海水抽水蓄能电站水工建筑物防护条件研究

2022-01-24吴秋芳林文婧陈志伟郭建设薛继乐王殿春刘力捷

中国农村水利水电 2022年1期

吴秋芳，林文婧，陈志伟，郭建设，薛继乐，王殿春，刘力捷

（1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；2.广东粤海控股集团有限公司，广州 510110）

1 水工建筑物防护研究方案

相关数据显示，至2018年底，我国抽水蓄能系统的投产总装机容量已达30 025 MW，在建容量达到43 210 MW，均为以淡水为运行工质的常规抽水蓄能电站。考虑到常规抽水蓄能水工建筑物的防护技术手段已非常成熟，海水抽水蓄能水工建筑物防护研究着眼于分析海水抽水蓄能电站与常规抽水蓄能电站的差异，参考常规抽水蓄能电站的设计经验及现有的海水防护技术手段，提出水工建筑物不同区域、部位、适用工况的防污、防腐、防渗的防护条件，并明确研究成果具体要求。

2 水工建筑物防护研究过程

2.1 海水抽水蓄能电站工作原理

海水抽水蓄能电站的基本原理如图1所示。电站以大海作为下水库，在地理位置和地形合理的海岸山地上修建上水库［1］。储能时，电能驱动水泵或可逆式水泵水轮机组将海水从海洋抽送到高位蓄水池，将电能转化为水的势能存储起来；释能时，海水从高位蓄水池排放至海洋驱动水轮机或可逆式水泵水轮机组发电，将水的势能转化为电能。

图1 海水抽水蓄能电站系统原理图

海水抽蓄电站不仅与常规抽水蓄能电站一样，启停迅速、运行灵活，在电网中可以承担调峰、调相、调频、事故备用等任务。且与常规的陆地淡水抽蓄电站相比，具有不需建设下水库、水量充沛、水位变幅小、有利于水泵水轮机的稳定运行等有利条件，同时海水抽蓄可以修建在火电、核电、海上风电等基荷电源附近或在电力需求相对较大的沿海负荷中心附近，有利于整个电力系统的运行及输电成本的降低；也可以建设在淡水资源缺乏、常规抽蓄电站建设条件较差的沿海地区和小岛上，利于电力系统灵活调峰，具有很强的竞争力［2-4］。

2.2 海水抽水蓄能与常规抽水蓄能差异分析

海水抽水蓄能电站是指在传统抽水蓄能的基础上利用海水作为工质的新型抽水蓄能形式。相比于常规抽水蓄能，工作介质不同将对水工建筑物材料的防护要求产生以下差异［5，6］：

（1）海水相比淡水存在大量氯离子、化学性质较为活泼，大坝、输水系统压力管道等水工建筑物将面临海水腐蚀问题，影响使用寿命及维修成本，这就对相关水工建筑物材料的防蚀性能提出了更高要求［7］。

（2）海洋生态系统相比淡水生态系统营养结构相对复杂、物种更为丰富、数量更为庞大，海水抽水蓄能将面临更为严峻的微生物附着问题，以藤壶为例，藤壶在流速约为5m∕s 时就会产生附着，在流速1～2m∕s 时最容易附着；故应着重考虑输水系统压力管道及尾水围护结构的防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［8，9］。

（3）相比淡水，海水渗漏进入土壤，将可能产生地表或地下水污染、影响周围动植物的正常生长，破坏生态环境，此外，上水库泄漏的海水中的盐分可能会对周围的动植物产生不利影响，故海水抽水蓄能将面临更严格的防渗要求，应着重考虑上水库库盆及输水系统的防渗措施，同时也对渗漏水的收集、引排提出了更高的要求。

2.3 水工建筑物防护条件分析

根据海水抽水蓄能电站与常规抽水蓄能电站的差异分析，参考常规抽水蓄能电站的设计经验及现有的海水防护技术手段，提出水工建筑物的防护条件（见表1）。

表1 海水抽水蓄能电站水工建筑物防护条件

（1）水工建筑物材料的防腐性：部位包括与海水有接触的水工建筑物，如库盆及大坝、输水系统（含上下库进出水口及压力管道）、地面厂房及尾水围护结构，材料包括钢筋混凝土、钢板及其他结构用材，其中输水系统应特别关注高压高流速状态的结构材料的防腐蚀。

（2）水工建筑物材料的防渗性：部位主要包括上库库盆及输水系统的压力管道，其中压力管道如采用钢板衬砌或玻璃钢，则不存在渗漏问题。

（3）水工建筑物材料的防污性：部位主要包括输水系统（含上下库进出水口及压力管道）及尾水围护结构；材料包括钢板、钢筋混凝土及其他结构用材。

海水抽水蓄能的水工建筑物设计，必须考虑从工程布置上减少因海水腐蚀性、海水渗漏以及海生物附着带来的安全隐患，比如输水系统的水道设计应考虑可检修性，可通过检修清除水道附着的海生物。

3 水工建筑物防护条件科研结果要求

3.1 水工建筑物防护范围

海水蓄能电站主要的水工建筑物包括上水库、输水系统、厂房及尾水围护结构，防护区域为与海水有接触的部位，具体要求如表2所示。

表2 海水抽水蓄能电站水工建筑物防护部位要求

3.2 水工建筑物适用工况

（1）上水库（含大坝及库盆）。根据《全国海水抽水蓄能电站资源普查报告》资料分析，运行期上水库水位消落深度多在10～30 m 之间［10］；同时，为避免海水渗漏对海岛生态环境的干扰，上水库均采用全库盆防渗，防渗材料应根据科研成果确定，并在库盆底部设置集水廊道，用于收集库盆渗漏水［11］。

（2）输水系统（含上下库进出水口及压力管道）。输水系统管道内流速与流量、管材、管径等控制因素息息相关，应考虑经济性以及水头损失等影响进行技术经济综合比较确定。参考常规抽水蓄能设计经验，按水头损失尽量控制在设计水头的4.0%以内估算，并考虑管道的可检修性，输水系统管径内海水流速变化在1～6 m∕s之间。

根据《全国海水抽水蓄能电站资源普查报告》，从资源站点水头分布分析，全国海水抽水蓄能资源主要分布在100～200 m水头段，占资源站点总数的50%；其次资源点分布在200～300 m 水头段内，占资源站点总数的22%；300 m 以上水头段的资源站点较少，仅占资源站点总数的15%。结合南部海洋区域站点资源情况，输水系统的压力管道变化范围集中在0.5～3.0 MPa之间［10］。

海水在管道内的动静交替的大致规律则与电站的调度运行相关，抽水及发电工况下水流的流向见图1。

（3）厂房。根据《南部沿海地区海水抽水蓄能电站选点规划报告》，海水蓄能电站厂房有地下厂房和半地下式厂房两种类型；地下厂房常年处于地下环境，通风效果较地面建筑物差，需要对地下水成分进行分析，地下厂房的混凝土结构有可能存在防腐蚀问题；半地下式厂房及地面厂房多离海岸较近，厂房的混凝土结构需要重点解决防腐蚀问题。

（4）尾水围护结构。海水抽水蓄能电站尾水围护结构，主要功能是防浪、防大型海洋生物、防泥沙，此外，围护结构还应降低取水口抽取海水对周边海洋生物的影响。围护结构应相对封闭又可保证内、外海水相通。

尾水围护应重点解决结构的防腐、防污问题，防止海洋生物附着在尾水围护结构，堵塞通道。