沖繩海水抽水蓄能電站概況、技術(shù)特點(diǎn)及借鑒

熊偉平，鄭覺(jué)平，吳金水

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

0 引言

20世紀(jì)末，隨日本火電、水電、原子電、地?zé)?、風(fēng)力、太陽(yáng)能、潮汐等多元基礎(chǔ)電源增多趨勢(shì)，為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變動(dòng)，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中所占分量隨之增大。因淡水抽水蓄能電站受地理位置制約，作為一個(gè)海洋資源豐富的國(guó)家，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省能源廳開(kāi)始著眼未來(lái)，從長(zhǎng)計(jì)議，自1981年開(kāi)始立案海水抽水蓄能研究，委托日本電源開(kāi)發(fā)株式會(huì)社（J-Power）于1999年在沖繩建設(shè)了世界首座海水抽水蓄能電站。通過(guò)對(duì)利用海水抽水蓄能從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)進(jìn)行一系列考察、研究，綜合驗(yàn)證海水抽水蓄能技術(shù)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，及對(duì)自然環(huán)境因素的影響性，預(yù)期達(dá)到海水抽水蓄能與淡水抽水蓄能有同等的信賴性、經(jīng)濟(jì)性，并最終達(dá)到商用運(yùn)行的目的[1]。

至2016年，電站在真機(jī)試驗(yàn)完成及其相關(guān)的數(shù)據(jù)收集已達(dá)到目的基礎(chǔ)上，沖繩電力提出沖繩海水抽水蓄能機(jī)組對(duì)系統(tǒng)影響小，商業(yè)運(yùn)行價(jià)值甚微，商業(yè)運(yùn)行協(xié)議終止。日本電源開(kāi)發(fā)株式會(huì)社決定將沖繩海水抽水蓄能發(fā)電站撤除，計(jì)劃將相關(guān)的設(shè)備移到別處再利用[2]。這座從立案到撤除歷經(jīng)36年滄桑海水抽水蓄能電站項(xiàng)目在建設(shè)中面臨了怎樣的艱難課題及相關(guān)解決方案、電站和機(jī)組的有關(guān)技術(shù)特點(diǎn)；作為海洋資源豐富的日本，有真機(jī)運(yùn)行業(yè)績(jī)的基礎(chǔ)上為何未建設(shè)1臺(tái)商用電站；由國(guó)家能源局海水抽蓄電站資源普查成果，中國(guó)能否大量建設(shè)海水抽水蓄能電站；沖繩海水抽水蓄能是否對(duì)我國(guó)海水抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)和建設(shè)有借鑒和幫助意義，本文將進(jìn)行概要闡述。

1 項(xiàng)目概要

沖繩海水抽水蓄能電站位于沖繩縣本島北部的國(guó)頭郡、國(guó)頭村、安波川瀨原，是一座試驗(yàn)性海水抽蓄電站，目的是為了驗(yàn)證海水抽水蓄能的技術(shù)及商業(yè)化的可行性。項(xiàng)目預(yù)算額320億日元，最終決算額364億日元，電站裝機(jī)1臺(tái)最大水頭152m、最大流量26.0m3/s、最大出力30MW可變速抽水蓄能機(jī)組。上庫(kù)蓄水池離海岸大約600m，是一個(gè)深25m、寬251.5m、 周長(zhǎng)848m的八角形水池，有效落差136m，有效蓄水量564000m3。壓力鋼管、廠房、和尾水管均為地下布置，地下廠房深約150m、寬16.4m、高32.3m、長(zhǎng)40.4m。發(fā)電工況從上庫(kù)蓄水池取水，海水經(jīng)壓力鋼管進(jìn)入水機(jī)部件后流入太平洋，滿負(fù)荷可運(yùn)行6h。電動(dòng)工況將太平洋中水沿原路抽到上庫(kù)蓄水池，上庫(kù)蓄水池從零水位到滿水位機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行需8h[3]。由于利用海水，下游無(wú)蓄水池，可降低工程費(fèi)用。電站概況如表1[1]所示，電站位置如圖1[4]所示，電站鳥瞰圖如圖2[5]所示，電站斷面圖如圖3[6]所示。

