的4.0%以內估算，并考慮管道的可檢修性，輸水系統管徑內海水流速變化在1～6 m∕s之間。

根據《全國海水抽水蓄能電站資源普查報告》，從資源站點水頭分布分析，全國海水抽水蓄能資源主要分布在100～200 m水頭段，占資源站點總數的50%；其次資源點分布在200～300 m 水頭段內，占資源站點總數的22%；300 m 以上水頭段的資源站點較少，僅占資源站點總數的15%。結合南部海洋區域站點資源情況，輸水系統的壓力管道變化范圍集中在0.5～3.0 MPa之間［10］。

海水在管道內的動靜交替的大致規律則與電站的調度運行相關，抽水及發電工況下水流的流向見圖1。

（3）廠房。根據《南部沿海地區海水抽水蓄能電站選點規劃報告》，海水蓄能電站廠房有地下廠房和半地下式廠房兩種類型；地下廠房常年處于地下環境，通風效果較地面建筑物差，需要對地下水成分進行分析，地下廠房的混凝土結構有可能存在防腐蝕問題；半地下式廠房及地面廠房多離海岸較近，廠房的混凝土結構需要重點解決防腐蝕問題。

（4）尾水圍護結構。海水抽水蓄能電站尾水圍護結構，主要功能是防浪、防大型海洋生物、防泥沙，此外，圍護結構還應降低取水口抽取海水對周邊海洋生物的影響。圍護結構應相對封閉又可保證內、外海水相通。

尾水圍護應重點解決結構的防腐、防污問題，防止海洋生物附著在尾水圍護結構，堵塞通道。

3.3 水工建筑物防護科研成果要求

參考常規抽水蓄能電站的設計經驗及現有的海水防護技術手段，根據水工建筑物防護條件分析，提出科研成果要求，詳見表3～5。

表3 防污科研成果要求

表4 防滲科研成果要求

4 結 語

本文根據常規抽水蓄能電站的設計經驗及現有的海水防護技術手段，結合分析海水抽水蓄能電站與常規抽水蓄能電站的差異分析，提出了水工建筑物包括區域、部位、適用工況在內的防污、防腐、防滲技術研發的防護條件，并明確防護科研成果具體要求，為海水蓄能電站水工建筑物耐久性設計提供了背景支撐以及研究方向。 □

表5 防腐科研成果要求