柴建峰，肖 微

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心 ，北京市 100073）

海水抽水蓄能電站及我國工程建設(shè)條件淺析

柴建峰，肖 微

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心 ，北京市 100073）

抽水蓄能電站在全球能源互聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)調(diào)峰、霧霾治理和綠色能源建設(shè)中，提供了重要的支撐和保障作用。本文首先介紹了日本沖繩海水抽水蓄能電站的工程建設(shè)條件及運營實踐經(jīng)驗，接著分析了我國海水抽水蓄能電站的工程建設(shè)條件，最后建議我國現(xiàn)階段宜開展一定有前瞻性的研究工作和具體工作、如適時開展試驗站點的建設(shè)、開展有針對性的海水防腐等。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)；海水抽水蓄能電站； 建設(shè)條件； 日本沖繩； 中國沿海

0 引言

抽水蓄能電站具有啟動快、運行靈活等特點，不僅為電網(wǎng)提供安全穩(wěn)定保障和調(diào)峰填谷功能，還對整個電力系統(tǒng)乃至能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有著特殊貢獻。抽水蓄能電站通常利用江河湖泊進行開發(fā)建設(shè)，常常會受到自然環(huán)境、氣候條件、環(huán)保、移民征地、地形地貌等客觀條件的限制，增加了抽水蓄能電站廠址選擇的難度和工程造價。

我國具有廣闊的海岸線，且沿海地區(qū)又是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，電力峰谷差更為嚴重，另外，在當(dāng)前氣候日趨變暖、淡水危機四起，而電力需求峰谷差日益加劇的情況下，研究海水抽蓄發(fā)電具有一定的前瞻性和必要性。

海水抽水蓄能電站與常規(guī)的淡水抽水蓄能電站相比，有如下優(yōu)勢：不需要專門建設(shè)下庫，降低了工程費用；可以建在大型電源點（火電廠、核電廠、風(fēng)電場和潮汐電場）附近，也可以建在靠近負荷中心周邊的海邊，降低了輸電成本[1，2，3，4]。

目前存在的主要問題有：①上庫中海水滲入和污染地表或地下水，以及由于風(fēng)力引起的海水飛濺，對周圍動物和其他生物系統(tǒng)的污染；②海水對金屬材料和水工結(jié)構(gòu)的腐蝕；③海洋生物附著對輸水系統(tǒng)和水泵水輪機的影響；④海岸進/出水口對附近生珊瑚及其他海洋生物的影響。

世界上首座海水抽水蓄能電站是日本1999年建成并運行的沖繩山原抽水蓄能電站，以下先介紹日本沖繩山原抽水蓄能電站情況，然后淺析我國海水抽蓄的工程建設(shè)條件，最后提出幾點認識。

1 工程實例

日本沖繩山原海水抽蓄電站[1，3，4]位于日本沖繩本島北部，是利用太平洋作為下庫，裝機容量30MW，額定水頭136m，有效庫容56.4萬m3，壓力管道、廠房和尾水管均為地下布置，地下廠房埋深150m，長41m，寬17m，高32m，是一座試驗性的抽水蓄能電站。該工程投資及研發(fā)經(jīng)費全部由日本政府出資，試驗?zāi)康氖球炞C海水抽蓄商業(yè)化的可行性。

1999年3月開始試運行，即被并入沖繩本島電網(wǎng)，工程已經(jīng)運行了十幾年多時間，為沖繩本島電網(wǎng)的負荷平衡和頻率穩(wěn)定起到了重要作用。上庫從蓄水開始到蓄滿為止需要6h，可供8h發(fā)電用，發(fā)電效率將近70%。

沖繩抽水蓄能電站上庫的建設(shè)場地是一處高程為150～170m的小臺地，距海岸線約600m。上庫通過開挖臺地的中心部分，并環(huán)繞著中間的深坑修建堤壩而形成，基巖為千枚巖，地層的連續(xù)性差，斷層發(fā)育，為早期沼澤沉積成巖。

上水庫呈八角形，庫深25m，對角長度252m，上庫形狀和位置的選擇基于：①庫盆需要敷設(shè)橡膠薄膜貼面，所以形狀要求簡單化；②優(yōu)化土建工作，盡量使挖填方量平衡；③上庫的進/出水口為喇叭口型，壓力管道上部分為直管段，材料為玻璃纖維增強塑料（FRP）管，彎管段為鋼襯并有電極保護。高壓斜管內(nèi)徑2.4m，長314m，輸水量26m3/s。