圖1 沖繩海水抽水蓄能電站地理位置Fig.1 The location of the Okinawa seawater pump-storage

2 項(xiàng)目規(guī)劃

圖2 沖繩海水抽水蓄能鳥瞰圖Fig.2 The airview map of the Okinawa seawater pump-storage

表1 項(xiàng)目信息介紹Tab.1 The parameters of the Okinawa seawater pump-storage

圖3 沖繩海水抽水蓄能電站斷面圖Fig.3 The Section of the Okinawa seawater pump-storage

表2 項(xiàng)目規(guī)劃Tab.2 Project planning

項(xiàng)目規(guī)劃如表2所示。從1981年立案開(kāi)始到1987年實(shí)施示范工程，因利用海水抽水蓄能系統(tǒng)包含了諸多技術(shù)上的課題，第一階段主要是項(xiàng)目地點(diǎn)的調(diào)查，勘測(cè)、前期的準(zhǔn)備工作；海水條件下特別面臨的課題通過(guò)初始階段實(shí)行實(shí)質(zhì)性試驗(yàn)檢證調(diào)查。第二階段在第一階段調(diào)查及研究的基礎(chǔ)上選址確定，計(jì)劃建設(shè)150MW規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)，但考慮經(jīng)濟(jì)性、土木建設(shè)、環(huán)境問(wèn)題、海水抽水蓄能系統(tǒng)技術(shù)不可預(yù)見(jiàn)性，最后綜合考慮，僅作為綜合驗(yàn)證海水抽水蓄能技術(shù)為目的，建設(shè)1座1臺(tái)出力30MW規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)。前期階段的海水抽水蓄能實(shí)質(zhì)性研究調(diào)查表如表3[1]所示，從1999年真機(jī)試驗(yàn)投運(yùn)開(kāi)始到2004年5年間的真機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)束運(yùn)行業(yè)績(jī)?nèi)绫?[1]所示，設(shè)備平均利用率達(dá)12.2%。定期檢查情況如表5[1]所示，2回/年定期檢查，2回/5年水機(jī)部件拆卸后精密檢查。表2～表5在一定程度上對(duì)我國(guó)海水抽水蓄能開(kāi)發(fā)研究有借鑒作用。

3 項(xiàng)目面臨的課題、計(jì)劃對(duì)策、目標(biāo)達(dá)成度

海水抽水蓄能利用海水的情況下，從土木設(shè)施建設(shè)、器械防腐蝕、海洋生物的附著、環(huán)境方面考慮。下述四大課題通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)解決，并將項(xiàng)目面臨的課題、計(jì)劃對(duì)策、目標(biāo)達(dá)成度總結(jié)在表7[1]中。

3.1 海水的浸透、飛散[1]

3.1.1 課題

上庫(kù)蓄水池不應(yīng)有海水滲透地基腐蝕土木結(jié)構(gòu)件及污染土壤及地下水；也不能在機(jī)組各工況運(yùn)行下或惡劣自然環(huán)境（強(qiáng)風(fēng)暴雨）時(shí)海水吹散到周邊導(dǎo)致破壞陸生生態(tài)系統(tǒng)。

3.1.2 計(jì)劃對(duì)策

（1）上庫(kù)蓄水池設(shè)置防海水滲透系統(tǒng)。為保證機(jī)組不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，防海水滲透系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)合理妥當(dāng)，具有淡水抽水蓄能機(jī)組用蓄水池同等程度耐久性，良好的延展性（防膨脹）、施工固定容易等特點(diǎn)。防海水滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到經(jīng)濟(jì)性及保養(yǎng)維護(hù)方便，由表面覆蓋層、防滲透層、保護(hù)層、排水層、固定裝置、排水管、監(jiān)測(cè)廊道組成，如圖4[4]所示。

表3 海水抽水蓄能實(shí)質(zhì)性研究驗(yàn)證試驗(yàn)調(diào)查表Tab.3 experimental investigations

表4 運(yùn)行業(yè)績(jī)Tab.4 Reference list

表5 真機(jī)5年間檢查表Tab.5 Checklist of prototype for 5 years

圖4 上庫(kù)蓄水池防海水滲透系統(tǒng)Fig.4 Seawater seepage prevention system for upper reservoir

防滲透層材料具有優(yōu)越的防滲透基礎(chǔ)上需考慮材料的延伸性、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、耐溫性等綜合性能，調(diào)查了北海道丸上蓄水池（淡水）寒冷環(huán)境下防滲透層物理特性變化及神奈川縣農(nóng)業(yè)土木試驗(yàn)池（淡水）30年屋外暴露環(huán)境下防滲透層物理特性變化及在項(xiàng)目立案及示范工程階段試驗(yàn)實(shí)施的基礎(chǔ)上最終確定而成，采用2mm厚合成橡膠EPDM（加硫）（ethylene propylene diene terpolymers），按JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格品選定（可查閱JIS標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計(jì)性能要求見(jiàn)表6；保護(hù)層采用6mm厚polyester無(wú)紡布；排水層由厚 50cm的碎石組成；防滲透層固定裝置因上庫(kù)蓄水池采用開(kāi)挖和筑壩相結(jié)合的方式興建而成，考慮到防滲透層的固定穩(wěn)定性，蓄水池內(nèi)面采用坡度1∶2.5設(shè)計(jì)，在排水層上坡面間隔按8.5m開(kāi)槽固定、底部間隔按17m開(kāi)槽固定，防滲透層接合部設(shè)置在排水層開(kāi)槽內(nèi)，由排水管及特制混凝土塊固定，考慮到施工時(shí)防滲透層在排水層開(kāi)槽內(nèi)可能有損傷及接合部位的防滲漏能力差，槽內(nèi)施工完成后在表面覆蓋一層保護(hù)層，保護(hù)層的材質(zhì)及設(shè)計(jì)要求按防滲透層執(zhí)行；排水管設(shè)在排水層內(nèi)及固定槽內(nèi)，排水管最終匯集在庫(kù)盆底部監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)的透明的總管內(nèi)[4]。

