柴建峰 侯平利

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

可與海洋核動(dòng)力平臺(tái)配套的海水抽水蓄能電站

柴建峰1侯平利2

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

介紹了近期中國(guó)海洋核動(dòng)力平臺(tái)的發(fā)展情況，結(jié)合我國(guó)海島的地形地貌特點(diǎn)，探討了與之可配套的海水抽水蓄能電站用于調(diào)峰填谷作用，指出在島嶼周邊利用天然海灣圍填或人工填圍形成內(nèi)湖，可采用低水頭、大流量的貫流式水輪機(jī)抽排其內(nèi)一定量的海水體作為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化的載體。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)，抽水蓄能電站，調(diào)峰填谷作用，貫流式水輪機(jī)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)是海上移動(dòng)式小型核電站，是小型核反應(yīng)堆與船舶工程的有機(jī)結(jié)合，可為海洋油氣開(kāi)發(fā)和偏遠(yuǎn)島嶼提供安全、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)、高效的電力供給，也可用于大功率船舶和海水淡化等領(lǐng)域。

淡水和電力一直是影響我國(guó)海洋油氣工程、南海島礁開(kāi)發(fā)和海洋國(guó)防建設(shè)的主要因素之一。隨著科技發(fā)展核電站日益小型化，海洋核動(dòng)力平臺(tái)可有助于解決上述問(wèn)題，這種小型、移動(dòng)式核電站可為偏遠(yuǎn)島嶼和油氣開(kāi)采等工程供應(yīng)不間斷、經(jīng)濟(jì)、充沛的電力供給，有用電需求時(shí)將電站拉過(guò)來(lái)，不需要便可用船將電站拉走。

目前隨著南海油田開(kāi)發(fā)和海島國(guó)防建設(shè)等需要，海洋核動(dòng)力平臺(tái)的規(guī)劃、研究和建設(shè)等成為國(guó)內(nèi)外媒體的熱點(diǎn)之一[1，2]。

常規(guī)核電站多通過(guò)其配套的抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)峰填谷作用，如廣州抽水蓄能電站是中國(guó)最大的抽水蓄能電站，裝機(jī)2 400 MW，可使核電實(shí)現(xiàn)不調(diào)峰穩(wěn)定運(yùn)行，廣蓄電站的調(diào)峰填谷作用使香港中華電力公司無(wú)需多開(kāi)兩臺(tái)66萬(wàn)kW煤機(jī)，而且在負(fù)荷低谷期可以接收更多核電。它的作用主要表現(xiàn)在使核電實(shí)現(xiàn)不調(diào)峰穩(wěn)定運(yùn)行。海洋核動(dòng)力平臺(tái)可能也會(huì)面臨上述需要，我國(guó)海域資源豐富,考慮到南海島礁進(jìn)行酒店旅游、在南海島礁上建設(shè)的大型基礎(chǔ)設(shè)施等也都需要強(qiáng)大的電力供應(yīng)系統(tǒng)支撐等因素，研究海水抽蓄發(fā)電具有一定的前瞻性和必要性。

以下先簡(jiǎn)單介紹海洋核動(dòng)力平臺(tái)研發(fā)情況，然后介紹國(guó)內(nèi)外海水抽水蓄能電站現(xiàn)狀，淺析在缺少陡峭高山的獨(dú)立島嶼如何修建海水抽水蓄能電站，最后提出幾點(diǎn)建議，希望有助于優(yōu)化和利用核電能源，減少不必要的浪費(fèi)。

1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)研究介紹

1.1 國(guó)外研究情況

結(jié)合新聞報(bào)道，查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)50年代起，美國(guó)、蘇聯(lián)、日本、德國(guó)等國(guó)家就利用其成熟的核動(dòng)力艦船技術(shù)，開(kāi)展民用核動(dòng)力船舶的研究，并已經(jīng)分別建造了多艘核動(dòng)力商船和核動(dòng)力破冰船。