電站的試驗研究內(nèi)容包括：①上庫防滲效果和海水對地表及地下水污染；②海水對電站建筑材料的侵蝕；③海水生物對管道及水輪機的黏附作用以及影響；④高壓水流作用下，海水對金屬材料的腐蝕作用；⑤高海浪情況下，管道進出口海水的輸入和排泄的不穩(wěn)定性對發(fā)電出力的影響；⑥上庫海水因風(fēng)力作用而飄到水庫周圍，對植物、動物及其他生物的影響；⑦對生息在下庫出口周圍的珊瑚及其他有機生物的影響。

1.1 上水庫的防滲等措施

上水庫采用乙丙橡膠（EPDM）薄膜做為上水庫的貼面材料，全庫盆防護，EPDM 具有優(yōu)越的防滲特性和適應(yīng)氣溫變化性能。

橡膠貼面下為50mm厚的排水墊層，由粒徑≤20mm 的碎石料鋪成。為了防止墊層料碎石的棱角對橡膠貼面造成損傷，特設(shè)了無紡聚酯纖維織物夾層，橡膠貼面就敷設(shè)在無紡聚酯纖維織物上面。并在排水墊層中埋設(shè)海水傳感器和壓力監(jiān)測儀器，一旦橡膠貼面破損有滲水，監(jiān)測系統(tǒng)將報警，水泵自動將泄漏的海水抽到上水庫中。

正常運行時，每天的監(jiān)測和檢查上水庫海水的滲透，在包括蓄水試驗期在內(nèi)幾年的時間里，還沒有發(fā)現(xiàn)上庫滲漏現(xiàn)象[4]。如上水庫發(fā)生滲漏，在監(jiān)測廊道中還可以觀察和收集到滲水。

通過對大氣、降水和土壤中鹽分含量的測量監(jiān)測海水的泄漏。為了考證海水滲漏和泄漏，還對水庫周圍生長的動植物群、附近的小溪和池塘里的水都進行了監(jiān)測。

1.2 輸水系統(tǒng)

壓力管道采用FRP材料的管道作為壓力管道的直管段，F(xiàn)RP管道由FRP層和防護層組成，防護層具有耐酸、抗磨、耐堿等性能，結(jié)構(gòu)上雙向纏繞，在徑向和軸向纏繞的玻璃纖維均經(jīng)過樹脂的浸漬。

FRP管道不僅抗海水腐蝕，還能防止海洋生物附著，將其作為預(yù)埋的壓力管道在世界范圍內(nèi)還屬首例。為減少水頭損失并防止海洋生物的附著，管道之間的接口處采用套筒式接頭。FRP管道結(jié)構(gòu)中的橡膠主要用于擋水和密封。

壓力管道和圍巖之間的填充材料為粉煤灰和水泥的混合漿。

尾水隧洞和進/出水口，為了防腐，鋼筋混凝土襯砌的尾水洞中使用的鋼筋經(jīng)過了環(huán)氧樹脂涂層保護，進/出水口采用了耐磨抗腐蝕的特殊陶瓷涂層材料，進/出水口的攔污柵采用了FRP材料。

1.3 臺風(fēng)期的運行

沖繩島位于臺風(fēng)經(jīng)過的路線上，平均每年有8次臺風(fēng)出現(xiàn)，當(dāng)沖繩島受到破壞性臺風(fēng)影響時，重點關(guān)注：①由于臺風(fēng)影響，海水翻出水庫；②在強大風(fēng)力作用下，防水板的穩(wěn)定性；③臺風(fēng)期巨浪條件下，水庫蓄水和電站的運行情況。

1999年8月和9月，強臺風(fēng)曾兩次逼近和通過沖繩主島，在整個臺風(fēng)過程中，電站運行正常。由于臺風(fēng)負壓作用，上庫防水板出現(xiàn)隆起抬升的現(xiàn)象，最高達1m，有效的防治了海水飛濺溢出對周圍區(qū)域的污染。

1.4 運行監(jiān)測經(jīng)驗

在運行期間，主要結(jié)論：①上庫表面襯砌中，EPDM合成橡膠板的防滲性能和耐久性得到驗證，海水滲漏監(jiān)測系統(tǒng)達到預(yù)期效果；②海洋生物的黏附可控制在預(yù)計范圍內(nèi)，防黏附措施達到預(yù)期效果；③防腐涂料和陰極保護措施的有效性得到驗證，在永久性設(shè)施中，大規(guī)模采用纖維增強復(fù)合塑料（FRP）達到了預(yù)期效果；④依靠防浪消能工程設(shè)施，在強臺風(fēng)形成的大浪下作用下，進水口和尾水口能穩(wěn)定運行；⑤地下水中鹽分的積累在預(yù)計范圍內(nèi)，對周圍地區(qū)的動植物群的影響非常小。

