單庫(kù)海水抽水蓄能電站技術(shù)研究

侯平利，柴建峰，陳 雄，江才俊

（1.中廣核工程有限公司，廣東省深圳市 518052；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

單庫(kù)海水抽水蓄能電站技術(shù)研究

侯平利1，柴建峰2，陳 雄1，江才俊1

（1.中廣核工程有限公司，廣東省深圳市 518052；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文涉及一種對(duì)常規(guī)電力、風(fēng)電或太陽(yáng)能進(jìn)行排水蓄能的新型水力發(fā)電裝置技術(shù)的探討。在天然海灣采用攔水壩建造水庫(kù)，將海灣分為外部海洋及壩內(nèi)水庫(kù)，利用排水泵對(duì)水庫(kù)進(jìn)行排水以降低水位，而壩外海洋水位不變，從而獲得與壩外海洋水面的水位差進(jìn)行蓄能，并提供一定的水頭供水輪機(jī)發(fā)電。本技術(shù)克服了現(xiàn)有抽水蓄能電站占用大量耕地、破壞生態(tài)環(huán)境、遠(yuǎn)離海上風(fēng)電場(chǎng)址的缺陷。

蓄能電站；風(fēng)電；水輪機(jī)

0 引言

電力的生產(chǎn)、輸送和使用是同時(shí)發(fā)生的，一般情況下又不能儲(chǔ)存，而電力負(fù)荷的需求卻瞬息萬(wàn)變。一天之內(nèi)，白天和前半夜的電力需求較高；下半夜大幅度地下跌，低谷有時(shí)只及高峰的一半甚至更少。鑒于這種情況，發(fā)電設(shè)備在負(fù)荷高峰時(shí)段要滿發(fā)，而在低谷時(shí)段要壓低出力，甚至得暫時(shí)關(guān)閉，為了按照電力需求來(lái)協(xié)調(diào)使用有關(guān)的發(fā)電設(shè)備，需采取一系列的措施。

抽水蓄能電站就是為了解決電網(wǎng)高峰、低谷之間供需矛盾而產(chǎn)生的，是間接儲(chǔ)存電能的一種方式。它利用下半夜過(guò)剩的電力驅(qū)動(dòng)水泵，將水從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)儲(chǔ)存起來(lái)，然后在次日白天和前半夜將水放出發(fā)電，并流入下水庫(kù)。在整個(gè)運(yùn)作過(guò)程中，雖然部分能量會(huì)在轉(zhuǎn)化時(shí)流失，但相比之下，使用抽水蓄能電站仍然比增建煤電發(fā)電設(shè)備來(lái)滿足高峰用電而在低谷時(shí)壓荷、停機(jī)這種情況效益更佳[1]。除此以外，抽水蓄能電站還能擔(dān)負(fù)調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等動(dòng)態(tài)功能。因而抽水蓄能電站既是電源點(diǎn)，又是電力用戶；并成為電網(wǎng)運(yùn)行管理的重要工具，是確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定生產(chǎn)的支柱。抽水蓄能電站有發(fā)電和抽水兩種主要運(yùn)行方式。

隨著世界能源日益緊缺和全球變暖趨勢(shì)增強(qiáng)，作為節(jié)能減排的重要手段之一，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，技術(shù)不斷進(jìn)步。與其他可再生能源相比，風(fēng)力發(fā)電最便宜，是我國(guó)重要的能源資源。但是風(fēng)力發(fā)電受地域環(huán)境影響比較大，自然風(fēng)存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定等特點(diǎn)，大比重風(fēng)電直接輸入電網(wǎng)可能對(duì)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足電網(wǎng)對(duì)于電能質(zhì)量的要求。

