海島抽水蓄能電站樞紐布置研究
——以大萬山島為例

吳秋芳,林文婧,陳志偉,郭建設(shè)

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

海水抽水蓄能電站以海洋作為下水庫，在地理位置和地形合理的海岸(島)山地上修建上水庫。相比常規(guī)陸地淡水抽水蓄能，海水抽水蓄能電站具有不需建設(shè)下水庫、可以修建在火電、核電、海上風電等基荷電源附近，也可以建設(shè)在淡水資源缺乏、常規(guī)抽蓄電站建設(shè)條件較差的沿海地區(qū)和小島上等優(yōu)勢[1-2]。

在海水抽水蓄能規(guī)劃、設(shè)計及集成應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)方面,國際上1999年日本在沖繩建成世界第一座海水抽水蓄能電站，希臘等國正在開展規(guī)劃。我國已在2014年完成沿海地區(qū)蓄能資源開發(fā)潛力評價，但仍未形成一套針對海水抽水蓄能站點的選址及設(shè)計方法。目前，我國正組織開展相關(guān)前瞻技術(shù)研究。

海水抽水蓄能電站分為海岸抽水蓄能電站及海島抽水蓄能電站。其中，考慮海島供電電源相對單一、供電可靠性較差，海島抽水蓄能電站若與風能、太陽能、海洋能等組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，充分發(fā)揮其在系統(tǒng)中的調(diào)頻、調(diào)相作用[3]，解決可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)可再生能源的規(guī)模開發(fā)利用，故海島抽水蓄能電站對推動國家的海洋發(fā)展戰(zhàn)略具有尤為重要的意義。

本文以大萬山島為代表性站址，研究海島抽水蓄能電站的樞紐布置。

2 站址概況

2.1 地理位置

大萬山島站址位于廣東省珠海市萬山區(qū)萬山群島的萬山鎮(zhèn)。大萬山島距珠海市直線距離約48 km，西北距澳門35 km，東北距香港59 km(見圖1所示)，工程建設(shè)所需的外來物資和機電設(shè)備需通過海運上島。

圖1 大萬山島地理位置示意

2.2 地形地質(zhì)條件

大萬山島近似葫蘆形，南北長為3.35 km，東西寬為2.45～3.88 km，為丘陵海島地貌；地勢中間高，四周低，最高的大萬山頂海拔為432.5 m。島岸曲折陡峻，多為巖石陡岸。全島由燕山三期花崗巖(γ52(3))組成。

上庫選址島東北部山脊較平緩處，花崗巖，巖體較完整，預計庫內(nèi)、外邊坡總體穩(wěn)定性較好，無大的邊坡穩(wěn)定問題。輸水發(fā)電系統(tǒng)圍巖為中細粒花崗巖，巖石堅硬，輸水發(fā)電系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件較好。總體站址水庫和輸水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)條件較好，具備建設(shè)海水抽水蓄能電站的條件。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

大萬山島站址上水庫為已有推船灣水庫，下庫進出水口初選上水庫東北面海灣(見圖2)，輸水發(fā)電系統(tǒng)總體呈西南—東北走向，水平距離約為650 m，距高比為6.2。島內(nèi)無天然砂礫料，需從大陸買進或采用庫、洞開挖的弱風化～新鮮花崗巖石料人工軋制。

圖2 大萬山島站址工程平面示意

考慮珠海市城市總體規(guī)劃、萬山區(qū)海島建設(shè)發(fā)展情況以及目前電網(wǎng)約束條件，根據(jù)初步動能計算并結(jié)合站址地形地質(zhì)條件，擬定電站調(diào)節(jié)時間為8h，裝機容量為20 MW(2臺10 MW)；電站上庫正常蓄水位為124.2 m，死水位為98.0 m，調(diào)節(jié)庫容為60萬m3，平均毛水頭為116.5 m；電站最小水頭最大流量為12.3 m3/s，最小揚程最大流量為9.7 m3/s。