表6 防海水滲透合成橡膠性能Tab.6 Synthetic rubber performance for the prevention of seawater seepage

（2）上庫(kù)蓄水池海水滲透檢知系統(tǒng)。防海水滲透系統(tǒng)有破損的情況下，設(shè)置在排水層內(nèi)及固定槽內(nèi)排水管將海水匯集在庫(kù)盆底部監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)的透明總管內(nèi)，通過(guò)透明管壁可以清晰、實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)各部的滲漏情況，保養(yǎng)維護(hù)方便。并在總管上設(shè)置鹽分檢知用電氣傳導(dǎo)率計(jì)及流量計(jì)[7]。若防海水滲透系統(tǒng)有破損發(fā)生滲漏的情況，系統(tǒng)將啟用電動(dòng)機(jī)將海水抽到上庫(kù)蓄水池中（漏水量應(yīng)預(yù)測(cè)在復(fù)水系統(tǒng)對(duì)應(yīng)可能的量以下）。

（3）工事前后到真機(jī)運(yùn)行過(guò)程通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作、檢查蓄水池中海水飛散對(duì)陸生生態(tài)鏈影響確認(rèn)，強(qiáng)風(fēng)時(shí)空氣中的鹽分量確認(rèn)、地下水質(zhì)鹽分確認(rèn)，土壤中鹽分量確認(rèn)、土壤表面鹽分沉淀確認(rèn)、樹葉上附著鹽分確認(rèn)。

表7 真機(jī)試驗(yàn)課題、對(duì)策、主要驗(yàn)證項(xiàng)目、達(dá)成度一覽表（達(dá)成度：О達(dá)成，×未達(dá)成）Tab.7 Prototype test subject，countermeasures，verification items and quality objective（Оreached，×not reached）

3.1.3 目標(biāo)達(dá)成度

防海水滲透系統(tǒng)：5年間真機(jī)運(yùn)行期間，上庫(kù)蓄水池防海水滲透系統(tǒng)完全未發(fā)生海水滲漏跡象，長(zhǎng)年物理性能測(cè)試結(jié)果表明，防海水滲透合成橡膠（EPDM JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格品）長(zhǎng)年暴露在海水環(huán)境中無(wú)明顯劣化、防滲漏機(jī)能散失等跡象，維持在安全可靠的狀態(tài)。防滲透機(jī)能滿足設(shè)計(jì)所要求的壽命同時(shí)能維持約40年程度壽命。

上庫(kù)蓄水池海水滲透檢知系統(tǒng)：5年間真機(jī)運(yùn)行期間，未發(fā)生海水滲漏跡象，海水滲漏檢知系統(tǒng)未得到檢證，但為了確保系統(tǒng)的有效，透明管中海水注入試驗(yàn)及定期點(diǎn)檢時(shí)復(fù)水電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)。

環(huán)境狀況：通常自然條件（無(wú)臺(tái)風(fēng)）下，通過(guò)檢測(cè)真機(jī)運(yùn)行過(guò)程通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作、檢查從水庫(kù)中無(wú)鹽分飛散跡象。有臺(tái)風(fēng)接近時(shí)，水庫(kù)下風(fēng)口處土壤中鹽分量、樹葉上附著鹽分確認(rèn)有上升跡象，但是沒(méi)有上升到鹽害的水平，自然變化范圍內(nèi)。為了恢復(fù)自然環(huán)境，采取了植樹造林措施，在上庫(kù)蓄水池周圍被種植樹木生機(jī)勃勃，綠樹成蔭；通過(guò)監(jiān)測(cè)建設(shè)前后動(dòng)物出現(xiàn)的種類及數(shù)量，地下水水質(zhì)趨于一定值，水庫(kù)中海水未對(duì)周圍陸域生態(tài)產(chǎn)生影響的跡象。

3.2 土木設(shè)備、真機(jī)器械耐腐蝕[1]

