海水抽水蓄能電站發展及應用

張 旭，張 鵬，陳 昕

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢430010）

0 引言

抽水蓄能電站不但能調峰填谷，且啟動迅速、運行靈活，能快速響應電網負荷的變化，承擔著調峰調頻、調相、事故備用和黑啟動等任務，在電力系統中發揮著重要作用。

利用江河湖泊淡水的抽水蓄能電站，常常會受到自然環境、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已經開發，新電站的選址日益困難。另一方面，我國沿海經濟發達地區的電力負荷峰谷日益增大，同時海上高速發展的新能源發電，沿海核電、海島燃油發電和多能互補供電系統等都亟需合適的儲能系統來配合以解決其不穩定性、間歇性等問題，因而，海水抽水蓄能技術越來越受到國家的重視。我國在《水電發展“十三五”規劃》中提出要推動建設海水抽水蓄能電站示范項目，以填補我國在此領域的空白。

由于海水抽水蓄能電站的工程建設、運行環境較淡水抽水蓄能電站的更為復雜，需重點關注電站在海洋環境下運行的性能、壽命、穩定性以及環境保護等問題。本文將主要對這些問題的影響因素進行探討，并在國內外研究和工程經驗的基礎上提出一些解決方案。最后，本文將結合我國的實際情況探討海水抽水蓄能電站與新能源聯合運行、可連續調

速的可變速抽水蓄能機組的應用等拓展方向。

1 型式及工作原理

1.1 常規海水抽水蓄能電站

在海邊的高地上設置水庫作為海水抽水蓄能系統的上庫，利用現有的海洋作為系統的下庫。在抽水工況時，電能驅動水泵水輪機組將海水抽至上庫，將電能轉換為海水的勢能；在發電工況時，海水通過水泵水輪機組從上庫排至海洋，將海水的勢能轉化為電能。常規海水抽水蓄能電站的示意圖如圖1所示。

圖1 常規海水抽水蓄能電站示意圖

常規的海水抽水蓄能電站具有如下兩點優勢：①不需要專門建設下庫，降低了工程費用；②可以建在給沿海經濟發達地區供電的大型電源點（如火電廠、核電廠、風電場和潮汐電廠）附近，也可以建在靠近負荷中心周邊的海邊，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，利用水壩內外海水落差進行蓄能和發電[1]，如圖2所示。

圖2 排水型海水抽水蓄能電站示意圖

我國灘涂開發利用程度較高，常用于海產養殖、海涂圍墾、港口航運、建閘蓄淡等；另外排水型抽水蓄能電站水頭較低，對庫容要求也較大，因此選擇庫容滿足要求、同時地形地貌、水文地質、泥沙等條件適宜的站點是建設排水型海水抽水蓄能電站的難點。

（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，將對沉箱產生浮托力，特別是當沉箱內水位較低時，沉箱自重小于浮托力，如不采取合適的抗浮措施，將導致沉箱上浮失穩，影響電站正常運行，因此，建設沉箱式抽水蓄能電站需處理好沉箱的抗浮問題。

2 國內外發展

2.1 國外發展

日本資源匱乏，四面環海，且海岸線地勢陡峭，在建設海水抽水蓄能電站方面有著迫切需要和先天優勢。自第1座海水抽水蓄能電站在日本投入運行以來，日本在海水抽水蓄能技術領域一直處于領先地位。

日本在1981年就開始了海水抽水蓄能的基本研究試驗工作[2-3]。1991年開工建設世界首座海水抽水蓄能電站—沖繩（Okinawa Yambaru）電站，1999年3月投入試運行，2003年底試運行結束后被日本電力開發有限公司接管。通過電站近5年的試運行，證實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、運行提供了重要經驗。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

隨著常規能源的消耗以及新能源發電技術的發展，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的相關試驗研究工作[4-6]。各國研究的內容主要集中在海水抽水蓄能電站的選址及可行性評估；海水抽水蓄能電站與風電、太陽能、潮流能等新能源聯合運行；機組的防腐蝕及穩定運行研究；新型海水抽水蓄能電站研究等方向[7-11]。