近期俄羅斯擬建造8座海上浮動(dòng)核電站，為其濱海城市的供電、供熱和海水淡化工程等提供能源，世界上首座海上浮動(dòng)核電站俄羅斯“羅蒙諾索夫院士”號(hào)已進(jìn)入下海測(cè)試階段，并計(jì)劃于2017年10月30日完成測(cè)試后正式投入使用[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)海洋核動(dòng)力平臺(tái)規(guī)劃、研究和建設(shè)由中船重工主導(dǎo)，中船重工2014年—2016年分別與國(guó)家電投、中核和中廣核三家國(guó)內(nèi)核能開(kāi)發(fā)巨頭單位簽署了相關(guān)戰(zhàn)略框架合作協(xié)議，這樣一來(lái)中船重工擁有更多的選擇機(jī)會(huì)，也有利于技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)創(chuàng)新。

中船重工計(jì)劃有先后批量建造近20座海洋核動(dòng)力平臺(tái)。2015年12月30日，中船重工集團(tuán)和中船重工719所獲得國(guó)家能源重大科技創(chuàng)新工程——“國(guó)家海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程”首張路條，有望2018年年底海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程將調(diào)試運(yùn)行完畢，2019年將進(jìn)入海上試運(yùn)行和驗(yàn)收移交階段[1]。

2016年11月4日，中廣核與東方電氣股份有限公司(下稱(chēng)東方電氣)簽署《“中廣核ACPR50S實(shí)驗(yàn)堆平臺(tái)項(xiàng)目”壓力容器采購(gòu)協(xié)議》，表明中廣核海上核電站率先啟動(dòng)建設(shè)。中廣核稱(chēng)，這意味著其海上小型堆ACPR50S建設(shè)正式啟動(dòng)，中國(guó)海上核電站建設(shè)進(jìn)入新時(shí)代[2]。

隨著國(guó)防和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋核動(dòng)力平臺(tái)的需求巨大。在民用領(lǐng)域，一方面可以為海上油氣田開(kāi)采、海島開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的供電、供熱和海水淡化提供可靠、穩(wěn)定的電力，另一方面也可為破冰船提供推進(jìn)動(dòng)力，在軍事上也有很多用途，在一定程度上將影響既有的國(guó)際關(guān)系及地緣政治。

2 海水抽水蓄能電站介紹

2.1 日本沖繩山原抽水蓄能電站[3,4]

世界上首座海水抽水蓄能電站是日本1999年建成并運(yùn)行的沖繩山原抽水蓄能電站，電站位于日本沖繩本島北部，是利用太平洋作為下庫(kù)，裝機(jī)容量30 MW，額定水頭136 m。

上庫(kù)的建設(shè)場(chǎng)地是一處高程為150 m～170 m的小臺(tái)地，距海岸線(xiàn)約600 m。上庫(kù)有效庫(kù)容56.4萬(wàn)m3，壓力管道、廠(chǎng)房和尾水管均為地下布置，地下廠(chǎng)房埋深150 m，長(zhǎng)41 m，寬17 m，高32 m，是一座試驗(yàn)性的抽水蓄能電站，試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證海水抽蓄商業(yè)化的可行性。

上庫(kù)從蓄水開(kāi)始到蓄滿(mǎn)為止需要6 h，可供8 h發(fā)電用，發(fā)電效率將近70%。

1999年3月開(kāi)始試運(yùn)行，并入沖繩本島電網(wǎng)，工程已經(jīng)運(yùn)行了11年多時(shí)間，為沖繩本島電網(wǎng)的負(fù)荷平衡和頻率穩(wěn)定起到了重要作用。

日本沖繩抽水蓄能電站的研制、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于上庫(kù)位于山頂?shù)暮Ｋ樾铍娬镜耐茝V、普及應(yīng)用將有重大參考價(jià)值，遺憾的是該電站近期的運(yùn)營(yíng)狀況和監(jiān)測(cè)資料，很難從國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中收集到。

2.2 排水型海水蓄能電站

考慮到我國(guó)南海中的海島多為珊瑚礁構(gòu)成的島、礁、灘、沙和暗沙。尤其是后期填筑或擴(kuò)大的島嶼，相對(duì)缺少修建常規(guī)抽水蓄能電站的地貌地形條件，這里所謂的常規(guī)，即在山頂?shù)认鄬?duì)高聳的區(qū)域修建上庫(kù)。

侯平利(2015)提出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，圖1為其成果的剖面示意圖，有關(guān)機(jī)組配置等可詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5][6]。相應(yīng)的實(shí)用新型專(zhuān)利號(hào)為ZL201520043551.6。