3.2.1 課題

海水相比較于淡水，水中溶解有相當(dāng)多的鹽類，同時(shí)波、浪、潮、流又對(duì)金屬構(gòu)件產(chǎn)生低頻往復(fù)應(yīng)力和沖擊，加上海洋微生物附著產(chǎn)生的直接或間接的加速腐蝕，因此海水是一種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。土木設(shè)備在海水環(huán)境中應(yīng)不產(chǎn)生缺陷，土木基礎(chǔ)中結(jié)構(gòu)件如發(fā)生海水滲漏不應(yīng)產(chǎn)生金屬腐蝕。海水水路系統(tǒng)中從取水口經(jīng)高壓鐵管、球閥、蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪至尾水等涉水部件及相關(guān)電氣及輔機(jī)設(shè)備等都是由金屬構(gòu)成，應(yīng)與淡水水路系統(tǒng)有同等程度的耐久性。

3.2.2 計(jì)劃對(duì)策

整個(gè)水路中300m區(qū)間內(nèi)壓力鋼管采用耐腐性能優(yōu)良的FRP（M）管（Fiberglass Reinforced

Plastic Mortar）（玻璃纖維強(qiáng)化塑料砂漿管），F(xiàn)RP（M）管具有優(yōu)越的耐海水腐蝕性及防滲水性能，且在有海洋生物附著的情況下不會(huì)影響水力性能（初步判斷具有一定的延展性），每段管長(zhǎng)4m，通過(guò)套管連接，埋設(shè)在基巖（非混凝土，可延展）中，埋設(shè)如圖3所示，模型如圖5[8]所示。FRP（M）管相對(duì)于鐵管具有一定的延展性，且埋設(shè)在基巖中，初期沖放水階段，及在高水壓下可能產(chǎn)生歪斜，蠕動(dòng)等，F(xiàn)RP（M）管詳細(xì)設(shè)計(jì)及施工方法參見(jiàn)《日本國(guó)電力土木手冊(cè)》[6]。

圖5 壓力鋼管FRP（M）材Fig.5 FRP Penstock

取水口內(nèi)張管、壓力鋼管彎曲部管、尾水進(jìn)入門、尾水路內(nèi)張管、尾水閘門等部件采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，鋼體涉水面上涂有性能強(qiáng)韌、高耐久性的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂（Glass flake vinyl ester）。一方面有效地阻止海水腐蝕，另一方面強(qiáng)韌性能可以避免去除附著海洋生物時(shí)損傷碳素鋼體。另外，通過(guò)電氣防腐蝕手段來(lái)抑制萬(wàn)一涂裝被損害后腐蝕。上庫(kù)取水口用攔網(wǎng)材料采用耐腐蝕不銹鋼（SUS329J4L材），尾水口用攔網(wǎng)材料采用耐腐蝕FRP。相關(guān)的混凝土建筑按海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，尾水路及尾水口混凝土中鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂裝處理，為防滲漏外表面采用陶瓷涂裝，并在其中埋設(shè)芯片確認(rèn)鹽分滲透情況。機(jī)組內(nèi)部如有海水通過(guò)，與海水直接接觸部件采用耐腐蝕不銹鋼、防腐蝕涂裝、電氣防腐蝕等。在水泵水輪機(jī)間隙部采用防間隙腐蝕涂裝，水泵水輪機(jī)為阻止電氣腐蝕，配管采用聚乙烯（Polyethylene）內(nèi)襯管路，管件連接采用絕緣連接螺栓、絕緣墊圈。海水熱交換器材料采用鈦合金防腐蝕。水泵水輪機(jī)主要部件的材質(zhì)及防海水腐蝕對(duì)策如表8所示。

表8 水泵水輪機(jī)主要部件的材質(zhì)及防海水腐蝕方法Tab.8 Structural parts Material of the pump turbine and methods to prevent seawater corrosion