為了保證電網(wǎng)按照要求安全、穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，在將波動(dòng)的風(fēng)能引入電網(wǎng)時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)目刂品椒?。在許多情況下，為了保證每年風(fēng)力發(fā)電量電網(wǎng)中比較高的份額都需要采用蓄能系統(tǒng)。風(fēng)電蓄能技術(shù)通過(guò)風(fēng)電的轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存，不僅可以向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，而且也可以增加風(fēng)電的運(yùn)行效益，從而提高風(fēng)電在能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，儲(chǔ)存風(fēng)能的模型有很多種，其中抽水蓄能是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)、最成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能裝置。它可以直接平衡風(fēng)力發(fā)電廠輸出電力的波動(dòng)。

本文在現(xiàn)有抽水蓄能及潮汐電站技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種新型的水力蓄能技術(shù)，并與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 現(xiàn)有技術(shù)

1.1 現(xiàn)有技術(shù)（一）

1.1.1 技術(shù)方案

抽水蓄能電廠是水電廠的一種類型，它主要由上水庫(kù)、引水系統(tǒng)、水電廠和下水庫(kù)組成，如圖1所示。在水電廠的上游建有蓄水庫(kù)，下游也建有蓄水庫(kù)，在電力系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)期，利用上水庫(kù)的水通過(guò)引水系統(tǒng)閘門、管道和調(diào)壓井等設(shè)施，將上水庫(kù)水的位能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與水輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電；在低谷負(fù)荷時(shí)期，將下水庫(kù)的水再通過(guò)引水系統(tǒng)閘門、管道和調(diào)壓井等設(shè)施抽回上水庫(kù)蓄積起來(lái)，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)變成水泵。

1.1.2 技術(shù)缺陷

抽水蓄能電站需建設(shè)上、下兩個(gè)水庫(kù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成一定的影響，有些項(xiàng)目甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響和破壞[3-5]。水電發(fā)電廠對(duì)環(huán)境造成的影響，抽水蓄能電站也一樣，如地質(zhì)環(huán)境的影響及災(zāi)害隱患、植被破壞、河流的生態(tài)系統(tǒng)等。建設(shè)抽水蓄能電站同樣需淹沒(méi)大量耕地，造成耕地資源占用，且涉及移民問(wèn)題，因其占地和涉及人口多，部分庫(kù)區(qū)耕地資源十分有限，導(dǎo)致人地矛盾集中。

另外，近年來(lái)海上風(fēng)電的規(guī)模迅速擴(kuò)大，由于風(fēng)電輸出不穩(wěn)定的特點(diǎn)，必須配套以抽水蓄能為代表的蓄能措施。在無(wú)法借助天然河道與湖泊的情況下，現(xiàn)有抽水蓄能電站技術(shù)需要淹沒(méi)大量耕地，很難在沿海尋找合適場(chǎng)址。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)（二）

1.2.1 技術(shù)方案

潮汐發(fā)電是水力發(fā)電的一種。在有條件的海灣或感潮口建筑堤壩、閘門和廠房，圍成水庫(kù)，水庫(kù)水位與外海潮位之間形成一定的潮差（即工作水頭），從而可驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

1.2.2 技術(shù)缺陷

潮汐發(fā)電站在設(shè)計(jì)上只能儲(chǔ)存潮汐能，水位差漲落由自然決定，不能作為電力蓄能電站。

2 本技術(shù)方案詳細(xì)描述

2.1 所要解決的技術(shù)問(wèn)題

本技術(shù)方案克服了現(xiàn)有抽水蓄能電站占用大量耕地、破壞生態(tài)環(huán)境、遠(yuǎn)離海上風(fēng)電場(chǎng)址的缺陷[6]，可以圍海造田、增加土地，還可進(jìn)行海產(chǎn)養(yǎng)殖及發(fā)展旅游。本技術(shù)方案在海灣建設(shè)蓄能電站，可以用作海上風(fēng)電及其他各種電源的蓄能電站。

2.2 技術(shù)方案

本技術(shù)方案在有條件的海灣構(gòu)筑攔水壩圍成水庫(kù)（見圖2），通過(guò)排水泵向壩外海洋排水，使水庫(kù)水位低于外部水域水位，從而在水庫(kù)水位與外部水域水位之間形成一定的工作水頭（見圖3），可驅(qū)動(dòng)設(shè)在壩底的水輪發(fā)電機(jī)組（見圖3）發(fā)電。

