新型海水抽水蓄能電站及燈泡貫流式水輪機選型研究

肖 微，柴建峰，李明陽

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

新型海水抽水蓄能電站及燈泡貫流式水輪機選型研究

肖 微，柴建峰，李明陽

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

本文結合我國南海中的海島，多為珊瑚礁構成的島、礁、灘、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常規淡水抽水蓄能電站的天然地形地貌條件，探討通過沉管/沉箱形成一個封閉的下沉蓄水池，將其作為抽水蓄能電站的下庫，用于調節風電、光伏發電系統的海水抽水蓄能電站中的一種形式。同時，對該電站可采用的兩種燈泡貫流式水輪機機型的優勢和挑戰進行了論述。

海水抽水蓄能電站；沉管/沉箱；燈泡貫流式水輪機；單向燈泡貫流式水輪機；雙向燈泡貫流式水泵水輪機

0 前言

抽水蓄能電站是電力系統中最可靠、最經濟、壽命周期長、容量大、技術最成熟的儲能裝置，是新能源發展的重要組成部分。截至目前，抽水蓄能電站的形式主要有常規淡水抽水蓄能電站和海水抽水蓄能電站兩種。

我國南海中的海島，多為珊瑚礁構成的島、礁、灘、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常規淡水抽水蓄能電站的天然地形地貌條件。離岸島礁風能豐富、光照條件好，風電和光伏發電可為海洋油氣開發和偏遠島嶼開發和建設提供經濟廉價的電力供給，但風、光電受氣候條件影響大，無風時或黑夜時電力供給又得不到保證。抽水蓄能電站在儲存能量和調峰填谷方面有較大的優勢，可見探討與離岸風電、光伏等清潔能源相配套的海水抽蓄電站具有一定的前瞻性和必要性[1]。

根據我國南海島嶼地形和地貌之特征，結合島嶼填筑等開發工程，探討通過沉管/沉箱形成一個封閉的下沉蓄水池，將其作為抽水蓄能電站的下庫，用于調節風電、光伏發電系統的海水抽水蓄能電站中的一種形式。

1 沉管/沉箱海水抽水蓄能電站

根據我國南海島嶼地形、地貌和地質特征，結合島嶼開發填筑工程，可建設沉管/沉箱海水抽水蓄能電站，用于調節風電、光伏發電系統。同時上覆填土，還可以新增生活生產用地。

沉管/沉箱海水抽水蓄能電站是采用下沉混凝土沉管/沉箱等構筑物形成一個封閉蓄水池，將封閉蓄水池作為抽水蓄能電站的下水庫（抽水蓄能專用庫），上庫則為無限大的大海。

利用無限大的大海作為上水庫的沉管/沉箱海水抽水蓄能電站，具有發電水頭低、流量大的特點。水輪發電機中水輪機建議采用燈泡貫流式水輪機，該機型已在潮汐發電中廣泛使用。

2 燈泡貫流式水輪機

燈泡貫流式水輪機的型式有單向燈泡貫流式水輪機和雙向燈泡貫流式水泵水輪機兩種，這兩種型式均可以在沉管/沉箱海水抽水蓄能電站中得到很好的應用。

2.1 單向燈泡貫流式水輪機

抽水系統，當風電、光伏等電力有剩余時，可連接水泵將沉管/沉箱蓄水池（下水庫）中海水抽出，形成水位差和有效庫容。發電系統，當需要電力補償時，利用蓄水池和海洋存在的水位差，外側高程海水推動水輪機發電，發電機的裝機容量和蓄水池大小由島嶼用電負荷、風電光伏電的裝機容量綜合決定。抽水系統和發電系統為相互獨立系統，如圖1和圖2所示。