3.2.3 目標(biāo)達(dá)成度

真機(jī)運(yùn)行5年間無(wú)水的狀態(tài)下對(duì)FRP（M）管進(jìn)行檢查，F(xiàn)PR層無(wú)損傷及腐蝕、內(nèi)面保護(hù)層無(wú)劣化、無(wú)磨損、連接套管無(wú)異常。海生生物附著量為100個(gè)/m2，在高水壓下，管路出現(xiàn)了一定量歪斜、蠕動(dòng)等，但FRP（M）管具有一定的延展性，可防高水壓下蠕動(dòng)，基巖輕微移動(dòng)。FRP（M）管外部與基巖接觸，一定量的內(nèi)壓可傳遞到基巖上，保證了FRP（M）管強(qiáng)度，并且FRP（M）管設(shè)計(jì)是沒(méi)有考慮基巖壓力分擔(dān)情況下取6倍安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此FRP（M）管設(shè)計(jì)及施工方法是合理的。取水口、放水路、放水口混凝土由于按海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建造，內(nèi)部鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂裝，外表面有陶瓷涂裝，無(wú)水狀態(tài)下檢查外表面無(wú)銹斑、裂紋、剝離等跡象，但埋在混凝土中監(jiān)控芯片顯示海水已滲透鋼筋處。商用機(jī)建設(shè)時(shí)，混凝土應(yīng)按高品質(zhì)海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建造，鋼筋應(yīng)全部采用環(huán)氧樹脂涂裝，外表面應(yīng)全部采用陶瓷涂裝，并埋設(shè)芯片全面監(jiān)控海水滲漏情況。因蝸殼、尾水錐管及尾水軸管上采用強(qiáng)韌、高耐久性的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂及電氣防腐蝕處理，電氣防腐蝕采用外部電源定電位自動(dòng)控制系統(tǒng)，由于電位設(shè)定及管理的不妥當(dāng)，玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，電氣防腐蝕應(yīng)適度、妥當(dāng)設(shè)定及管理電位，以免造成對(duì)鋼體表面涂裝損害。上庫(kù)取水口母材具有防海水腐蝕性能，但結(jié)構(gòu)上有間隙、有焊接處出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量減少間隙及焊接。

主機(jī)及輔機(jī)設(shè)備：無(wú)水的狀態(tài)下水泵水輪機(jī)相關(guān)部件2回/5年拆卸精密檢查，奧氏體不銹鋼制部件沒(méi)有出現(xiàn)孔蝕、腐蝕、線狀、球狀缺陷等異常跡象；重要部件轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)2回/年P(guān)T檢測(cè)確認(rèn)沒(méi)有應(yīng)力腐蝕裂紋、強(qiáng)度劣化等跡象。碳素鋼制部件座環(huán)、尾水錐管、尾水軸管連接面處有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝出現(xiàn)膨脹、剝離現(xiàn)象，因設(shè)置了電氣防腐蝕，碳素鋼沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。主軸密封采用陶制密封沒(méi)有出現(xiàn)異常跡象，海水一次熱交換器采用鈦合金材料，沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。配管采用聚乙烯（Polyethylene）里襯管路，內(nèi)襯面沒(méi)有出現(xiàn)損傷、膨脹等等異常跡象。電氣防腐蝕維持在較小的電流范圍內(nèi)，說(shuō)明涉水各部件維持在較好的防腐蝕涂裝狀態(tài)，維持在被腐蝕困難的環(huán)境中。

3.3 海生生物附著[1]

3.3.1 課題

海水水路系統(tǒng)中海生生物頻繁附著使設(shè)備性能低下，水力器械上附著會(huì)導(dǎo)致水頭損失使真機(jī)效率低下；上庫(kù)蓄水池內(nèi)面覆蓋EPDM橡膠層上附著導(dǎo)致品質(zhì)劣化；通海水輔機(jī)流路及管路中附著導(dǎo)致性能低下等。

3.3.2 計(jì)劃對(duì)策

海生生物在器械附著情況不確定因素太多，需要事前做試驗(yàn)對(duì)情況進(jìn)行確認(rèn)了解，并通過(guò)與具有海洋中器械運(yùn)行公司或廠家交流探討，吸收經(jīng)驗(yàn)采取對(duì)策。土木設(shè)備中壓力鋼管采用FRP（M）制，尾水錐管及尾水軸管采用玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝等。尾水路上方設(shè)置縱井，潛水員可以通過(guò)縱井定期檢查確立附著生物狀況及因素、合理去除處理方法、設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)方法及維護(hù)周期。

3.3.3 目標(biāo)達(dá)成度

土木設(shè)備，在真機(jī)運(yùn)行期間，上庫(kù)蓄水池死水位以下防滲漏EPDM橡膠層上有貝類及藻類附著，對(duì)防滲漏EPDM層未產(chǎn)生損傷。FRP（M）制壓力鋼管內(nèi)面僅少數(shù)貝類被發(fā)現(xiàn)，對(duì)材料及水力性能的健全性無(wú)影響。上庫(kù)蓄水池取水口鐵絲網(wǎng)上貝類附著密度非常高，但對(duì)鐵絲網(wǎng)的性能及發(fā)電損失影響甚微。尾水錐管及尾水管內(nèi)表面有稍高密度貝類附著，對(duì)涂層未產(chǎn)生傷害，貝類連續(xù)附著增大了尾水管管路摩擦，輕微地影響了水力性能，但保證在當(dāng)初設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。若數(shù)年間為保證器械的健全性及水力性能，應(yīng)著手制定合理的處理、保養(yǎng)、維護(hù)方法。機(jī)組冷卻系統(tǒng)，定期點(diǎn)檢、監(jiān)控從尾水取水的冷卻設(shè)備附著情況，無(wú)因海生生物附著使管路損失增大跡象。