3 樞紐布置方案

抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上下水庫、輸水系統(tǒng)、電站廠房等組成，借鑒常規(guī)陸地淡水抽水蓄能的設(shè)計經(jīng)驗，海島地形限制上庫位置一般唯一，下庫利用在海邊建立圍護結(jié)構(gòu)形成，所以樞紐布置比較只是針對輸水系統(tǒng)地面明管還是地下隧道方案及電站廠房是地面還是地下進行。考慮海水環(huán)境、海洋邊界帶來的特殊性，如海水的高腐蝕性以及海洋微生物的附著、海島生態(tài)環(huán)境脆弱、施工條件受限、海島環(huán)境帶來的臺風及鹽霧問題等，提出了3個代表性的樞紐布置方案，其中方案1為輸水隧洞+地下廠房方案，方案2為地面明管+地面廠房方案，方案3為地面明管+地下廠房方案。

3.1 方案1(隧洞+地下廠房方案)

樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、尾水圍護結(jié)構(gòu)等組成。根據(jù)地形地質(zhì)條件，上水庫利用天然庫盆筑壩成庫，在上水庫與外海之間布置1洞2機、首部式地下廠房的樞紐布置方案。圖3是方案1樞紐布置示意，圖4是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖3 方案一樞紐布置示意(隧洞+地下廠房)

圖4 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(隧洞+地下廠房)

1)上水庫

上水庫擬在現(xiàn)壩址位置重建擋水大壩，初擬為重力壩，最大壩高約35 m，壩長約145 m。結(jié)合地形地質(zhì)條件，為避免海水滲漏對海島生態(tài)環(huán)境的干擾，上水庫擬采用全庫盆防滲，并在庫盆底部設(shè)置集水廊道，用于收集庫盆滲漏水。

2)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)布置于NE向沖溝中，主要包括上庫進/出水口、引水隧洞、岔管、引水支管、尾水支管、尾水隧洞、下庫進/出水口等建筑物。輸水系統(tǒng)采用1管2機的供水方式，設(shè)尾水調(diào)壓室，總長為800 m。為避免海水外滲，全系統(tǒng)管道均采用鋼板襯砌；此外，為減小海生物附著及海水腐蝕對管道的影響，輸水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮檢修方便。

上庫進/出水口為豎井式進/出水口，不設(shè)事故檢修閘門井。引水系統(tǒng)總長為360 m，主洞內(nèi)徑為2.3 m；平面上，引水系統(tǒng)直線布置；立面上，考慮斜井及豎井均不方便檢修，故盡量將不可檢修段的管道長度減少到最短，引水隧洞采用一級豎井+平洞布置，為方便進人檢修，平洞縱坡坡度設(shè)為1%。引水鋼岔管采用Y型岔布置，引水支管管徑為1.15 m。尾水系統(tǒng)總長為440 m，主洞內(nèi)徑為2.7 m；平面上，尾水系統(tǒng)直線布置；立面上，尾水隧洞為“龍?zhí)ь^”布置，考慮方便進人檢修，平洞段縱坡設(shè)為1%，設(shè)尾水調(diào)壓室。尾水鋼岔管采用Y型岔布置，尾水支管管徑為2.26 m。下庫進/出水口為側(cè)式(岸塔式)進/出水口。

3)地下廠房

地下廠房采用首部式開發(fā)方案，上覆巖體厚度為93～103 m，廠房軸線方向為 NW31°。主機間、安裝間、副廠房兼主變室布置在同一洞室內(nèi)，引水鋼支管正向進廠，尾水管正向出廠。地下廠房開挖尺寸為72.0 m×16.0 m×29.0 m(長×寬×高)，廠房內(nèi)布置2 臺單機容量為10 MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機組，機組安裝高程為-27.0 m，機組間距為12.0 m。地下附屬洞室主要有交通洞、電纜兼出線洞等。

4)尾水圍護結(jié)構(gòu)

由于下庫進/出水口位于海岸，為了減小海上風浪及泥沙對海面取水口的影響并降低取水口抽取海水對周邊海洋生物的影響，擬于下庫進/出水口海灣附近設(shè)尾水圍護結(jié)構(gòu)，構(gòu)建相對封閉又透水的下庫進/出水口取用水環(huán)境。尾水防護結(jié)構(gòu)初擬采用拋填扭王塊至海中堆積形成防浪壩，壩頂寬為3 m，壩頂高程為3.0 m，總長約為150 m。

3.2方案2(明管+地面廠房方案)