上述結(jié)果表明海水抽水蓄能發(fā)電技術(shù)已初步具備建設(shè)商業(yè)化電站的可行性和可靠性[4]。

2 工程建設(shè)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造穩(wěn)定性

我國沿海地區(qū)從北向南，主要受朝鮮半島地震帶、郯廬地震帶、長江下游—黃海地震帶、長江中游地震帶和華南沿海地震帶的影響，地震活動復(fù)雜。但隨著沿海地區(qū)能源基地、核電站、碼頭、跨海大橋等工程建設(shè)，如大亞灣核電站、海陽核電站、洋山港、舟山連島工程、泉州灣大橋、港珠澳跨海大橋和膠州灣大橋等，現(xiàn)今中國地震局等科研單位在地震地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)選擇相對穩(wěn)定的工程場址，即所謂的“安全島”，成功的工程實踐已經(jīng)不少，如西南地區(qū)的多個高壩水電站，沿海的核電站和數(shù)十個跨海大橋等。

“安全島”是構(gòu)造活動區(qū)或者活動構(gòu)造之間存在的相對穩(wěn)定地塊，并將其作為工程建設(shè)基地的主要對象。在沿海地區(qū)選擇地形地貌條件適宜，地殼相對穩(wěn)定的海水抽蓄電站場址，目前技術(shù)上是可行的，不存在問題。

2.2 地形地貌條件

我國海岸線長，其中大陸海岸線約1.8萬km，島嶼海岸線約1.4萬km，合計約3.2萬km，海岸線地形變化復(fù)雜，選址范圍大。

張東（2015年）對我國南部沿海地區(qū)的海水抽水蓄能電站進行篩選普查，主要涉及廣西、廣東和海南三個地區(qū)。從地形地貌、海洋島嶼分布角度出發(fā)，進行了初步評價，主要結(jié)論如下[2]：①南部沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源總量約18000MW，其中以廣東省海水抽水蓄能資源較豐富，約占資源總量的63%;②從資源站點水頭分布分析，南部沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源主要分布在100～200m 水頭段，約占資源總數(shù)的59%，300m 以上水頭段的資源站點較少，僅占資源點總數(shù)的13%。

2014年11月，中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院承擔(dān)的《東部沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源開發(fā)潛力評價》通過驗收，該項目有針對性地研究評價了東部沿海地區(qū)海水抽蓄資源情況和開發(fā)潛力，對海水抽蓄電站建設(shè)條件、必要性、站點資源、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備制造能力，試驗站點的選擇和試驗站點的建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)問題進行了重點研究，并提出了試驗站點的初步方案。

從我國沿海地形地貌角度出發(fā)，海水抽蓄發(fā)電可選站點多，具有一定的先天優(yōu)勢，且沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達、交通條件便利，有利于后續(xù)工程建設(shè)的組織和實施。

2.3 極端天氣——海嘯和臺風(fēng)

沿海地區(qū)熱帶氣旋、風(fēng)暴潮、赤潮、龍卷風(fēng)、雷電災(zāi)害及地震等自然災(zāi)害較頻繁，是海水抽蓄電站建設(shè)和運行不得不面對的問題。以下主要分析臺風(fēng)和海嘯。

2.3.1 海嘯

海嘯是由海底地震、火山爆發(fā)、海底滑坡或氣象變化產(chǎn)生的破壞性海浪，海嘯主要受海底地形、海岸線幾何形狀及波浪特性的控制。海嘯上岸后，由于巨大的沖力，將夾帶一些破損建筑物產(chǎn)生的固體漂浮物一同前進，因此破壞力更強。近期影響比較大的海嘯有：①2004年12月印度尼西亞蘇門答臘島地震海嘯，造成近20萬人死亡，600萬人無家可歸；②2011年3月，日本東北部海域地震海嘯，截至2011年4月，地震和海嘯共造成日本12554人死亡、15077人失蹤，更為嚴重的是，由海嘯間接引起的福島核電站核泄漏事故對環(huán)境的破壞。

