海水抽水蓄能电站设计关键技术问题研讨

2022-01-24吴新平吴林波吴秋芳李定林

中国农村水利水电 2022年1期

滕军，吴新平，吴林波，吴秋芳，李定林，章鹏，陈满

（1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；2.南方电网调峰调频发电有限公司，广州 510635）

0 引言

海水环境对电站造成的污损、腐蚀和海水渗漏或溢出对环境的威胁，超出现行抽水蓄能行业的设计标准；海浪的激烈波动造成蓄能机组尾水水位变化大，对电站和机组安全稳定性和经济运行形成挑战。

目前，日本、德国、希腊、英国、美国、印尼等诸多国家针对海水抽水蓄能电站，围绕解决海水环境对电站建筑物和机电设备的影响及环境等问题都开展了一系列科学研究。在海水抽水蓄能规划、设计及集成应用关键技术方面，日本1999年在冲绳建成世界上第一座海水抽水蓄能电站［1］，希腊正在开展规划。我国已在2014年完成沿海地区蓄能资源开发潜力的评价，但仍未形成一套针对海水抽水蓄能站点的选址及设计方法。

为持续推动智能电网技术创新、支撑能源结构清洁化转型和能源消费革命，从基础研究、重大共性关键技术研究到典型应用示范全链条布局，实现智能电网关键装备国产化，2017年，国家重点研发计划《海水抽水蓄能电站前瞻技术研究》通过立项，拟突破海水环境对电站设计形成的瓶颈，对海水抽水蓄能电站前瞻设计的共性关键问题开展了深入的研究与实证。

1 资源评估与选址原则研究

海水抽水蓄能电站的站址选择需关注工程所在地的新能源规模、电源结构、产业发展、社会风险和工程区建设条件等。

2014年，国家能源局组织开展了全国海水抽水蓄能资源普查（见表1）。

表1 全国海水抽水蓄能电站资源站址成果表［2］

经复查统计，从全国8省区海水抽蓄站址资源来看，装机规模在500 MW 以上的海岸型站址仅有21 个，大多分布在广东、福建和浙江3 省。根据3 省区陆上常规抽水蓄能最新选点规划报告成果，常规蓄能站点的资源储备丰富，不乏条件较优的常规站址资源等待开发。因此，从建设条件、装机规模、投资和开发阻力来看，海岸型海水抽水蓄能电站难以与常规抽蓄电站竞争。因此，研究海水抽水蓄能电站须从海岛型站址入手。

海岛型抽水蓄能站址建设规模虽然不大，但由于距大陆较远，有一定的负荷需求和发展，具备与新能源形成充分的风光储互补网络结构，可结合常规能源和当地未来发展预测，打造智能微型电网［3］。

为此选择了珠海大万山岛作为代表性站点，作为科学研究的基础。

大万山岛站址基本参数见表2。

表2 大万山岛站址基本参数表

2 水工建筑物设计关键问题研究

2.1 上水库

海水抽水蓄能上水库的布置方案、结构型式、防渗型式等的设计需考虑：海水的强腐蚀性对大坝及库盆防渗的选材提出了更高要求；大坝布置及防渗结构须考虑生物附着问题及可检修性，避免因生物附着降低系统的整体效率；库盆及大坝防渗结构上要求实现更严格的防渗效果。设计方案是采用有优异的防渗性、柔性、耐老化性能的CM∕EPDM 防水卷材与强度高且有一定柔性的PE防水卷材相结合方案［3］，该新型双层热复合防水卷材可以实施焊接，施工工艺简单，防渗效果优异。根据研究成果，新型耐海水复合防渗土工膜防渗等级均达到P12 或以上，具有优异的耐水性、耐盐性、耐候性和机械性能，可以在工程中得到应用。

海水抽水蓄能电站相比常规抽水蓄能电站，水库大坝规模较小，且上水库集雨面积较小，可不设置专门的泄水建筑，结合电站调度，利用输水建筑物下泄洪水，一方面节省投资，更重要的是避免因泄洪产生的环境污染问题。

由于海水抽水蓄能电站站址多处在热带风暴的活动范围，易受风暴潮及台风等的侵袭，为此开展上库水位壅高计算方法，确定坝顶高程的设计原则，不仅具有重要的科学意义，对工程设计也有实际指导意义。《海水抽水蓄能电站前瞻技术研究》针对海水抽水蓄能电站上水库在台风作用下的波浪特征及壅高问题，在风浪水槽中开展了断面模型试验研究，并开展了相应的风暴潮及台风浪数值模拟分析，台风浪数值模拟结果与试验结果反映出来的风浪特征基本一致，表明建立的数值模拟方法可为后续海水抽水蓄能电站上库库水壅高计算分析提供有力的技术支撑。

