海水抽水蓄能电站发展及应用

张 旭，张 鹏，陈 昕

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉430010）

0 引言

抽水蓄能电站不但能调峰填谷，且启动迅速、运行灵活，能快速响应电网负荷的变化，承担着调峰调频、调相、事故备用和黑启动等任务，在电力系统中发挥着重要作用。

利用江河湖泊淡水的抽水蓄能电站，常常会受到自然环境、气候条件、地形地貌等客观条件的限制，工程条件较好的站点已经开发，新电站的选址日益困难。另一方面，我国沿海经济发达地区的电力负荷峰谷日益增大，同时海上高速发展的新能源发电，沿海核电、海岛燃油发电和多能互补供电系统等都亟需合适的储能系统来配合以解决其不稳定性、间歇性等问题，因而，海水抽水蓄能技术越来越受到国家的重视。我国在《水电发展“十三五”规划》中提出要推动建设海水抽水蓄能电站示范项目，以填补我国在此领域的空白。

由于海水抽水蓄能电站的工程建设、运行环境较淡水抽水蓄能电站的更为复杂，需重点关注电站在海洋环境下运行的性能、寿命、稳定性以及环境保护等问题。本文将主要对这些问题的影响因素进行探讨，并在国内外研究和工程经验的基础上提出一些解决方案。最后，本文将结合我国的实际情况探讨海水抽水蓄能电站与新能源联合运行、可连续调

速的可变速抽水蓄能机组的应用等拓展方向。

1 型式及工作原理

1.1 常规海水抽水蓄能电站

在海边的高地上设置水库作为海水抽水蓄能系统的上库，利用现有的海洋作为系统的下库。在抽水工况时，电能驱动水泵水轮机组将海水抽至上库，将电能转换为海水的势能；在发电工况时，海水通过水泵水轮机组从上库排至海洋，将海水的势能转化为电能。常规海水抽水蓄能电站的示意图如图1所示。

图1 常规海水抽水蓄能电站示意图

常规的海水抽水蓄能电站具有如下两点优势：①不需要专门建设下库，降低了工程费用；②可以建在给沿海经济发达地区供电的大型电源点（如火电厂、核电厂、风电场和潮汐电厂）附近，也可以建在靠近负荷中心周边的海边，降低了输电成本。

1.2 其他型式海水抽水蓄能电站

（1）排水型海水抽水蓄能电站

排水型抽水蓄能电站的工作原理与潮汐电站类似，通过在海湾附近修筑水坝，将坝内的水库作为电站的下库，坝外的海洋作为电站的上库，利用水坝内外海水落差进行蓄能和发电[1]，如图2所示。

图2 排水型海水抽水蓄能电站示意图

我国滩涂开发利用程度较高，常用于海产养殖、海涂围垦、港口航运、建闸蓄淡等；另外排水型抽水蓄能电站水头较低，对库容要求也较大，因此选择库容满足要求、同时地形地貌、水文地质、泥沙等条件适宜的站点是建设排水型海水抽水蓄能电站的难点。

（2）沉箱式海水抽水蓄能电站

沉箱式海水抽水蓄能电站是将混凝土沉箱下沉至地下形成封闭蓄水池，作为电站的下水库，海洋作为电站的上水库，如图3所示。沉箱形成的下水库一般库容较小，电站装机容量受到限制。

图3 沉箱式海水抽水蓄能电站剖面示意图

由于地下的土体空隙及岩体裂隙有大量的地下水，将对沉箱产生浮托力，特别是当沉箱内水位较低时，沉箱自重小于浮托力，如不采取合适的抗浮措施，将导致沉箱上浮失稳，影响电站正常运行，因此，建设沉箱式抽水蓄能电站需处理好沉箱的抗浮问题。

2 国内外发展

2.1 国外发展

日本资源匮乏，四面环海，且海岸线地势陡峭，在建设海水抽水蓄能电站方面有着迫切需要和先天优势。自第1座海水抽水蓄能电站在日本投入运行以来，日本在海水抽水蓄能技术领域一直处于领先地位。

日本在1981年就开始了海水抽水蓄能的基本研究试验工作[2-3]。1991年开工建设世界首座海水抽水蓄能电站—冲绳（Okinawa Yambaru）电站，1999年3月投入试运行，2003年底试运行结束后被日本电力开发有限公司接管。通过电站近5年的试运行，证实了海水抽水蓄能电站的合理性和可靠性，为以后海水抽水蓄能电站的建设、运行提供了重要经验。冲绳海水抽水蓄能电站的鸟瞰图如图4所示。