在海灣構(gòu)筑攔水壩水庫(kù)、海水水輪機(jī)都是成熟的技術(shù)，已為多年發(fā)展的潮汐電站所采用。

排水泵由外部電力驅(qū)動(dòng)，如風(fēng)電、火電或其他電源，可設(shè)在壩底或壩頂。壩高可為10m以上，水輪機(jī)為大流量低壓頭?？紤]到海灣排水型蓄能電站專用庫(kù)具有大庫(kù)容、低水頭等顯著特點(diǎn)，其水輪機(jī)的選型可借鑒潮汐發(fā)電中廣泛應(yīng)用的低水頭、大流量的貫流式水輪機(jī)。貫流式水輪機(jī)的適用水頭1～25m，效率高投資低，近年來(lái)發(fā)展較快，而且功率也越來(lái)越大，單機(jī)容量最大的是日本只見（Tadami）水電站[7]，達(dá)65.8MW，轉(zhuǎn)輪直徑6.7m，最大水頭20.7m。中國(guó)自行研制的貫流式水輪機(jī)單機(jī)容量50MW，轉(zhuǎn)輪直徑7m，用于常規(guī)水電站。海水、海生物對(duì)金屬結(jié)構(gòu)物和海工建筑物有腐蝕和沾污作用，尤其是對(duì)水輪機(jī)影響，國(guó)內(nèi)研究相對(duì)滯后，需在技術(shù)應(yīng)用中采取積極的防腐措施。

海灣排水型蓄能電站專用庫(kù)的庫(kù)容由外接風(fēng)電場(chǎng)、光伏等裝機(jī)容量和電網(wǎng)消納能力等因素綜合確定，水庫(kù)容積水量還受所選場(chǎng)址海灣水深、大壩長(zhǎng)度、所圍海灣面積影響，也可通過(guò)開挖庫(kù)床加大庫(kù)深來(lái)提高庫(kù)容。

海灣排水型蓄能電站專用水庫(kù)多建在港灣?？?，通常水深壩長(zhǎng)，施工、地基處理及防淤等問(wèn)題較困難。但近十幾年以來(lái)，隨著我國(guó)大規(guī)模的近海工程建設(shè)，如碼頭、填海筑島、沉管隧道和核電站等項(xiàng)目的建設(shè)，積累了豐富的工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)。以上問(wèn)題已不再是限制海灣排水型抽蓄電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。

本技術(shù)方案采用排水泵對(duì)水庫(kù)進(jìn)行排水以降低水位，而壩外海洋水位不變，可獲得與壩外海洋水面的水位差，提供一定的水頭供水輪機(jī)發(fā)電， 在水位能量釋放過(guò)程中，水庫(kù)水位逐漸變化，對(duì)發(fā)電能力有關(guān)鍵影響，外部海洋水量視為無(wú)窮大，不影響發(fā)電能力?，F(xiàn)有技術(shù)中，上水庫(kù)與下水庫(kù)的高程差異較大，下水庫(kù)水位的變化對(duì)蓄能影響可以忽略， 但是上水庫(kù)水量是有限的，對(duì)發(fā)電能力有關(guān)鍵影響。

2.3 本技術(shù)方案帶來(lái)的技術(shù)效果

（1）海洋作為攔水壩外部水域，其作用相當(dāng)于現(xiàn)有抽水蓄能電站中的上水庫(kù)，天然現(xiàn)成，無(wú)需占用耕地。

（2）攔水壩內(nèi)水庫(kù)作用相當(dāng)于現(xiàn)有抽水蓄能電站中的下水庫(kù)，依海灣天然之勢(shì)而建，杜絕了現(xiàn)有技術(shù)中下水庫(kù)占用耕地、需要移民的缺點(diǎn)，并可以圍海造田、增加耕地。

