单库海水抽水蓄能电站技术研究

侯平利，柴建峰，陈 雄，江才俊

（1.中广核工程有限公司，广东省深圳市 518052；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

单库海水抽水蓄能电站技术研究

侯平利1，柴建峰2，陈 雄1，江才俊1

（1.中广核工程有限公司，广东省深圳市 518052；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

本文涉及一种对常规电力、风电或太阳能进行排水蓄能的新型水力发电装置技术的探讨。在天然海湾采用拦水坝建造水库，将海湾分为外部海洋及坝内水库，利用排水泵对水库进行排水以降低水位，而坝外海洋水位不变，从而获得与坝外海洋水面的水位差进行蓄能，并提供一定的水头供水轮机发电。本技术克服了现有抽水蓄能电站占用大量耕地、破坏生态环境、远离海上风电场址的缺陷。

蓄能电站；风电；水轮机

0 引言

电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高；下半夜大幅度地下跌，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。

抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化时流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况效益更佳[1]。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点，又是电力用户；并成为电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式。

随着世界能源日益紧缺和全球变暖趋势增强，作为节能减排的重要手段之一，世界风力发电发展迅速，技术不断进步。与其他可再生能源相比，风力发电最便宜，是我国重要的能源资源。但是风力发电受地域环境影响比较大，自然风存在随机性和不稳定等特点，大比重风电直接输入电网可能对电网安全、稳定、经济运行带来潜在风险，难以满足电网对于电能质量的要求。

为了保证电网按照要求安全、稳定和优质运行，在将波动的风能引入电网时必须采取适当的控制方法。在许多情况下，为了保证每年风力发电量电网中比较高的份额都需要采用蓄能系统。风电蓄能技术通过风电的转换储存，不仅可以向电网提供高品质的电能，而且也可以增加风电的运行效益，从而提高风电在能源市场的竞争力。

目前，储存风能的模型有很多种，其中抽水蓄能是当前最经济、最成熟的大规模储能装置。它可以直接平衡风力发电厂输出电力的波动。

本文在现有抽水蓄能及潮汐电站技术基础上，提出了一种新型的水力蓄能技术，并与现有技术进行了对比分析。

1 现有技术

1.1 现有技术（一）

1.1.1 技术方案

抽水蓄能电厂是水电厂的一种类型，它主要由上水库、引水系统、水电厂和下水库组成，如图1所示。在水电厂的上游建有蓄水库，下游也建有蓄水库，在电力系统高峰负荷时期，利用上水库的水通过引水系统闸门、管道和调压井等设施，将上水库水的位能转变成动能推动水轮机旋转，带动与水轮机同轴的发电机发电；在低谷负荷时期，将下水库的水再通过引水系统闸门、管道和调压井等设施抽回上水库蓄积起来，此时发电机转变为电动机，水轮机转变成水泵。

1.1.2 技术缺陷

抽水蓄能电站需建设上、下两个水库，对生态环境会造成一定的影响，有些项目甚至对生态环境造成严重影响和破坏[3-5]。水电发电厂对环境造成的影响，抽水蓄能电站也一样，如地质环境的影响及灾害隐患、植被破坏、河流的生态系统等。建设抽水蓄能电站同样需淹没大量耕地，造成耕地资源占用，且涉及移民问题，因其占地和涉及人口多，部分库区耕地资源十分有限，导致人地矛盾集中。

另外，近年来海上风电的规模迅速扩大，由于风电输出不稳定的特点，必须配套以抽水蓄能为代表的蓄能措施。在无法借助天然河道与湖泊的情况下，现有抽水蓄能电站技术需要淹没大量耕地，很难在沿海寻找合适场址。

1.2 现有技术（二）

1.2.1 技术方案

潮汐发电是水力发电的一种。在有条件的海湾或感潮口建筑堤坝、闸门和厂房，围成水库，水库水位与外海潮位之间形成一定的潮差（即工作水头），从而可驱动水轮发电机组发电。

1.2.2 技术缺陷

潮汐发电站在设计上只能储存潮汐能，水位差涨落由自然决定，不能作为电力蓄能电站。

2 本技术方案详细描述

2.1 所要解决的技术问题

本技术方案克服了现有抽水蓄能电站占用大量耕地、破坏生态环境、远离海上风电场址的缺陷[6]，可以围海造田、增加土地，还可进行海产养殖及发展旅游。本技术方案在海湾建设蓄能电站，可以用作海上风电及其他各种电源的蓄能电站。

2.2 技术方案

本技术方案在有条件的海湾构筑拦水坝围成水库（见图2），通过排水泵向坝外海洋排水，使水库水位低于外部水域水位，从而在水库水位与外部水域水位之间形成一定的工作水头（见图3），可驱动设在坝底的水轮发电机组（见图3）发电。

在海湾构筑拦水坝水库、海水水轮机都是成熟的技术，已为多年发展的潮汐电站所采用。

排水泵由外部电力驱动，如风电、火电或其他电源，可设在坝底或坝顶。坝高可为10m以上，水轮机为大流量低压头。考虑到海湾排水型蓄能电站专用库具有大库容、低水头等显著特点，其水轮机的选型可借鉴潮汐发电中广泛应用的低水头、大流量的贯流式水轮机。贯流式水轮机的适用水头1～25m，效率高投资低，近年来发展较快，而且功率也越来越大，单机容量最大的是日本只见（Tadami）水电站[7]，达65.8MW，转轮直径6.7m，最大水头20.7m。中国自行研制的贯流式水轮机单机容量50MW，转轮直径7m，用于常规水电站。海水、海生物对金属结构物和海工建筑物有腐蚀和沾污作用，尤其是对水轮机影响，国内研究相对滞后，需在技术应用中采取积极的防腐措施。