图4 冲绳海水抽水蓄能电站鸟瞰图

随着常规能源的消耗以及新能源发电技术的发展，爱尔兰、智利等拥有丰富海洋资源的国家，也开始部署海水抽水蓄能技术的相关试验研究工作[4-6]。各国研究的内容主要集中在海水抽水蓄能电站的选址及可行性评估；海水抽水蓄能电站与风电、太阳能、潮流能等新能源联合运行；机组的防腐蚀及稳定运行研究；新型海水抽水蓄能电站研究等方向[7-11]。

2.2 国内发展

我国海岸线长约18 000多km，岛屿6 000多个，具有建设海水抽水蓄能电站的优越条件。近年来，相关科研、设计单位及机组厂家也积极参与海水抽水蓄能技术的相关课题和关键技术的研究工作。水电水利规划总院2013年组织相关单位开展了沿海地区海水蓄能开发潜力的评价工作，于2015年受能源局委托牵头组织开展了海水抽水蓄能电站资源普查工作，共确定了238个站点，如表1所示[12]。在普查站点的基础上，重点考察了各站点的工程地形、工程布置、交通运输等工程建设条件以及开发价值，最终确定了8个示范工程站点，并对各示范站点在技术可行性和经济合理性上做了评估[12-15]。

表1 全国海水抽水蓄能资源普查成果汇总表[12]

8个示范站点分布在浙江、广东和福建三省。各示范站点的装机容量都在1～5万kW之间，相对于国内新建的淡水抽水蓄能电站，其装机容量偏低，也直接导致各示范站点的单位kW投资偏高，其经济效益并无优势。但海水抽水蓄能电站并不存在移民、淹没损失等问题，随着开发条件较好的淡水抽水蓄能站点减少，海水抽水蓄能技术的日臻完善，其经济效益也会日益体现。

3 工程难点与挑战

海水抽水蓄能电站的工程环境相对复杂，对电站的设计、建设和运行要求更高，主要表现在以下几个方面。

3.1 电站性能和寿命

3.1.1 影响因素

海水抽水蓄能电站的性能和寿命受海水腐蚀和海洋生物的附着影响较大。电站中的水泵水轮机、压力管道等重要设备或土建结构，其表面与海水直接接触时容易被海水腐蚀，另外海洋生物在这些构件和设备中附着并大量繁殖时，也会腐蚀其接触表面。一旦设备或构件被腐蚀破坏，不但会增加电站维护成本，缩短电站使用寿命，还会影响电站性能，降低电站的效率[16]。

当电站引水流道、尾水流道或机组流道等被腐蚀或被海洋生物附着，将导致电站流道水力损失增大，电站效率下降；当水库库盆被海洋生物大量附着，将使库盆的防渗系统品质恶化，增加了库盆内海水泄漏的风险；当机组冷却系统被海水腐蚀或海洋生物附着，不但会影响机组的冷却效果，甚至冷却管道会被海洋生物阻塞，导致机组无法运行。

3.1.2 解决方案

为避免海水和海洋生物腐蚀损坏设备，应尽量减少重要设备与海水直接接触，如机组的冷却系统可采用间接冷却方式。当设备或构件必须与海水接触时，可采用耐腐蚀材料制造、防腐蚀涂装或电气防腐蚀等方式缓解海水腐蚀对设备的损伤[17-18]。

电站的压力钢管制造材料除防水性能优良外，还应耐腐蚀性能、防海洋生物附着性能良好。如冲绳海水抽水蓄能电站压力钢管采用了玻璃钢FRP（Fiber Reinforced Plastics）材料制造[19]，经过 5 年试运行后，与海水接触的表面未发现有腐蚀损伤现象，海洋生物也不易在其表面附着。对于电站的土建结构，其混凝土应采用海洋混凝土标准，以提高其耐海水腐蚀性能，延长使用寿命。另外，机组的锥管及肘管部分可采用玻璃鳞片的乙烯基酯树脂涂装，冷却系统管路内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着，保证设备的寿命和电站的效率[20]。

电站在运行期间应定期检查设备腐蚀及海洋生物的附着情况，制定合理的处理、维护方案，必要时需更换设备或清除附着的海洋生物。

3.2 电站安全稳定运行

3.2.1 影响因素

沿海地区的自然灾害相对频繁，如风暴潮、赤潮、龙卷风、雷电及地震等可能危及电站的安全；另外，台风、洋流、潮汐等会导致电站水位落差急剧变化，致使机组运行的稳定性变差；海洋中的漂浮物堆积也可能掩埋电站进出水口，影响电站正常运行。

3.2.2 解决方案

在电站设计、建设和运行时应考虑相应的防范自然灾害的措施，提高电站防自然灾害的设计等级。

对于水位落差急剧变化，可在水泵水轮机进行水力设计时，考虑上述不利因素的影响，平滑化处理发电及抽水工况。在电站设计中应选择合适的进出水口位置，并在进出水口前设置透过型消波堤坝，以缓解潮位剧烈变化对电站的影响，同时也能阻挡漂浮物掩埋进出水口，冲绳抽水蓄能电站的消波堤坝如图5所示。