3.4 海洋環(huán)境下真機(jī)運(yùn)行[1]

3.4.1 課題

海洋相比較于河流、湖泊是個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)將受到臺(tái)風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪的影響。一方面直接導(dǎo)致機(jī)組有效落差改變、有效電力輸出變化，水力機(jī)械受到影響；另一方面可能導(dǎo)致漂沙、漂浮物堆積，掩埋尾水口、阻塞尾水保護(hù)網(wǎng)等。抽水運(yùn)行工況時(shí)，尾水口如有泥沙推擠，泥沙將被抽到上庫(kù)蓄水池中，產(chǎn)生器械損害及器械性能低下。通海水輔機(jī)流路及管路中混入泥沙的狀況下，使熱交換性能下降，且易堵塞，易損。

3.4.2 計(jì)劃對(duì)策

為消除上述不利因素對(duì)真機(jī)運(yùn)行的影響，需事前監(jiān)測(cè)潮位的變動(dòng)范圍，在水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)實(shí)施基礎(chǔ)上，在高波浪時(shí)尾水口選擇合適的水深確保尾水水位，設(shè)計(jì)時(shí)平滑化處理發(fā)電工況及電動(dòng)工況，緩和臺(tái)風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪對(duì)真機(jī)有效落差、水力機(jī)械運(yùn)行的影響等，并在尾水口前設(shè)置圍欄狀透渦型消波堤壩，具有良好的防臺(tái)風(fēng)、消波性能，如圖6[8]所示。

3.4.3 目標(biāo)達(dá)成度

圖6 尾水口消波堤壩Fig.6 Breakwater dam in tail water gate

尾水口位置的設(shè)置，尾水位的選擇，四角消波堤壩的尺寸及數(shù)量的選擇都是按50年內(nèi)海域波浪高度數(shù)值來(lái)設(shè)計(jì)的，低潮位時(shí)尾水口距離尾水位5.8m（波振幅2.9m）處設(shè)置。在2002年第16號(hào)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)最大沖合波高度與過(guò)去50年內(nèi)最大沖合波相當(dāng)環(huán)境下，尾水口四角消波堤內(nèi)波高僅1.4m（振幅0.7m），相比較與設(shè)計(jì)波振幅2.9m有非常大的安全系數(shù)。此海域年間大概有2～3回程度臺(tái)風(fēng)來(lái)襲，對(duì)4回臺(tái)風(fēng)來(lái)襲高波浪惡劣環(huán)境下真機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行了確認(rèn)，圍欄狀四角消波堤壩有效地減弱了高波浪湍急海水，尾水位變動(dòng)引起的有效電力變化在0.18MW/m（理論值）程度振幅變動(dòng)，這和通常運(yùn)行時(shí)調(diào)速器自由變動(dòng)范圍內(nèi)起的電力變化相差小，有效地保證了真機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。尾水口附近海域的水質(zhì)、底質(zhì)及流況沒(méi)有大的變化，沒(méi)有造成對(duì)珊瑚礁等海生生物的影響，因此取放水沒(méi)有對(duì)海域環(huán)境造成影響。

4 真機(jī)設(shè)計(jì)概況

4.1 采用可變速抽水蓄能系統(tǒng)

真機(jī)在海洋環(huán)境下運(yùn)行，將受到臺(tái)風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪的影響，雖然圍欄狀四角消波堤壩有效地減弱高波浪湍急海水造成了尾水位變動(dòng)，但在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段考慮尾水位變動(dòng)可能造成有效落差改變使真機(jī)運(yùn)行范圍波動(dòng)，因此為了改善水泵水輪機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，減輕系統(tǒng)波動(dòng)，采用頻率能自動(dòng)調(diào)節(jié)、運(yùn)行范圍更廣的可變速（±6%）抽水蓄能系統(tǒng)?？勺兯俪樗钅芟到y(tǒng)通過(guò)控制交流勵(lì)磁裝置來(lái)控制機(jī)組旋轉(zhuǎn)能量與電能轉(zhuǎn)化，快速跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定?？勺兯俪樗钅芟到y(tǒng)構(gòu)成圖如圖7[9]所示。抽水工況時(shí)，可以通過(guò)改變速度來(lái)改變調(diào)整水泵的入力，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)；運(yùn)動(dòng)范圍變大，使水泵在最合適的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，改善水泵的運(yùn)行狀態(tài)，提高效率，降低空化、磨損及振動(dòng)，如圖8[10]所示。

圖7 可變速抽水蓄能系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.7 Conuration of adjustable-speed pumped-storage hydropower system