所幸我國海區(qū)大多是淺水大陸架地帶，平緩寬闊，外圍自北而南有：千島群島、日本群島、琉球群島、臺灣島、菲律賓群島、印尼諸島等環(huán)繞，形成一道天然屏障，越洋海嘯進入這一海域后，對海嘯傳播的摩擦力強，能量衰減很快，不利于地震海嘯波的傳播，對我國大陸沿海影響較小。如1960年智利大海嘯，對菲律賓乃至日本這些地方都造成了災(zāi)害，但傳到我國東海的長江口吳淞一帶，浪高僅15～20cm，沒有形成災(zāi)害。因此，遠海越洋海嘯對我國影響很小。

我國的地震海嘯危險性分析研究開始于20世紀70年代，周慶海（1988年）分析研究我國沿海海域大陸架地震地質(zhì)特征，對我國沿海進行了基于歷史地震海嘯記錄的地震海嘯危險性分析，最后給出我國臺灣東部沿海海域、海區(qū)大陸架沿海海域以及渤海沿海海域地震海嘯危險性之比為16∶4∶1（資料來源中國地震局工程力學(xué)所網(wǎng)站）。

從日本福島核泄漏事故分析來看，之所以發(fā)生如此嚴重的災(zāi)難，主要原因是目前人類認知能力有限，無法預(yù)測地震，進而海嘯的設(shè)防標(biāo)準也難以確定。

目前抗御海嘯災(zāi)害的工程措施主要：①合理規(guī)劃，主要是避讓、削弱、分流和阻擋；②科學(xué)設(shè)計，潛在海嘯災(zāi)害等級劃分、海嘯荷載確定、抗海嘯分析和構(gòu)造設(shè)計。對于海水抽蓄電站來說，應(yīng)關(guān)注海嘯的高水位淹沒和浪涌沖擊地表輸送電設(shè)置、地表建筑物、進/出水口的淹沒和沖擊。

2.3.2 臺風(fēng)

根據(jù)類似工程調(diào)研，臺風(fēng)對抽水蓄能電站的危害性表現(xiàn)在：①臺風(fēng)引起的海浪和暴雨，威脅地表建筑和輸送電設(shè)施的安全；②臺風(fēng)襲擊的地區(qū)，常有狂風(fēng)暴雨，從而引起高潮和巨浪，產(chǎn)生極大的破壞力，可能引起上水庫海水飛濺甚至溢出，污染植物和土壤；③臺風(fēng)的出現(xiàn)，產(chǎn)生異常的氣候條件，所產(chǎn)生的氯離子深入混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，氯鹽造成鋼筋的腐蝕破壞。

目前近海和海洋工程一般采用的防臺風(fēng)措施有：

（1）前期階段，如規(guī)劃選址和設(shè)計階段，在總平面布置時考慮臺風(fēng)及其影響，在工程設(shè)計時候，考慮一定的安全儲備，如日本沖繩的海水抽蓄電站，在上水庫設(shè)置了防濺墻。

（2）施工階段，統(tǒng)計工程區(qū)域的臺風(fēng)歷史數(shù)據(jù)，為施工安全提供保障。如目前正在建設(shè)的港珠澳大橋，委托氣象研究單位專門研究橋址區(qū)的熱帶氣旋。港珠澳大橋—島隧工程所在海域受大風(fēng)影響為冬季偏北大風(fēng)與熱帶氣旋。其中，熱帶氣旋影響是廣東沿海地區(qū)最為嚴重的災(zāi)害，熱帶氣旋所產(chǎn)生的大風(fēng)、暴雨和暴潮直接威脅到海上及沿岸的構(gòu)筑物、船只和人員的安全。

再如已建成的蘇通大橋，使用氣候統(tǒng)計學(xué)方法，分析了臺風(fēng)的頻率和時空分布特征，1949～2007年橋位區(qū)登陸臺風(fēng)有7個，過境臺風(fēng)有22個，邊緣或外圍氣流影響臺風(fēng)有146個，影響橋位區(qū)的臺風(fēng)年均2.5個，上述研究成果，有利于施工工期安排，從而有效規(guī)避施工期的災(zāi)害風(fēng)險。

（3）運營階段，及時關(guān)注氣象部門的臺風(fēng)預(yù)報，制定臺風(fēng)的預(yù)防措施和臺風(fēng)發(fā)生時的處理措施，并做好臺風(fēng)災(zāi)害后的善后工作，通過組建防臺組織結(jié)構(gòu)，做好防汛大堤的安全保護工作。

