新型海水抽水蓄能電站及燈泡貫流式水輪機(jī)選型研究

肖 微，柴建峰，李明陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

新型海水抽水蓄能電站及燈泡貫流式水輪機(jī)選型研究

肖 微，柴建峰，李明陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文結(jié)合我國(guó)南海中的海島，多為珊瑚礁構(gòu)成的島、礁、灘、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常規(guī)淡水抽水蓄能電站的天然地形地貌條件，探討通過(guò)沉管/沉箱形成一個(gè)封閉的下沉蓄水池，將其作為抽水蓄能電站的下庫(kù)，用于調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的海水抽水蓄能電站中的一種形式。同時(shí)，對(duì)該電站可采用的兩種燈泡貫流式水輪機(jī)機(jī)型的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)進(jìn)行了論述。

海水抽水蓄能電站；沉管/沉箱；燈泡貫流式水輪機(jī)；單向燈泡貫流式水輪機(jī)；雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)

0 前言

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期長(zhǎng)、容量大、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分。截至目前，抽水蓄能電站的形式主要有常規(guī)淡水抽水蓄能電站和海水抽水蓄能電站兩種。

我國(guó)南海中的海島，多為珊瑚礁構(gòu)成的島、礁、灘、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常規(guī)淡水抽水蓄能電站的天然地形地貌條件。離岸島礁風(fēng)能豐富、光照條件好，風(fēng)電和光伏發(fā)電可為海洋油氣開發(fā)和偏遠(yuǎn)島嶼開發(fā)和建設(shè)提供經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的電力供給，但風(fēng)、光電受氣候條件影響大，無(wú)風(fēng)時(shí)或黑夜時(shí)電力供給又得不到保證。抽水蓄能電站在儲(chǔ)存能量和調(diào)峰填谷方面有較大的優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)探討與離岸風(fēng)電、光伏等清潔能源相配套的海水抽蓄電站具有一定的前瞻性和必要性[1]。

根據(jù)我國(guó)南海島嶼地形和地貌之特征，結(jié)合島嶼填筑等開發(fā)工程，探討通過(guò)沉管/沉箱形成一個(gè)封閉的下沉蓄水池，將其作為抽水蓄能電站的下庫(kù)，用于調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的海水抽水蓄能電站中的一種形式。

1 沉管/沉箱海水抽水蓄能電站

根據(jù)我國(guó)南海島嶼地形、地貌和地質(zhì)特征，結(jié)合島嶼開發(fā)填筑工程，可建設(shè)沉管/沉箱海水抽水蓄能電站，用于調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)。同時(shí)上覆填土，還可以新增生活生產(chǎn)用地。

沉管/沉箱海水抽水蓄能電站是采用下沉混凝土沉管/沉箱等構(gòu)筑物形成一個(gè)封閉蓄水池，將封閉蓄水池作為抽水蓄能電站的下水庫(kù)（抽水蓄能專用庫(kù)），上庫(kù)則為無(wú)限大的大海。

利用無(wú)限大的大海作為上水庫(kù)的沉管/沉箱海水抽水蓄能電站，具有發(fā)電水頭低、流量大的特點(diǎn)。水輪發(fā)電機(jī)中水輪機(jī)建議采用燈泡貫流式水輪機(jī)，該機(jī)型已在潮汐發(fā)電中廣泛使用。

2 燈泡貫流式水輪機(jī)

燈泡貫流式水輪機(jī)的型式有單向燈泡貫流式水輪機(jī)和雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)兩種，這兩種型式均可以在沉管/沉箱海水抽水蓄能電站中得到很好的應(yīng)用。

2.1 單向燈泡貫流式水輪機(jī)

抽水系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電、光伏等電力有剩余時(shí)，可連接水泵將沉管/沉箱蓄水池（下水庫(kù)）中海水抽出，形成水位差和有效庫(kù)容。發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)需要電力補(bǔ)償時(shí)，利用蓄水池和海洋存在的水位差，外側(cè)高程海水推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和蓄水池大小由島嶼用電負(fù)荷、風(fēng)電光伏電的裝機(jī)容量綜合決定。抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)為相互獨(dú)立系統(tǒng)，如圖1和圖2所示。

2.2 雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)

雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)，不僅具備當(dāng)風(fēng)電、光伏等電力有剩余時(shí)，利用雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)將沉管/沉箱蓄水池（下水庫(kù)）中海水抽出，形成水位差和有效庫(kù)容；當(dāng)需要電力補(bǔ)償時(shí)，利用蓄水池和海洋存在水位差，外側(cè)高程海水推動(dòng)雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)發(fā)電，而且由于雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)本身既具備抽水又具備發(fā)電的雙功能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備正向發(fā)電、反向發(fā)電、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能。但與單向燈泡貫流式水輪機(jī)不同的是，該系統(tǒng)中的抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)不是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，如圖3和圖4所示。該系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和蓄水池大小同樣是由島嶼用電負(fù)荷、風(fēng)電光伏電的裝機(jī)容量綜合決定。