圖8 水泵工況入力與揚(yáng)程關(guān)系Fig.8 Pumping head vs.input and rotation speed characteristics curve in pumping mode

4.2 水泵水輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

沖繩海水抽水蓄能電站設(shè)有1臺(tái)31.4MVA/31.8MW-16P可變速抽水蓄能機(jī)組，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表9[11]所示。為方便檢查、保養(yǎng)、維護(hù)水泵水輪機(jī)各部件，水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)成不拆卸發(fā)電電動(dòng)機(jī)的情況下從下側(cè)能分解底環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪等涉水部件。為防海水腐蝕，轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、水機(jī)主軸等受力部件，采用的是耐腐蝕性好、加工性優(yōu)良、具有一定強(qiáng)度的奧氏體系不銹鋼；頂蓋、底環(huán)等表面海水流速大、靠近旋轉(zhuǎn)體部，采用的是添加少量碳的奧氏體系不銹鋼；蝸殼及尾水管與海水直接接觸的靜止結(jié)構(gòu)件，考慮成本，采用的是涂裝防腐蝕及電氣防腐蝕的碳素鋼；進(jìn)水閥采用的是有塑料里襯的雙翼蝶閥，機(jī)組冷卻系統(tǒng)因電站不能提供大量的淡水，采用的是密閉循環(huán)淡水冷卻、海水熱交換將熱量帶走的二次冷卻方式。

表9 水泵水輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.9 Main design parameters of the pump turbine

5 我國(guó)海水抽水蓄能發(fā)展展望及建議

5.1 發(fā)展展望

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關(guān)研究具有前瞻性。國(guó)家能源局開(kāi)展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果顯示，我國(guó)海水抽水蓄能資源站點(diǎn)主要集中在東部沿海五?。ㄟ|寧、山東、江蘇、浙江、福建）和南部沿海三省（廣東、廣西、海南）的近海及所屬島嶼區(qū)域。根據(jù)站點(diǎn)地形地貌、成庫(kù)條件、距高比、水頭、區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境影響等方面的要求，共普查出海水抽水蓄能資源站點(diǎn)238個(gè)（其中，近海站點(diǎn)174個(gè)，島嶼站點(diǎn)64個(gè)），總裝機(jī)容量為4208.3萬(wàn)kW（其中，近海為3744.6萬(wàn)kW，島嶼為463.7萬(wàn)kW）。從地域分布看，廣東、浙江、福建三省海水抽水蓄能資源站點(diǎn)最為豐富；遼寧、山東、海南三省資源站點(diǎn)其次；江蘇、廣西資源站點(diǎn)相對(duì)較少?？紤]地形條件、工程布置、節(jié)約淡水資源等多方面因素，進(jìn)一步篩選出建設(shè)條件相對(duì)較好的8個(gè)典型站點(diǎn)，分布在浙江、福建、廣東三省點(diǎn)，作為下一步研究重點(diǎn)。相信不久的將來(lái)，我國(guó)海水抽水蓄能將得到蓬勃生機(jī)的發(fā)展。國(guó)家能源局開(kāi)展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果如圖9[14]所示。

圖9 國(guó)家能源局開(kāi)展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果匯總Fig.9 Survey sheet of the China Seawater pumped-storage

海水抽水蓄能作為一種可開(kāi)發(fā)的新型能源，建設(shè)規(guī)模應(yīng)具有遠(yuǎn)見(jiàn)性，適度建設(shè)、大量建設(shè)存在弊端性，不可否認(rèn)抽水蓄能電站具備對(duì)電網(wǎng)有調(diào)峰、調(diào)谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等功能，但是，抽水工況需要吸收夜間電網(wǎng)多余的電力將水抽到上庫(kù)蓄水池，而夜間電網(wǎng)多余的電力大部分來(lái)自一次啟動(dòng)后就難以停止的核電站，伴隨著社會(huì)的發(fā)展，工廠自動(dòng)化生產(chǎn)加快投入，新能源汽車政策實(shí)施，沿海城市高度進(jìn)步，夜間所需要的電力也越來(lái)越大，以及受福島第一核電站事故影響，核能發(fā)電逐漸被世界難以接受，當(dāng)夜間的核電供應(yīng)能力處于不飽和時(shí)，需要啟用火力發(fā)電站，就沒(méi)有多余的電力用于機(jī)組抽水。若海水抽水蓄能電站大量建設(shè)，就需要啟用火力發(fā)電站的電力進(jìn)行抽水，電站完成從抽水至發(fā)電1個(gè)周期機(jī)組效率η=發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率×水泵效率×水輪機(jī)效率×發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率，從電網(wǎng)吸收的電力大約只有70%電力被再次利用，而火力發(fā)電站需要石油、煤炭、天然氣進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，化石燃料不僅從國(guó)外買賣困難，而且與保護(hù)環(huán)境，治霾、新能源建設(shè)背道而馳。加上海水抽水蓄能電站造價(jià)費(fèi)用高及技術(shù)攻關(guān)等，因此海水抽水蓄能電站大量建設(shè)也存在大的弊端性。