2.3.3 工程處理措施

近十幾年以來，隨著大規(guī)模的近海工程建設(shè)，如大型碼頭、人工填海筑島、跨海沉管隧道和核電站等項目的建設(shè)，積累了豐富的工程建設(shè)和運營管理經(jīng)驗。如在進/出水口區(qū)域可通過設(shè)置人工防浪消能堤岸來消弱海嘯或者臺風(fēng)的影響，這些措施在沿海碼頭、核電站等工程中已得以大量應(yīng)用。

對于上水庫的海水飛濺，可通過風(fēng)洞試驗和計算機模擬，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，綜合確定防濺墻的高度和防濺工程措施。同時，隨著計算機和大氣物理學(xué)的發(fā)展，臺風(fēng)的預(yù)報和預(yù)警也日益成熟。

雖然海嘯目前還無法預(yù)測，但是提前預(yù)警還是可以做到的。由以上分析可見，臺風(fēng)和海嘯等極端天氣，已不是限制海水抽蓄電站建設(shè)和運營的關(guān)鍵因素。

2.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)沿海類似工程經(jīng)驗，結(jié)合海水抽蓄電站的特點，工程地質(zhì)評價的重點：①上水庫—海水蓄水池、輸水發(fā)電系統(tǒng)的滲透漏水問題；②海水滲透對地下水和土壤的污染；③地質(zhì)缺陷帶/體一般富水，對工程建設(shè)影響大，精細化探測和評價顯得尤為重要；④建筑材料勘察。

海水抽蓄發(fā)電就工程規(guī)模來說，一般小于常規(guī)抽蓄電站，工程地質(zhì)條件相對簡單，建設(shè)期土建難度不大。就目前國內(nèi)巖土/地質(zhì)技術(shù)和經(jīng)驗來看，完全可以勝任上述工作。

3 幾點認識和建議

由以上分析可知，隨著科技的發(fā)展，臺風(fēng)、海嘯、地震和地質(zhì)條件等問題均有相對成熟的工程處理措施，工程建設(shè)條件已經(jīng)不是制約海水抽蓄電站建設(shè)的關(guān)鍵因素?？紤]到沿海地形地貌優(yōu)勢明顯、經(jīng)濟發(fā)達、交通便捷等優(yōu)勢，開發(fā)沿海海水抽蓄電站具有廣泛的前景。

日本沖繩抽水蓄能電站的研制、建設(shè)和運營經(jīng)驗，對于海水抽蓄的推廣和普及應(yīng)用將有重大參考價值。但該電站最近幾年的運營狀況和監(jiān)測資料，很難從國內(nèi)文獻中收集到。

國內(nèi)目前未開展實質(zhì)性的研發(fā)工作，相對滯后，建議政府和相關(guān)單位，結(jié)合全球能源互聯(lián)網(wǎng)等戰(zhàn)略需要，開展一些具體研究，實地考察日本沖繩海水抽蓄電站，加強海水防腐等前瞻性工作，適時開展沿海站點的試驗站點建設(shè)。

[1] 劉布谷，劉東． 世界上首座海水抽蓄能電站上庫的設(shè)計與施工，水利水電快報 [J]． 2012， 33（11）：15 ：17．

[2] 張東．我國南部沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源初步評價能源水利 [J]．2015，（1）．69-70．

[3] 張文泉，何永秀．海水抽水蓄能發(fā)電技術(shù)．中國電力[J]．1998， 31（11）：16-17．

[4] 邱彬如．世界抽水蓄能電站新發(fā)展[M]，北京：中國電力出版社，2006．

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

肖 微（1980—），女，碩士，工程師，水利水電工程，主要研究方向：流體機械工程。E-mail：xiaoweiyh@126．com

Seat Water Pumped Storage Station and the Construction Condition of China’s Coastline

CHAI Jianfeng, XIAO Wei
（Technology Center，State Grid Xinyuan Companyltd ， Beijing 100073，China）

Water pumped storage stations play an important role in Global Energy Internet, power system peaking duty,environmental pollution control and green power. This paper first introduces the construction characteristic, the operation characteristic of Okinawa Seat water pumped storage which is the fi rst seat water pumped storage station. Second analyses the construction condition of Seat water pumped storage station at China’s coastline. Finally, the paper presents some ideas and suggestions to the research of the seat water pumped storage station in China, to the construction of test station.

global energy internet;seat water pumped storage station; construction condition;Okinawa-Japan;China’s coastline