主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地面廠房、尾水圍護結(jié)構(gòu)等組成。上水庫利用天然庫盆筑壩成庫，在上水庫與外海之間布置引水系統(tǒng)1管2機、尾水系統(tǒng)1管1機、尾部式地面廠房的樞紐布置方案。上水庫及尾水圍護結(jié)構(gòu)同方案1。圖5是方案2樞紐布置示意，圖6是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖5 方案二樞紐布置示意(明管+地面廠房)

圖6 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(明管+地面廠房)

1)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)主要包括上庫進/出水口、壓力明鋼管、引水支管、尾水壓力鋼管、下庫進/出水口等建筑物。引水系統(tǒng)采用1管2機的供水方式，設(shè)地面調(diào)壓塔；尾水系統(tǒng)采用1管1機的供水方式。為盡量減少挖方，地面廠房盡量靠近尾部，正向進水，正向(垂直廠房軸線)出水。輸水系統(tǒng)總長為860 m,水頭損失與方案1接近。

上庫進/出水口為側(cè)式進水口，穿壩而設(shè)，設(shè)事故檢修閘門井一道，啟閉機室位于壩頂。引水系統(tǒng)全長為770 m，主管內(nèi)徑為2.35 m。平面上，引水系統(tǒng)呈折線布置；立面上，從壩后接引水明管，設(shè)地面調(diào)壓塔，調(diào)壓塔前1管2機布置，管長為460 m；調(diào)壓塔后采用1管1機，接2條引水明支管，引水支管直徑初擬為1.15 m，管長為310 m；沿地面開挖線布置進入廠房。尾水系統(tǒng)總長為90 m，1管1機布置，管內(nèi)徑為2.26 m。平面上，尾水系統(tǒng)直線布置；立面上，尾水系統(tǒng)沿開挖面布置，全段均采用鋼管。下庫進/出水口為側(cè)式(岸塔式)進水口。

2)地面廠房

地面廠房采用半埋式地下結(jié)構(gòu)，廠房軸線方向為 NE20°。主機間、安裝間、副廠房兼主變室并行布置，地面開關(guān)站布置在主廠房的左側(cè)。廠房底板開挖至高程為-35.0 m，四周采用混凝土回填至發(fā)電機層高程為-19.0 m，并在下游側(cè)設(shè)置防浪墻，墻頂高程為6.0 m。廠房尺寸及機組安裝高同方案一。

若考慮防鹽霧需求，可將地面廠房做成全封閉式的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，設(shè)玻璃幕墻或玻璃頂拱，在保證自然采光的同時又可以做到廠房與空氣的隔絕，有利于廠房及機組設(shè)備防鹽霧。

3.3 方案3(明管+地下廠房方案)

樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、尾水圍護結(jié)構(gòu)等組成。根據(jù)地形地質(zhì)條件，上水庫利用天然庫盆筑壩成庫，在上水庫與外海之間布置輸水系統(tǒng)1管2機、尾部式地下廠房的樞紐布置方案。上水庫及尾水圍護結(jié)構(gòu)同方案1。圖7是方案1樞紐布置示意，圖8是輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意。

圖7 方案三樞紐布置示意(明管+地下廠房)

圖8 輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面示意(明管+地下廠房)

1)輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)主要包括上庫進出水口、壓力明鋼管、引水支管、尾水壓力鋼管、下庫進出水口等建筑物。輸水系統(tǒng)采用1管2機的供水方式，設(shè)上游調(diào)壓塔，總長為960 m,水頭損失與方案1接近，隧洞均采用鋼板襯砌。

上庫進/出水口為側(cè)式進水口，穿壩而設(shè)，設(shè)事故檢修閘門井一道，啟閉機室位于壩頂。引水系統(tǒng)全長為725 m，主管內(nèi)徑為2.4 m。平面上，引水系統(tǒng)呈折線布置；立面上，從壩后接引水明鋼管，設(shè)地面調(diào)壓塔，調(diào)壓塔前管長為560 m；調(diào)壓塔底部設(shè)一級豎井接平洞進入地下廠房，隧洞長為165 m，主洞內(nèi)徑為為2.4 m；岔管采用Y型岔布置，引水支管內(nèi)徑為1.15 m。尾水系統(tǒng)總長為235 m，主洞內(nèi)徑為2.4 m；平面上，尾水系統(tǒng)直線布置；立面上，尾水隧洞為“龍?zhí)ь^”布置，考慮方便進人檢修，平洞段縱坡設(shè)1%，小斜井靠近下庫閘門井；岔管采用Y型岔布置，尾水支管內(nèi)徑初擬2.26 m。下庫進/出水口為側(cè)式(岸塔式)進水口。