（3）現(xiàn)有技術(shù)中，上水庫(kù)與下水庫(kù)之間距離較遠(yuǎn)，引水系統(tǒng)較長(zhǎng)，建筑費(fèi)用高，且引水管道沿程阻力損失較大，由此引起的水泵功耗較為可觀。本技術(shù)方案水庫(kù)與外海之間僅隔一座攔水壩，排水管道距離短，管道建筑費(fèi)用少，因沿程阻力損失增加的泵功也非常小。

（4）本技術(shù)方案場(chǎng)址可與海上風(fēng)電場(chǎng)址匹配，方便海上風(fēng)電蓄能，現(xiàn)有技術(shù)需在沿海建造上水庫(kù)，受地形、環(huán)保因素影響大，選址難度大。

（5）技術(shù)（二）中的水庫(kù)結(jié)構(gòu)與本技術(shù)方案有相似之處，但在工作原理、關(guān)鍵設(shè)備操作及用途上是十分不同的， 潮汐電站無(wú)法作為電能的蓄能電站。

3 針對(duì)2中的技術(shù)方案的替換方案

（1）本技術(shù)方案水庫(kù)選址除了海灣， 可依有條件的獨(dú)立島嶼的海岸而建，也可以在內(nèi)陸深水湖泊、水庫(kù)沿岸建設(shè)，方便內(nèi)陸電能的蓄能。

（2）在2描述的技術(shù)方案中，水輪機(jī)和排水泵是分立的，替代方案可以把它們合并起來(lái)，采用可逆式水泵水輪機(jī)。

（3）在2描述的技術(shù)方案中，排水泵驅(qū)動(dòng)方式為外部電源，替代方案可以采用風(fēng)力機(jī)變速齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)方案在天然海灣采用攔水壩建造水庫(kù)，將海灣分為外部海洋及壩內(nèi)水庫(kù)，利用排水泵對(duì)水庫(kù)進(jìn)行排水以降低水位，而壩外海洋水位不變，從而獲得與壩外海洋水面的水位差進(jìn)行蓄能，并提供一定的水頭供水輪機(jī)發(fā)電。 在蓄能釋放過(guò)程中，逐漸變化的水庫(kù)水位對(duì)發(fā)電能力有關(guān)鍵影響，而外部海洋蓄積水量視為無(wú)窮大，對(duì)發(fā)電能力無(wú)影響。現(xiàn)有技術(shù)中，上水庫(kù)與下水庫(kù)的高程差異較大，下水庫(kù)水位的變化對(duì)發(fā)電能力影響可以忽略，但是上水庫(kù)蓄積水量變化對(duì)發(fā)電能力有關(guān)鍵影響。

[1]楊高強(qiáng)．抽水蓄能機(jī)組與火電機(jī)組啟停調(diào)峰過(guò)程的比較分析．長(zhǎng)沙理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2003．

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司．一種風(fēng)電與蓄能聯(lián)合系統(tǒng)．發(fā)明人： 馮煜堯，楊增輝， 余穎輝．

[3]王英．水電工程陸生生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)與生態(tài)管理研究．西北大學(xué)環(huán)境科學(xué)，碩士學(xué)位論文，2007．

[4]丁祖榮．響水澗抽水蓄能電站工程對(duì)動(dòng)物資源的影響[J]．國(guó)土與自然資源研究，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]彭輝，葉建軍，周明濤．水利水電工程建設(shè)中存在的環(huán)境問(wèn)題[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]中廣核工程有限公司，中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司．排水蓄能電站．發(fā)明人：侯平利．

[7]劉啟明，胡明．水電站[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2013．

2017-01-13

2017-08-25

侯平利（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：熱能與動(dòng)力工程。E-mail：569708358@qq．com

柴建峰（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師（巖土），主要研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。E-mail：623509677@qq．com

陳 雄（1983—），男，本科，工程師，主要研究方向：熱能與動(dòng)力工程。E-mail：davycohen@163．com

江才?。?980—），男，碩士，工程師，主要研究方向：熱能與動(dòng)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學(xué)科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．004