2.2 雙向燈泡貫流式水泵水輪機

雙向燈泡貫流式水泵水輪機，不僅具備當風電、光伏等電力有剩余時，利用雙向燈泡貫流式水泵水輪機將沉管/沉箱蓄水池（下水庫）中海水抽出，形成水位差和有效庫容；當需要電力補償時，利用蓄水池和海洋存在水位差，外側高程海水推動雙向燈泡貫流式水泵水輪機發電，而且由于雙向燈泡貫流式水泵水輪機本身既具備抽水又具備發電的雙功能優勢，同時具備正向發電、反向發電、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能。但與單向燈泡貫流式水輪機不同的是，該系統中的抽水系統和發電系統不是相互獨立的系統，如圖3和圖4所示。該系統中發電機的裝機容量和蓄水池大小同樣是由島嶼用電負荷、風電光伏電的裝機容量綜合決定。

1967年世界上第一座投運的法國朗斯潮汐電站和1980年我國最大的第一座雙向潮汐試驗電站——浙江省沮嶺縣江廈潮汐試驗電站就采用了雙向燈泡貫流式水泵水輪機。雙向運行方式可提供較連續的電力，具有較強的電網適應性，可進行調峰運行，但工程投資較高。目前由于發電效率隨著水頭的變化而變化，且反向運行或作為水泵工作時，效率非常低，低水頭運行每千瓦的單位造價會上升[2]。

3 采用燈泡貫流式水輪機的優勢

根據沉管/沉箱海水抽水蓄能電站所具有的特點，采用燈泡貫流式水輪機是比較適用的，因為與其他型式的水輪機相比，燈泡貫流式水輪機具備以下優勢[3]：

（1）對低水頭資源來講，燈泡貫流式水輪機能夠有很寬的運行范圍，及時水頭十分低下的時候，也有較為穩妥的效果，甚至超過1.5m以下，這種效果在其他的水輪機型式中是不可想象的。

（2）燈泡貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同，為保證向導水機構均勻供水和形成必要的環量，保證導葉較平滑繞流，軸流式水輪機需設置蝸殼，其流道由蝸殼、導水機構和彎肘型尾水管組成。燈泡貫流式水輪機沒有蝸殼，流道由圓錐形導水機構和直錐擴散形或S形尾水管組成。從流道進口到尾水管出口，水流與軸之間大致平行，減少出現彎折處，水流的平穩度得到保證，也有助于水力的存儲，尾水管恢復能力強，動力效果好。

（3）燈泡貫流式水輪機過流量大，并且旋轉速度十分快，整體效率較高，并且高效區寬度適宜，在各個方面比軸流式來說有著十分重要的優勢。跟軸流式比起來，如果其所處的水頭和單機容量都一樣時，所表現出來的情況是，規模更小，質量更輕便，所花費的生產材料更少，而整體價格也偏低。

（4）燈泡貫流式水輪機，其空化以及穩定程度都比軸流式要強，空化系數值較低，安全性較強，故障發生率較低，可用性強，檢查修理所花費的時間到的節省，而檢查循環次數也減少。

（5）其結構特征緊密而嚴整，布局嚴整而簡單、尺寸小以及減小廠房尺寸與基礎開挖量，建設對土建工程的依賴不大，減少相應資金，在機組的使用以及安裝流程上來說，質量小，方便安裝和裝設，能夠減小工作時間，提前發電時間。

此外，單向燈泡貫流式水輪機和雙向燈泡貫流式水泵水輪機在具備以上優勢的同時，相比較而言又具備各自的優勢，抽水系統和發電系統是兩個相互獨立系統的單向燈泡貫流式水輪機在水輪機的水力設計上相對簡單，綜合效率較高；抽水系統和發電系統不是相互獨立系統的雙向燈泡貫流式水泵水輪機同時具備正向發電、反向發電、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能多、系統單一、運行靈活等優點。建議應根據工程的實際特點和需要等進行兩種機型的合理選擇。

4 采用燈泡貫流式水輪機存在的挑戰

4.1 水輪機水力設計技術

利用水頭低是燈泡貫流式水輪機水力設計所存在的挑戰，而雙向燈泡貫流式水泵水輪機還存在運行工況復雜、轉換頻繁，例如不僅要求正反向發電，還要求正反向抽水、正反向泄水，這都增大了水輪機水力設計的難度。對于多種工況運行的轉輪而言，通常只要求正向發電和反向抽水運行的高效率，不追求反向發電和正向抽水運行時的效率[4]。