2)地下廠房

地下廠房采用尾部式開發(fā)方案，上覆巖體厚度為93～117 m，廠房軸線方向為 NW12°。主機間、安裝間、副廠房兼主變室布置在同一洞室內(nèi)，引水鋼支管正向進廠，尾水管正向出廠。地下廠房開挖尺寸為72.0 m×16.0 m×29.0 m(長×寬×高)，廠房內(nèi)布置2 臺單機容量為10 MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機組，機組安裝高程為-27.0 m，機組間距為12.0 m。地下附屬洞室主要有交通洞、電纜兼出線洞等。

3.4 各方案投資匡算

各方案投資匡算見表1。

表1 各方案投資匡算

4 方案比較及分析

各方案技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)缺點比較見表2。

表2 各方案技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)缺點比選

根據(jù)方案比選，方案1建筑物及機電設(shè)備深埋地下，有利于防腐防鹽霧及防風防浪，洞挖料可一定程度上解決海島天然建材缺乏的問題，但工程檢修較不易，工程造價相對較大，施工工期長，通風設(shè)備布置困難；方案2不利于防腐防鹽霧及防風防浪，需要考慮無組織滲透風，地表開挖大，征地范圍大，對海島陸地生態(tài)環(huán)境影響較大，且天然建材需大量通過外運解決，但工程檢修方便，相對于方案1在工程造價及施工工期上有一定的優(yōu)勢；方案3的優(yōu)劣介于方案1及方案2之間。

從工程投資、施工工期等技術(shù)經(jīng)濟指標來看，在不考慮征地和海島環(huán)保等制約因素的前提下，方案2相對較優(yōu)，但3個方案的指標差別并不是很大；考慮海島上對征地、環(huán)保的要求較為嚴格，且可能涉及軍事用地及國防安全，方案1最大限度減少了地表開挖，且地下工程的開挖料可解決天然建材不足的問題，從征地、環(huán)保角度來說最優(yōu)，此外在海島臺風、濕鹽環(huán)境下地下廠房也相對有利，故推薦采用方案1，即隧洞+地下廠房方案。

5 結(jié)語

本文以大萬山站址為典型站址，結(jié)合常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計經(jīng)驗并考慮海島環(huán)境的特殊性，提出了3個代表性的樞紐布置方案進行海島抽水蓄能電站樞紐布置的研究；其中，方案1為隧洞+地下廠房方案，方案2為明管+地面廠房方案，方案3為明管+地下廠房方案。

根據(jù)方案比較分析，3種樞紐布置型式技術(shù)經(jīng)濟性差異不大，但隧洞+地下廠房布置可以最大限度減少地表開挖，從環(huán)保角度最優(yōu)；洞挖料可以一定程度上解決海島天然建材不足的問題，降低由于大量天然建材需海運造成的昂貴成本；同時，考慮海島臺風、濕鹽的特殊環(huán)境，地下廠房布置也最有利。因此，綜合考慮海島脆弱的生態(tài)現(xiàn)狀、有限的施工條件以及臺風鹽濕的特殊環(huán)境，海島抽水蓄能電站樞紐布置宜首推隧洞+地下廠房布置方案。

此外，在海島抽水蓄能電站的樞紐布置設(shè)計中，與常規(guī)陸地淡水抽水蓄能相比，考慮海水環(huán)境、海洋邊界帶來的特殊性，還應(yīng)考慮以下問題：

1)由于海水存在高腐蝕性以及海洋微生物的附著問題，輸水系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮檢修方便，相關(guān)的建筑物均應(yīng)考慮適宜的防腐防污設(shè)計；

2)為減小海水滲透對地下水環(huán)境的污染問題，輸水系統(tǒng)管道應(yīng)采用鋼板等不透水材料襯砌，上水庫應(yīng)進行全庫盆防滲并設(shè)庫盆滲漏收集系統(tǒng)；

3)為減小海上風浪及泥沙對海面取水口的影響并降低取水口抽取海水對周邊海洋生物的影響，下庫進/出水口海灣附近應(yīng)設(shè)尾水圍護結(jié)構(gòu)。