2.2 國內發展

我國海岸線長約18 000多km，島嶼6 000多個，具有建設海水抽水蓄能電站的優越條件。近年來，相關科研、設計單位及機組廠家也積極參與海水抽水蓄能技術的相關課題和關鍵技術的研究工作。水電水利規劃總院2013年組織相關單位開展了沿海地區海水蓄能開發潛力的評價工作，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個站點，如表1所示[12]。在普查站點的基礎上，重點考察了各站點的工程地形、工程布置、交通運輸等工程建設條件以及開發價值，最終確定了8個示范工程站點，并對各示范站點在技術可行性和經濟合理性上做了評估[12-15]。

表1 全國海水抽水蓄能資源普查成果匯總表[12]

8個示范站點分布在浙江、廣東和福建三省。各示范站點的裝機容量都在1～5萬kW之間，相對于國內新建的淡水抽水蓄能電站，其裝機容量偏低，也直接導致各示范站點的單位kW投資偏高，其經濟效益并無優勢。但海水抽水蓄能電站并不存在移民、淹沒損失等問題，隨著開發條件較好的淡水抽水蓄能站點減少，海水抽水蓄能技術的日臻完善，其經濟效益也會日益體現。

3 工程難點與挑戰

海水抽水蓄能電站的工程環境相對復雜，對電站的設計、建設和運行要求更高，主要表現在以下幾個方面。

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、壓力管道等重要設備或土建結構，其表面與海水直接接觸時容易被海水腐蝕，另外海洋生物在這些構件和設備中附著并大量繁殖時，也會腐蝕其接觸表面。一旦設備或構件被腐蝕破壞，不但會增加電站維護成本，縮短電站使用壽命，還會影響電站性能，降低電站的效率[16]。

當電站引水流道、尾水流道或機組流道等被腐蝕或被海洋生物附著，將導致電站流道水力損失增大，電站效率下降；當水庫庫盆被海洋生物大量附著，將使庫盆的防滲系統品質惡化，增加了庫盆內海水泄漏的風險；當機組冷卻系統被海水腐蝕或海洋生物附著，不但會影響機組的冷卻效果，甚至冷卻管道會被海洋生物阻塞，導致機組無法運行。

3.1.2 解決方案

為避免海水和海洋生物腐蝕損壞設備，應盡量減少重要設備與海水直接接觸，如機組的冷卻系統可采用間接冷卻方式。當設備或構件必須與海水接觸時，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設備的損傷[17-18]。

電站的壓力鋼管制造材料除防水性能優良外，還應耐腐蝕性能、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]，經過 5 年試運行后，與海水接觸的表面未發現有腐蝕損傷現象，海洋生物也不易在其表面附著。對于電站的土建結構，其混凝土應采用海洋混凝土標準，以提高其耐海水腐蝕性能，延長使用壽命。另外，機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，冷卻系統管路內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，保證設備的壽命和電站的效率[20]。

電站在運行期間應定期檢查設備腐蝕及海洋生物的附著情況，制定合理的處理、維護方案，必要時需更換設備或清除附著的海洋生物。

3.2 電站安全穩定運行

3.2.1 影響因素

沿海地區的自然災害相對頻繁，如風暴潮、赤潮、龍卷風、雷電及地震等可能危及電站的安全；另外，臺風、洋流、潮汐等會導致電站水位落差急劇變化，致使機組運行的穩定性變差；海洋中的漂浮物堆積也可能掩埋電站進出水口，影響電站正常運行。

3.2.2 解決方案

在電站設計、建設和運行時應考慮相應的防范自然災害的措施，提高電站防自然災害的設計等級。

對于水位落差急劇變化，可在水泵水輪機進行水力設計時，考慮上述不利因素的影響，平滑化處理發電及抽水工況。在電站設計中應選擇合適的進出水口位置，并在進出水口前設置透過型消波堤壩，以緩解潮位劇烈變化對電站的影響，同時也能阻擋漂浮物掩埋進出水口，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 環境保護