考慮到海洋核動(dòng)力平臺(tái)和離岸珊瑚礁型島嶼的特點(diǎn)，選擇天然海灣修筑攔水壩形成下庫(kù)，可能存在一定的難度。結(jié)合南海島嶼地形和地貌特征，在文獻(xiàn)[5][6]基礎(chǔ)上，我們建議：1)可結(jié)合島嶼開(kāi)發(fā)填筑工程，刻意形成一個(gè)封閉的內(nèi)湖(下水庫(kù))，并進(jìn)行適當(dāng)下挖，不僅可加大和外側(cè)海平面之間的高程差，還可以增加內(nèi)湖的容量，將封閉的內(nèi)湖作為抽水蓄能電站的下庫(kù)，上庫(kù)則為無(wú)限大的大海。故在島嶼周邊利用天然海灣圍填或人工填圍形成內(nèi)湖，將內(nèi)湖內(nèi)一定規(guī)模的海水體作為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化的載體。2)可將混凝土擋水壩用平面尺寸更大的海堤替代，不僅可以減少勘察、設(shè)計(jì)和施工難度，也可為后期提供更大的可用之地塊。3)水輪機(jī)的選型：考慮到海灣排水型蓄能電站專(zhuān)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 m～25 m，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(jiàn)(Tadami)水電站，達(dá)65.8 MW，轉(zhuǎn)輪直徑6.7 m，最大水頭20.7 m[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)在電力充沛有所剩余時(shí)，可通過(guò)水泵將內(nèi)湖(水庫(kù))中海水抽出，形成水位差和有效庫(kù)容；需要電力補(bǔ)償時(shí)，由于內(nèi)湖和海洋存在水位差，外側(cè)高高程海水推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和內(nèi)湖容量由島嶼用電負(fù)荷及海洋核動(dòng)力平臺(tái)決定。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)和海水抽水蓄能電站結(jié)合可有效率利用核能，減少不必要的能源浪費(fèi)。

國(guó)內(nèi)目前尚未開(kāi)展類(lèi)似實(shí)質(zhì)性的研發(fā)工作，相對(duì)滯后，建議相關(guān)單位結(jié)合海洋開(kāi)放和國(guó)防建設(shè)等戰(zhàn)略需要，開(kāi)展一些具體的前瞻性研究工作，如適時(shí)開(kāi)展沿海站點(diǎn)的試驗(yàn)站點(diǎn)建設(shè)，尤其是水輪機(jī)和水泵的防海水腐蝕及防海洋生物附著研究，為類(lèi)似海水抽水蓄能電站的發(fā)展提供一定的技術(shù)儲(chǔ)備[8]。

本文不足之處是有關(guān)海洋核動(dòng)力平臺(tái)的資料和數(shù)據(jù)多來(lái)自于新聞報(bào)道，其時(shí)間節(jié)點(diǎn)的可靠性和準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1498705.

[2] http://www.chinatesting.com.cn/plus/view.php?aid=14801.

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

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

[5] 侯平利.排水蓄能電站：中國(guó)專(zhuān)利，ZL201520043551.6[P].2015-04-03.

[6] 侯平利.海灣排水蓄能電站技術(shù)初探[A].2015年度技術(shù)論壇[C].2015.

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

[8] 柴建峰，肖 微.海水抽水蓄能電站及我國(guó)工程建設(shè)條件淺析[J].水電與抽水蓄能，2016,2(2)：46-50.

Brief analysis on marine nuclear power platform and seat water pumped storage station

Chai Jianfeng1Hou Pingli2

(1.TechnologyCenter，StateGridXinyuanCompanyLtd,Beijing100161,China； 2.ChinaNuclearPowerEngineeringCompanyLtd,Shenzhen518052,China)

This paper first introduces the development of Chinese marine nuclear power platform recently. According to the landform characteristics of islands of the south China sea, analyses the seat water pumped storage station which can been supporting project for the marine nuclear power platform, to undertake the tasks of filling valley and modulating peak lake surrounded by reclamation engineering can been used as the lower storage reservoir for pumped storage station, by pump to pump water of reservoir up into the sea that feed the tubular turbine. Finally, the paper presents that the artificial marine.

marine nuclear power platform, pumped storage station, the tasks of filling valley and modulating peak, tubular turbine

1009-6825(2017)02-0232-02

2016-11-20

柴建峰(1977- )，男，博士，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)； 侯平利(1977- )，男，博士，高級(jí)工程師

TV743

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