從日本國(guó)內(nèi)來(lái)看，社會(huì)發(fā)展到一定階段，隨夜間用電量的增大系統(tǒng)能處于自飽和狀態(tài)，及受福島第一核電站事故影響，在核電難以被國(guó)民接受、化石燃料買賣困難、環(huán)境問(wèn)題、海水抽蓄技術(shù)攻關(guān)等眾多因素的制約下，即使有真機(jī)運(yùn)行業(yè)績(jī)的基礎(chǔ)上，日本電源開(kāi)發(fā)及東京電力等日本主力電力公司近年也從未建設(shè)1臺(tái)商用海水抽水蓄能電站。日本國(guó)內(nèi)即使是淡水抽水蓄能電站，近十幾年也未有建設(shè)計(jì)劃，東京電力就曾公開(kāi)表示為了削減費(fèi)用不愿意使用抽水蓄能系統(tǒng)[2]。

5.2 建議

通過(guò)對(duì)沖繩海水抽水蓄能電站從建設(shè)到最后拆去全方位了解，對(duì)我國(guó)海水抽水蓄能示范工程建設(shè)、開(kāi)發(fā)研究提出幾點(diǎn)建議。

淡水抽水蓄能開(kāi)發(fā)枯竭地或無(wú)淡水抽水蓄能開(kāi)發(fā)地，利用優(yōu)越的自然條件，離海岸線距離近，有高度200m以上山坡，容易修建合適庫(kù)量上庫(kù)蓄水池或修建大壩，容易修建發(fā)電所，距電網(wǎng)有經(jīng)濟(jì)合理距離?？紤]可能受海水腐蝕影響，無(wú)高壓電線，地下電纜處、人口稀少處選址；考慮臺(tái)風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪影響機(jī)組有效落差，尾水口選離海岸坡度大、海水深、容易建設(shè)、容易定期檢查、操作便捷的地方設(shè)置，且尾水路上方應(yīng)設(shè)縱井，以便潛水員可以通過(guò)縱井定期檢查維護(hù)。江浙滬沿海海水環(huán)境復(fù)雜，渾濁、泥沙含量高、真機(jī)運(yùn)行時(shí)易發(fā)生泥沙堆積影響器械性能，選址要注意。

與核電、火電鏈接，著眼未來(lái)，從長(zhǎng)計(jì)議，合理規(guī)劃分配系統(tǒng)電源組成，建設(shè)區(qū)域夜間電網(wǎng)有足夠的低谷電能用于抽水?？紤]抽水蓄能機(jī)組的效率，日間發(fā)電收益應(yīng)大于火電機(jī)組因調(diào)峰而降低的收益。與有海水間接冷卻的核電站與火力發(fā)電站等廠家交流，防止冷卻系統(tǒng)海生生物附著對(duì)策。與造船或潮汐電站等廠家交流，防止金屬腐蝕對(duì)策。無(wú)論是抽水蓄能機(jī)組水路系統(tǒng)及機(jī)組冷卻系統(tǒng)，絕對(duì)禁止采用投藥的方式防止海洋生物附著。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)沖繩海水抽水蓄能電站概況、設(shè)計(jì)特點(diǎn)淺析及5年間真機(jī)運(yùn)行業(yè)績(jī)調(diào)查分析，得出海水抽水蓄能與淡水抽水蓄能具有同等程度的技術(shù)信賴性，也驗(yàn)證了可用于商用運(yùn)行，達(dá)到了當(dāng)初建設(shè)時(shí)作為研究驗(yàn)證性海水抽蓄電站的目的。這座從立案到拆除歷經(jīng)36年滄桑的海水抽水蓄能電站，最終作為抽水蓄能電站來(lái)說(shuō)，因?yàn)闄C(jī)組容量太小，對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)效果輕微，而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相對(duì)較高，無(wú)法體現(xiàn)最終用戶的商用價(jià)值而決定撤除，但其技術(shù)前瞻性研究和成果，對(duì)于世界上廣泛存在的海島和海岸區(qū)域建設(shè)必要的海水抽水蓄能電站而言，無(wú)疑具有重大的潛在推廣、普及和運(yùn)用價(jià)值。一定程度上，對(duì)我國(guó)海水抽水蓄能電站的示范工程建設(shè)、開(kāi)發(fā)研究，有借鑒和參考意義。