3.3.1 影響因素

國內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格。另外上水庫周圍的空氣和土壤中鹽分較高，可能對周圍動植物產生影響，電站運行過程中的抽水和排水也可能對下庫進出水口處的生物產生影響。

3.3.2 解決方案

為保護水庫周圍的土壤和地下水，在水庫防滲處理時，可在采用合理的庫盆防滲系統基礎上，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。同時可設置海水滲透監測系統，保證能及時發現異常現象并采取補救措施[19]。

應加強電站對周圍環境影響的評估工作，經常檢測電站周圍動植物、海洋生物的數量和種類。另外，進出水口處的消波堤壩也能緩解電站運行對珊瑚礁等海洋生物的不利影響。

4 拓展方向

4.1 與新能源發電聯合運行

我國沿海地區經濟發達，電力負荷的峰谷差日益增大，電網對抽水蓄能電站的需求也日趨明顯。另一方面，沿海地區的新能源發電，如高速發展的海上風電、光伏等，也需要抽水蓄能電站與之聯合運行，以解決其間斷性、不穩定性等問題。另外，我國核電主要分布在沿海地區，但核電常常帶基荷運行，負荷調節性能差，建設在海邊的海水抽水蓄能電站能有效避免核電機組通過頻繁升降負荷進行調峰，提高了核電站的安全性。

我國海域的海島眾多，但偏遠海島的開發受到電力、飲用水和交通的制約，其電力供應主要依靠燃油發電或風電、太陽能等可再生能源[21]。若在海島建設海水抽水蓄能電站，不但能提高燃油供電體系的穩定性，而且還能與風電、光伏建立風能-太陽能-海水抽水蓄能聯合發電混合系統，實現島嶼的安全獨立供電[22]。

4.2 可連續調速的可變速機組

相對于常規抽水蓄能機組（Pumped Storage Unit，PSU）和分檔調速的可變速機組（Pole-changing Pumped Storage Unit，PCPSU），可連續調速的可變速機組（Adjustable Speed Pumped Storage Unit，ASPSU）的轉速在一定范圍內可動態調節，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定狀態運行；同時，ASPSU機組對電網響應速度更快，擾動小，對電網的安全穩定更有利。

在電站自身運行方面，由于海水抽水蓄能機組在海洋復雜的環境下運行，雖然消波堤壩緩解了臺風、潮汐、洋流等引起的水位急劇變化，但依然會導致機組水頭運行范圍較大變動，采用水頭運行范圍廣、調節速度快的ASPSU機組能有效減輕系統運行波動，提高機組運行穩定性；另一方面，ASPSU機組高效率區更廣，能降低電站在能源轉換過程中的能量損失。

在接入電網及與新能源聯合運行方面，ASPSU機組除了可以承擔削峰填谷的常規作用外，還可以靈活地調節發出的有功功率和無功功率，有利于提高電網的穩定性；此外，ASPSU機組采用的是電力電子器件控制，響應速度快，其轉速和功率可根據新能源的發電量動態調節，進而可以提高電網系統中新能源電源的利用率，客觀上可以促進風電、光伏等新能源電源的消納。

目前，在我國已投入運行的采用PCPSU機組的有崗南、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機組。由于ASPSU機組的技術優勢，以及其對于海水抽水蓄能電站的重大意義，將ASPSU機組應用于海水抽水蓄能電站將是未來海水抽水蓄能技術發展不可或缺的一部分。

5 結語

本文主要介紹了海水抽水蓄能的發展情況，并就電站安全穩定運行、電站的性能和壽命以及環境保護等需要重點關注的問題以及相應解決方案進行了探討，最后結合我國實際情況，提出了海水抽水蓄能電站相關的拓展方向。

雖然海水抽水蓄能電站的建設和運行面臨眾多技術挑戰，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，我國應在海水抽水蓄能電站與新能源發電聯合運行、連續調速的可變速機組的應用等發展方向進行重點研究，并結合自身資源優勢，在借鑒國外技術和經驗的基礎上探尋海水抽水蓄能發展的新途徑。