2.2 输水系统

相比于常规抽水蓄能电站，工作介质的不同将使海水抽水蓄能输水系统的布置方案产生差异：以藤壶为例，藤壶在流速约为5 m∕s时就会产生附着，在流速1～2 m∕s时更容易附着；输水系统在压力管道的布置上必须考虑防海生物附着问题及可检修性，避免因微生物附着降低系统的整体效率；输水系统压力管道的结构上要求实现更严格的防渗效果。

海岛型抽水蓄能电站位于离岸海岛上，考虑离岸海岛淡水及天然建材等资源匮乏，输水系统压力管道以及进出水口结构型式的设计理念应适应特殊的施工条件。

考虑输水系统压力管道的结构上要求实现更严格的防渗效果，压力管道要求采用不透水衬砌。钢筋混凝土衬砌由于存在隧洞内海水外渗带来的地下水环境污染问题，不建议在海水抽水蓄能电站引水管道中使用。

课题研发的无锡自抛光防污涂料防污防腐涂层配套附着力≥7 MPa，与环氧树脂基防腐底漆具有优良的配套性；在厦门海域36个月的浅海挂板实验表明，所制备的无锡自抛光涂料具有良好的机械性能、附着强度和优良的防污性能（防污效率≥90%），达到了预期的防污效果［4］。为了达到绿色环保、高效的防污，需要综合采用电化学的防污技术。电解防污方法操作简便、自动化程度高，相对安全可靠，配合防污涂料使用，可以达到良好的协同防污的效果。

图1 实海浸泡3年后的裸钢板对照与防腐防污涂层配套体系

2.3 尾水围护

为了保证抽水蓄能电站的安全、经济运行，其首要条件之一即是需要保证其下水库具有相对稳定、安全的进∕出流条件。对于以广袤的海域作为下水库的海水抽水蓄能电站，受外海潮汐、波浪等的影响，下水库水体波动较大，难以满足电站机组取水平稳和安全稳定运行的要求，因此需对下水库进∕出流区域进行适当的围护。海水抽水蓄能电站尾水围护结构的首要功能是在满足进流要求的同时具备足够的消波、防浪功能，即满足尾水围护区内水面波高限值要求；其次围护结构设置还需兼顾考虑防漂浮物（含海生物）、防泥沙要求；其三，需保证围护结构包络区域有适宜的水深、范围与形状，以满足取水进流、排水出流消能要求，同时也满足外型结构稳定性要求（减少围护结构周缘的波能集中）；其四，需尽量减少围护结构附加水头损失以及满足典型海生物保护、通航等要求。

本科研项目依据初步筛选的尾水围护结构基本型式，开展了不同波浪条件下结构防浪掩护效果、透浪特性等水工模型试验研究工作。在初步分析（试验）结果基础上针对2～3种典型结构、布置方式进行深入优化研究，模拟研究不同波浪条件下围护结构的防浪掩护效果、透浪特性，并对其进行必要的优化以满足下水库取水条件（有效波高不大于0.5m）。与此同时，开展必要且适宜的围护结构过流能力（局部阻力）试验研究，给出优选结构型式的局部阻力系数等。

3 机电设计关键技术研究

3.1 可变速机组研究

风光储一体化微电网结构中，风电和光伏出力具有随机性、间隙性等特点，对电网供电的稳定性、连续性和可靠性都提出了更高的要求。选择可变速海水抽水蓄能机组，在水泵工况下也能调节轴入力，为风力发电机出力波动带来系统频率不稳定问题提出了一个解决方案，还可提高电力系统暂态稳定响应速度，满足风电并网对快速响应的要求［5］。

水泵水轮机转速变化范围取决于电力系统要求并由水泵水轮机转轮设计确定，也与交流励磁系统的容量选择有关。我们研究选取海水抽水蓄能电站10 MW 可变速机组额定转速为500 rpm，转速变化范围±8%。

《海水抽水蓄能电站前瞻技术研究》中，根据提出的设计开发技术条件，对10 MW 水泵水轮机进行了水力开发和模型试验。试验结果表明，水轮机工况原型最优效率93.82%，水泵工况原型最优效率93.17%，满足项目申报指南的要求；在额定水头以下可以在30%～100%相应水头最大负荷运行。在驼峰区裕度满足2%和无空化条件下，最小扬程功率调节幅度为35.6%。该可变速水泵水轮机水力性能达到国内领先水平。

该科研还设计制造了10 MW 交流励磁发电电动机及3 种变流器样机，进行了发电电动机及IGCT 变流器、IGBT 变流器、IEGT变流器的联调试验。试验表明，10 MW可变速交流励磁发电电动机常规检查、运行要求、最大转矩和电磁参数、温度和效率达到技术指标；IGCT 变流器、IGBT 变流器、IEGT 变流器，能够发电机空载建压、并网、解列，电动工况起动、并网、解列，能够通过同步点；10 MW 电机及其变流器，能够保持定子电压为额定频率50 Hz、电能质量达到要求、能够进行发电和电动两种运行模式，实现可变速、有功功率调节、无功功率调节的功能。