4.2 海水腐蝕防止技術

由于燈泡貫流式水輪機部件長期浸泡在海水中或處于鹽霧彌漫的空氣中，這不但對結構中的金屬要產生嚴重的腐蝕作用，產生點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕，而且對機組中的電氣元器件及絕緣也要產生很大的影響。因此，必須采取防止海水腐蝕措施，其中主要措施有：

（1）合理選擇材料，關鍵金屬部位采用Cr、Mo含量較高甚至還含有Ni的不銹鋼。

（2）所有與海水接觸的普通鋼部件表面應涂敷一層耐海水腐蝕的涂料。

（3）采用陰極保護技術。

（4）發電機防海水腐蝕技術等[4]。

4.3 防海生物附著技術

海水中的海生物容易附著在金屬結構表面，影響過流部分的過流條件，影響機組出力，降低轉動部件的靈活度，而且海生物的附著力極強，清楚非常困難。因此，防海洋生物技術的應用也很重要，目前主要采用兩種方法：

（1）過流表面涂敷能殺死海生物的涂料。

（2）電解海水，產生毒性氯離子，抑制海生物附著[3]。

5 結束語

沉管/沉箱海水抽水蓄能電站的應用不僅可以提高清潔能源的利用效率，同時還可以增加島礁的生產和生活用地，因此具有一定的前瞻性和必要性。從沉管/沉箱海水抽水蓄能電站所具有的特點考慮，可采用單向貫流式水輪機和雙向貫流式水泵水輪機兩種型式，這兩種機型都具備各自的優勢和挑戰，因此應根據實際工程的特點和需要等合理選擇。

[1]柴建峰，侯平利．可與海洋核動力平臺配套的海水抽水蓄能電站[J]．山西建筑，2017，43（2）232-233．CHAI Jianfeng，HOU Pingli．Brief Analysis on Marine Nuclear Power Platform and Seat Water Pumped Storage Station[J]．SHANXI Architecture，2017，43（2）232-233．

[2]F．朗佩里耶．潮汐電站的開發潛力及前景[J]．水利水電快報，2010，（10）：15-21．F．Langpeiliye．Development potential and prospect of tidal power station[J]．Express water resources & hydropower information，2010，（10）：15-21．

[3]劉全慧．貫流式水輪機的應用與技術發展[J]．科技創新與應用，2012， 9： 113-113．LIU Quanhui．Application and technology development of flow turbine [J]．Technology innovation and application，2012， 9：113-113．

[4]戴慶忠．潮汐發電的發展和潮汐電站用水輪發電機組[J]．東方電氣評論，2007， 21（4）：14-24．DAI Qinzhong．Tidal power development and tidal power station water wheel generator set[J]．Dongfang Electric Review，2007， 21（4）：14-24．

2017-08-20

2017-09-20

肖 微（1980—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：流體機械工程。E-mail： xiaoweiyh@126．com

柴建峰（1977—），男，博士，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），主要研究方向：水文地質與工程地質。E-mail：623509677@qq．com

李明陽（1985—），男，本科，工程師，主要研究方向：水利水電工程管理。E-mail： 232320860@qq．com

New Sea Water Pumped Storage Power Station and Bulb Tubular Turbine Type Research

XIAO Wei， CHAI Jianfeng，LI Mingyang
（Technology Center，State Grid Xinyuan Company Ltd. Beijing 100161，China）

Islands in the middle of the south China sea in China，mostly composed of coral reef island， reef， beach， sand and cascade， low elevation， the lack of building natural landform condition of conventional water pumped storage power station，discusses through immersed tube/the caisson to form a closed reservoir， as a pumped-storage power station under the library，used to regulate the water to the wind power， photovoltaic power generation system is a form of pumped storage power station. At the same time of the plant can use two kinds of bulb tubular turbine model discusses the advantages and challenges.

seat water pumped storage power station； immersed tube/the caisson； bulb tubular turbine； one-way light bulb tubular turbine； two-way bulb tubular turbine

TV213

A學科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．006