图5 冲绳抽水蓄能电站消波堤坝

3.3 环境保护

3.3.1 影响因素

国内大部分淡水抽水蓄能电站都存在水库库盆渗漏问题，而海水抽水蓄能电站的海水一旦渗透到土壤中将导致电站周围的地下水和土壤污染，因此其水库防渗要求更为严格。另外上水库周围的空气和土壤中盐分较高，可能对周围动植物产生影响，电站运行过程中的抽水和排水也可能对下库进出水口处的生物产生影响。

3.3.2 解决方案

为保护水库周围的土壤和地下水，在水库防渗处理时，可在采用合理的库盆防渗系统基础上，在库盆表面覆盖一层防渗漏合成橡胶材料EPDM（ethylene propylene diene terpolymers）层以增加水库防海水渗透的安全性。同时可设置海水渗透监测系统，保证能及时发现异常现象并采取补救措施[19]。

应加强电站对周围环境影响的评估工作，经常检测电站周围动植物、海洋生物的数量和种类。另外，进出水口处的消波堤坝也能缓解电站运行对珊瑚礁等海洋生物的不利影响。

4 拓展方向

4.1 与新能源发电联合运行

我国沿海地区经济发达，电力负荷的峰谷差日益增大，电网对抽水蓄能电站的需求也日趋明显。另一方面，沿海地区的新能源发电，如高速发展的海上风电、光伏等，也需要抽水蓄能电站与之联合运行，以解决其间断性、不稳定性等问题。另外，我国核电主要分布在沿海地区，但核电常常带基荷运行，负荷调节性能差，建设在海边的海水抽水蓄能电站能有效避免核电机组通过频繁升降负荷进行调峰，提高了核电站的安全性。

我国海域的海岛众多，但偏远海岛的开发受到电力、饮用水和交通的制约，其电力供应主要依靠燃油发电或风电、太阳能等可再生能源[21]。若在海岛建设海水抽水蓄能电站，不但能提高燃油供电体系的稳定性，而且还能与风电、光伏建立风能-太阳能-海水抽水蓄能联合发电混合系统，实现岛屿的安全独立供电[22]。

4.2 可连续调速的可变速机组

相对于常规抽水蓄能机组（Pumped Storage Unit，PSU）和分档调速的可变速机组（Pole-changing Pumped Storage Unit，PCPSU），可连续调速的可变速机组（Adjustable Speed Pumped Storage Unit，ASPSU）的转速在一定范围内可动态调节，功率和水头变幅范围可以更广，且能一直保持在较高效率和稳定状态运行；同时，ASPSU机组对电网响应速度更快，扰动小，对电网的安全稳定更有利。

在电站自身运行方面，由于海水抽水蓄能机组在海洋复杂的环境下运行，虽然消波堤坝缓解了台风、潮汐、洋流等引起的水位急剧变化，但依然会导致机组水头运行范围较大变动，采用水头运行范围广、调节速度快的ASPSU机组能有效减轻系统运行波动，提高机组运行稳定性；另一方面，ASPSU机组高效率区更广，能降低电站在能源转换过程中的能量损失。

在接入电网及与新能源联合运行方面，ASPSU机组除了可以承担削峰填谷的常规作用外，还可以灵活地调节发出的有功功率和无功功率，有利于提高电网的稳定性；此外，ASPSU机组采用的是电力电子器件控制，响应速度快，其转速和功率可根据新能源的发电量动态调节，进而可以提高电网系统中新能源电源的利用率，客观上可以促进风电、光伏等新能源电源的消纳。

目前，在我国已投入运行的采用PCPSU机组的有岗南、密云、潘家口和响洪甸4座淡水抽水蓄能电站，在建的丰宁二期拟采用ASPSU机组。由于ASPSU机组的技术优势，以及其对于海水抽水蓄能电站的重大意义，将ASPSU机组应用于海水抽水蓄能电站将是未来海水抽水蓄能技术发展不可或缺的一部分。

5 结语

本文主要介绍了海水抽水蓄能的发展情况，并就电站安全稳定运行、电站的性能和寿命以及环境保护等需要重点关注的问题以及相应解决方案进行了探讨，最后结合我国实际情况，提出了海水抽水蓄能电站相关的拓展方向。

虽然海水抽水蓄能电站的建设和运行面临众多技术挑战，但只要采取合理的解决方案，其和淡水抽水蓄能电站拥有着同样的安全可靠性。另外，我国应在海水抽水蓄能电站与新能源发电联合运行、连续调速的可变速机组的应用等发展方向进行重点研究，并结合自身资源优势，在借鉴国外技术和经验的基础上探寻海水抽水蓄能发展的新途径。