3.2 海洋环境下机组的运行稳定性

水泵水轮机在海洋环境下运行，将受到台风、潮汐、洋流等产生的波浪的影响。海洋的波浪扰动对于机组的稳定运行带来挑战，虽然尾水围护可削减部分的波浪扰动，为了改善水泵水轮机的运行环境，减轻系统波动，采用频率能自动调节，运行范围更广的可变速抽水蓄能系统是必要的。

为消除上述不利因素对真机运行的影响，需事前监测潮位的变动范围，在水力设计、模型试验实施基础上，在高波浪时尾水口选择合适的水深确保尾水水位，设计时利用可变速机组的特点平滑化处理发电工况及电动工况，缓和台风、潮汐、洋流等产生的波浪对真机有效落差、水力机械运行影响等，并在实证平台进行实验验证。

《海水抽水蓄能电站前瞻技术研究》中，参照大万山站址枢纽布置设计构建了具备波浪扰动条件的可变速抽水蓄能机组实证平台，研究优化海水抽水蓄能电站安全稳定性以及经济性运行策略，验证样机集成设计的性能、功能及设计的合理性［3］。

图2 基于波浪扰动的可变速机组实证平台

实证平台与10 MW 机组采用正态比尺，比尺为1∶4。按照1∶4比尺换算，实证装置模型机组的额定转速为1 000 rpm，水头（扬程）变化范围为24～32.5 m，电机额定功率为78.1 kW。

模型装置研究表明，随着下游波浪扰动幅值的增大，尾水管压力受下游水位周期性的强迫振荡后幅值逐渐超过下游波浪扰动幅值。按照模型比尺换算，原型电站下游引水口所允许的波浪扰动幅值应小于1.8 m，这为尾水围护结构的布置设计提供了理论依据。

3.3 机组过流部件及海水管路系统的防护设计

与淡水抽水蓄能电站不同，由于水泵水轮机过流部件、水力机械辅助系统在海水环境下运行，容易发生腐蚀，影响设备的安全、稳定和高效运行，海水中的海生物容易附着在金属结构表面，影响过流部分、管路系统的过流条件。过流部件及管路系统的防腐、防污是海水抽水蓄能电站需要解决的关键技术问题。

海水抽水蓄能机组过流部件由蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等部件组成。相较于其他类型的海洋环境运行的金属结构，海水抽水蓄能机组的金属过流部件结构和材质构成，以及流道内流体流动具有很强的特殊性。

海水管路系统的特点是用材主要为金属材料、结构复杂精密、管路数量众多，腐蚀与污损对辅助系统的危害非常明显。必须制定合适的防护方案应对不同的腐蚀与污损风险。水力机械辅助设备防腐防污应当根据自身的设计特点，针对不同的环境条件，利用合适的工程设计，选取相对比较经济合理的防腐防污方案。

3.4 含盐高湿环境下厂房通风空调设计

与常规抽水蓄能电站不同的是，海水抽水蓄能电站环境中空气盐雾含量高于陆地，大气环境具有含盐高湿的特点。电站厂房通风散热需要把大量的含盐高温高湿空气送入厂房，会加速室内设备的腐蚀。通风设计关系到电站运行状态和寿命，分析和设计符合海洋环境的通风空调系统是海水抽水蓄能电站建设的一项重要任务。目前我国海岛抽水蓄能电站还处于概念设计阶段，要考虑减少地面开挖，保护海岛环境，避免海洋环境对厂房的影响。

相比于常规抽水蓄能电站，海域环境下盐雾含量高于陆地，厂房环境除控制温湿度外，还应采取必要的措施控制盐雾含量。分离除盐雾技术缺点较多，可分离的盐雾粒径普遍较大（＞10 um），不适合一些过滤要求较高的场合，离心除盐雾机设备复杂，不利于后期运维。电除雾技术可去除任意粒径盐雾粒子，如静电除雾技术过滤效果达94%以上，但设备结构复杂，体积庞大。而过滤除盐雾技术具有除盐雾效率高，设备结构简单的优点，结合抽水蓄能电站设备的重要程度，推荐采用过滤除盐雾技术。

目前常规内陆抽水蓄能电站地下厂房大多采用的是直流式通风空调方案。海水抽水蓄能电站需对进入地下厂房的室外新风进行除盐处理，即在新风机组中需安装除盐雾过滤器。进入地下厂房的室外新风量越大，所需的除盐雾过滤器就越多，则除盐雾过滤器的成本和运行维护费用就越高，而室外新风的主要目的是保证地下厂房内人员的卫生要求，因此，提出一种新的通风空调方案，即控制送入地下厂房的室外新风量，将室外新风量取最小值，室外新风除盐后单独送入房间，当室外新风不足以消除室内的余热时，加入局部空调。地下厂房可采用直流式通风空调方案或小新风通风空调方案，宜采用全寿命周期费用计算比较的方法确定最终方案。