1967年世界上第一座投運(yùn)的法國(guó)朗斯潮汐電站和1980年我國(guó)最大的第一座雙向潮汐試驗(yàn)電站——浙江省沮嶺縣江廈潮汐試驗(yàn)電站就采用了雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)。雙向運(yùn)行方式可提供較連續(xù)的電力，具有較強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性，可進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行，但工程投資較高。目前由于發(fā)電效率隨著水頭的變化而變化，且反向運(yùn)行或作為水泵工作時(shí)，效率非常低，低水頭運(yùn)行每千瓦的單位造價(jià)會(huì)上升[2]。

3 采用燈泡貫流式水輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)沉管/沉箱海水抽水蓄能電站所具有的特點(diǎn)，采用燈泡貫流式水輪機(jī)是比較適用的，因?yàn)榕c其他型式的水輪機(jī)相比，燈泡貫流式水輪機(jī)具備以下優(yōu)勢(shì)[3]：

（1）對(duì)低水頭資源來(lái)講，燈泡貫流式水輪機(jī)能夠有很寬的運(yùn)行范圍，及時(shí)水頭十分低下的時(shí)候，也有較為穩(wěn)妥的效果，甚至超過(guò)1.5m以下，這種效果在其他的水輪機(jī)型式中是不可想象的。

（2）燈泡貫流式水輪機(jī)的流道形式和軸流式水輪機(jī)不同，為保證向?qū)畽C(jī)構(gòu)均勻供水和形成必要的環(huán)量，保證導(dǎo)葉較平滑繞流，軸流式水輪機(jī)需設(shè)置蝸殼，其流道由蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和彎肘型尾水管組成。燈泡貫流式水輪機(jī)沒(méi)有蝸殼，流道由圓錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和直錐擴(kuò)散形或S形尾水管組成。從流道進(jìn)口到尾水管出口，水流與軸之間大致平行，減少出現(xiàn)彎折處，水流的平穩(wěn)度得到保證，也有助于水力的存儲(chǔ)，尾水管恢復(fù)能力強(qiáng)，動(dòng)力效果好。

（3）燈泡貫流式水輪機(jī)過(guò)流量大，并且旋轉(zhuǎn)速度十分快，整體效率較高，并且高效區(qū)寬度適宜，在各個(gè)方面比軸流式來(lái)說(shuō)有著十分重要的優(yōu)勢(shì)。跟軸流式比起來(lái)，如果其所處的水頭和單機(jī)容量都一樣時(shí)，所表現(xiàn)出來(lái)的情況是，規(guī)模更小，質(zhì)量更輕便，所花費(fèi)的生產(chǎn)材料更少，而整體價(jià)格也偏低。

（4）燈泡貫流式水輪機(jī)，其空化以及穩(wěn)定程度都比軸流式要強(qiáng)，空化系數(shù)值較低，安全性較強(qiáng)，故障發(fā)生率較低，可用性強(qiáng)，檢查修理所花費(fèi)的時(shí)間到的節(jié)省，而檢查循環(huán)次數(shù)也減少。

（5）其結(jié)構(gòu)特征緊密而嚴(yán)整，布局嚴(yán)整而簡(jiǎn)單、尺寸小以及減小廠房尺寸與基礎(chǔ)開挖量，建設(shè)對(duì)土建工程的依賴不大，減少相應(yīng)資金，在機(jī)組的使用以及安裝流程上來(lái)說(shuō)，質(zhì)量小，方便安裝和裝設(shè)，能夠減小工作時(shí)間，提前發(fā)電時(shí)間。

此外，單向燈泡貫流式水輪機(jī)和雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)在具備以上優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，相比較而言又具備各自的優(yōu)勢(shì)，抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)是兩個(gè)相互獨(dú)立系統(tǒng)的單向燈泡貫流式水輪機(jī)在水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單，綜合效率較高；抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)不是相互獨(dú)立系統(tǒng)的雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)同時(shí)具備正向發(fā)電、反向發(fā)電、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能多、系統(tǒng)單一、運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)。建議應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際特點(diǎn)和需要等進(jìn)行兩種機(jī)型的合理選擇。

4 采用燈泡貫流式水輪機(jī)存在的挑戰(zhàn)

4.1 水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)技術(shù)