海湾排水型蓄能电站专用库的库容由外接风电场、光伏等装机容量和电网消纳能力等因素综合确定，水库容积水量还受所选场址海湾水深、大坝长度、所围海湾面积影响，也可通过开挖库床加大库深来提高库容。

海湾排水型蓄能电站专用水库多建在港湾海口，通常水深坝长，施工、地基处理及防淤等问题较困难。但近十几年以来，随着我国大规模的近海工程建设，如码头、填海筑岛、沉管隧道和核电站等项目的建设，积累了丰富的工程建设和运营管理经验。以上问题已不再是限制海湾排水型抽蓄电站建设和运营的关键因素。

本技术方案采用排水泵对水库进行排水以降低水位，而坝外海洋水位不变，可获得与坝外海洋水面的水位差，提供一定的水头供水轮机发电， 在水位能量释放过程中，水库水位逐渐变化，对发电能力有关键影响，外部海洋水量视为无穷大，不影响发电能力。现有技术中，上水库与下水库的高程差异较大，下水库水位的变化对蓄能影响可以忽略， 但是上水库水量是有限的，对发电能力有关键影响。

2.3 本技术方案带来的技术效果

（1）海洋作为拦水坝外部水域，其作用相当于现有抽水蓄能电站中的上水库，天然现成，无需占用耕地。

（2）拦水坝内水库作用相当于现有抽水蓄能电站中的下水库，依海湾天然之势而建，杜绝了现有技术中下水库占用耕地、需要移民的缺点，并可以围海造田、增加耕地。

（3）现有技术中，上水库与下水库之间距离较远，引水系统较长，建筑费用高，且引水管道沿程阻力损失较大，由此引起的水泵功耗较为可观。本技术方案水库与外海之间仅隔一座拦水坝，排水管道距离短，管道建筑费用少，因沿程阻力损失增加的泵功也非常小。

（4）本技术方案场址可与海上风电场址匹配，方便海上风电蓄能，现有技术需在沿海建造上水库，受地形、环保因素影响大，选址难度大。

（5）技术（二）中的水库结构与本技术方案有相似之处，但在工作原理、关键设备操作及用途上是十分不同的， 潮汐电站无法作为电能的蓄能电站。

3 针对2中的技术方案的替换方案

（1）本技术方案水库选址除了海湾， 可依有条件的独立岛屿的海岸而建，也可以在内陆深水湖泊、水库沿岸建设，方便内陆电能的蓄能。

（2）在2描述的技术方案中，水轮机和排水泵是分立的，替代方案可以把它们合并起来，采用可逆式水泵水轮机。

（3）在2描述的技术方案中，排水泵驱动方式为外部电源，替代方案可以采用风力机变速齿轮箱直接驱动。

4 结束语

本技术方案在天然海湾采用拦水坝建造水库，将海湾分为外部海洋及坝内水库，利用排水泵对水库进行排水以降低水位，而坝外海洋水位不变，从而获得与坝外海洋水面的水位差进行蓄能，并提供一定的水头供水轮机发电。 在蓄能释放过程中，逐渐变化的水库水位对发电能力有关键影响，而外部海洋蓄积水量视为无穷大，对发电能力无影响。现有技术中，上水库与下水库的高程差异较大，下水库水位的变化对发电能力影响可以忽略，但是上水库蓄积水量变化对发电能力有关键影响。

[1]杨高强．抽水蓄能机组与火电机组启停调峰过程的比较分析．长沙理工大学，硕士学位论文，2003．

[2]国家电网公司．一种风电与蓄能联合系统．发明人： 冯煜尧，杨增辉， 余颖辉．

[3]王英．水电工程陆生生态环境影响评价与生态管理研究．西北大学环境科学，硕士学位论文，2007．

[4]丁祖荣．响水涧抽水蓄能电站工程对动物资源的影响[J]．国土与自然资源研究，1999（03）：62-64．DING Zurong． Research on the influence of Xiangshuijian pumping and storing energy power station on the animal resource[J]．Territory & Natural Resources Study，1999（03）：62-64．

[5]彭辉，叶建军，周明涛．水利水电工程建设中存在的环境问题[J]．水土保持研究，2005，12（2）：154-156．Penghui，The Environmental Problems of Hydroelectric Projects Construction[J]． Research of Soil and Water Conservation， 2005，12（2）：154-156．

[6]中广核工程有限公司，中国广核集团有限公司．排水蓄能电站．发明人：侯平利．

[7]刘启明，胡明．水电站[M]．北京：中国水利水电出版社，2013．

2017-01-13

2017-08-25

侯平利（1977—），男，博士，高级工程师，主要研究方向：热能与动力工程。E-mail：569708358@qq．com

柴建峰（1977—），男，博士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要研究方向：水文地质与工程地质。E-mail：623509677@qq．com

陈 雄（1983—），男，本科，工程师，主要研究方向：热能与动力工程。E-mail：davycohen@163．com

江才俊（1980—），男，硕士，工程师，主要研究方向：热能与动力工程。E-mail：jiangcaijun@cgnpc．com．cn

Study of Technology of Single-reservoir Water Pumped Storage Power Station

HOU Pingli1， CHAI Jianfeng2， CHEN Xiong1， JIANG Caijun1
（1.China Nuclear Power Design Co.Ltd.， Shenzhen 518052，China； 2. Technology Center， State Grid Xinyuan Co.Ltd.， Beijing 100161，China）

In this paper a kind of new technology of hydraulic electrogenerating storage for conventional power， wind power or solar power is discussed. The paper presents that the artificial marine lake surrounded by dam engineering can been used as the lower storage reservoir for pumped storage station. This technology will have no defects of available water pumped storage power station， such as land occupation， ecological damage.

water pumped storage power station； wind power；hydro-turbine

TV213

A学科代码：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．004