利用水頭低是燈泡貫流式水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)所存在的挑戰(zhàn)，而雙向燈泡貫流式水泵水輪機(jī)還存在運(yùn)行工況復(fù)雜、轉(zhuǎn)換頻繁，例如不僅要求正反向發(fā)電，還要求正反向抽水、正反向泄水，這都增大了水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)的難度。對(duì)于多種工況運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪而言，通常只要求正向發(fā)電和反向抽水運(yùn)行的高效率，不追求反向發(fā)電和正向抽水運(yùn)行時(shí)的效率[4]。

4.2 海水腐蝕防止技術(shù)

由于燈泡貫流式水輪機(jī)部件長(zhǎng)期浸泡在海水中或處于鹽霧彌漫的空氣中，這不但對(duì)結(jié)構(gòu)中的金屬要產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用，產(chǎn)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕，而且對(duì)機(jī)組中的電氣元器件及絕緣也要產(chǎn)生很大的影響。因此，必須采取防止海水腐蝕措施，其中主要措施有：

（1）合理選擇材料，關(guān)鍵金屬部位采用Cr、Mo含量較高甚至還含有Ni的不銹鋼。

（2）所有與海水接觸的普通鋼部件表面應(yīng)涂敷一層耐海水腐蝕的涂料。

（3）采用陰極保護(hù)技術(shù)。

（4）發(fā)電機(jī)防海水腐蝕技術(shù)等[4]。

4.3 防海生物附著技術(shù)

海水中的海生物容易附著在金屬結(jié)構(gòu)表面，影響過(guò)流部分的過(guò)流條件，影響機(jī)組出力，降低轉(zhuǎn)動(dòng)部件的靈活度，而且海生物的附著力極強(qiáng)，清楚非常困難。因此，防海洋生物技術(shù)的應(yīng)用也很重要，目前主要采用兩種方法：

（1）過(guò)流表面涂敷能殺死海生物的涂料。

（2）電解海水，產(chǎn)生毒性氯離子，抑制海生物附著[3]。

5 結(jié)束語(yǔ)

沉管/沉箱海水抽水蓄能電站的應(yīng)用不僅可以提高清潔能源的利用效率，同時(shí)還可以增加島礁的生產(chǎn)和生活用地，因此具有一定的前瞻性和必要性。從沉管/沉箱海水抽水蓄能電站所具有的特點(diǎn)考慮，可采用單向貫流式水輪機(jī)和雙向貫流式水泵水輪機(jī)兩種型式，這兩種機(jī)型都具備各自的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的特點(diǎn)和需要等合理選擇。

[1]柴建峰，侯平利．可與海洋核動(dòng)力平臺(tái)配套的海水抽水蓄能電站[J]．山西建筑，2017，43（2）232-233．CHAI Jianfeng，HOU Pingli．Brief Analysis on Marine Nuclear Power Platform and Seat Water Pumped Storage Station[J]．SHANXI Architecture，2017，43（2）232-233．

[2]F．朗佩里耶．潮汐電站的開發(fā)潛力及前景[J]．水利水電快報(bào)，2010，（10）：15-21．F．Langpeiliye．Development potential and prospect of tidal power station[J]．Express water resources & hydropower information，2010，（10）：15-21．

[3]劉全慧．貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012， 9： 113-113．LIU Quanhui．Application and technology development of flow turbine [J]．Technology innovation and application，2012， 9：113-113．

[4]戴慶忠．潮汐發(fā)電的發(fā)展和潮汐電站用水輪發(fā)電機(jī)組[J]．東方電氣評(píng)論，2007， 21（4）：14-24．DAI Qinzhong．Tidal power development and tidal power station water wheel generator set[J]．Dongfang Electric Review，2007， 21（4）：14-24．

2017-08-20

2017-09-20

肖 微（1980—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：流體機(jī)械工程。E-mail： xiaoweiyh@126．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

李明陽(yáng)（1985—），男，本科，工程師，主要研究方向：水利水電工程管理。E-mail： 232320860@qq．com

New Sea Water Pumped Storage Power Station and Bulb Tubular Turbine Type Research

XIAO Wei， CHAI Jianfeng，LI Mingyang
（Technology Center，State Grid Xinyuan Company Ltd. Beijing 100161，China）

Islands in the middle of the south China sea in China，mostly composed of coral reef island， reef， beach， sand and cascade， low elevation， the lack of building natural landform condition of conventional water pumped storage power station，discusses through immersed tube/the caisson to form a closed reservoir， as a pumped-storage power station under the library，used to regulate the water to the wind power， photovoltaic power generation system is a form of pumped storage power station. At the same time of the plant can use two kinds of bulb tubular turbine model discusses the advantages and challenges.

seat water pumped storage power station； immersed tube/the caisson； bulb tubular turbine； one-way light bulb tubular turbine； two-way bulb tubular turbine

TV213

A學(xué)科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．006