張皓天，吳世東，芮德繁，張 東

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

我國海水抽水蓄能電站示范項目選擇及開發(fā)研究

張皓天1，吳世東1，芮德繁1，張 東2

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

我國具備建設(shè)海水抽水蓄能電站的優(yōu)越條件，在我國開展海水抽水蓄能電站研究具有一定的前瞻性和必要性，可為布局我國海水抽水蓄能電站及開發(fā)建設(shè)等相關(guān)決策提供依據(jù)。本文介紹了國內(nèi)外海水抽水蓄能電站研究現(xiàn)狀，在普查我國海水抽水蓄能資源分布和初擬站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國新能源發(fā)展布局和要求，通過綜合分析比較，選擇海水抽水蓄能示范項目，并對其開發(fā)模式進(jìn)行初步探討。

海水抽蓄；示范項目；開發(fā)模式

0 引言

海水抽水蓄能電站以海水為介質(zhì)，一般情況下，利用海洋作為下水庫，在地形高差較大、站點(diǎn)地理位置與建設(shè)條件較優(yōu)的海岸陸地或島嶼上修建上水庫以及相應(yīng)的輸水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物，是一種新型抽水蓄能電站，具備占地面積小、水源充足、節(jié)省下水庫建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。海水抽水蓄能電站作為常規(guī)抽水蓄能電站開發(fā)的重要補(bǔ)充，逐步受到海島、臨海國家的重視。

我國海岸線綿長，島嶼眾多，具備建設(shè)海水抽水蓄能電站的優(yōu)越條件。隨著我國沿海地區(qū)核電、海上風(fēng)能、潮汐能、潮流能、太陽能等新能源的開發(fā)，配套建設(shè)海水抽水蓄能電站不僅可以滿足遠(yuǎn)離能源基地、能源資源條件匱乏的沿海及海島嶼地區(qū)用電需求，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，而且對于沿海及海島地區(qū)構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源供應(yīng)體系具有重要作用。海水抽水蓄能電站涉及海岸線利用、海洋漁業(yè)和海事管理、生態(tài)環(huán)境、國防等多方面因素，建設(shè)條件和社會環(huán)境因素相對復(fù)雜，電站開發(fā)建設(shè)日益困難，因此，在我國開展海水抽水蓄能電站選擇和開發(fā)研究具有一定的前瞻性和必要性，可為布局我國海水抽水蓄能電站及開發(fā)建設(shè)等相關(guān)決策提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外海水抽水蓄能電站研究概況

日本是研究海水抽水蓄能電站最早的國家，日本從20個世紀(jì)60年代便開始對海水抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)查和可行性研究工作，通過初步研究和選址調(diào)查，1999年，日本在沖繩建造了世界上第一座海水抽水蓄能試驗電站，積累了大量的海水抽蓄電站建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗，其技術(shù)水平已具備建設(shè)更大規(guī)模的商業(yè)化電站的可行性和可靠性[1]。近年來，其他臨海國家也進(jìn)行了海水抽水蓄能電站的相關(guān)研究：印度尼西亞提出了East Java 海水蓄能電站方案，相關(guān)部門就工程造價、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境分析、社會影響分析等進(jìn)行前期論證工作，并邀請了日本相關(guān)公司做技術(shù)論證；愛爾蘭Organic電力公司對愛爾蘭西北部進(jìn)行了海水抽水蓄能的前期研究，主要為了配合該地區(qū)的風(fēng)電及潮流能；蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學(xué)對蘇格蘭東北部進(jìn)行了海水抽水蓄能選址研究，并初步對兩個站址進(jìn)行比選；葡萄牙里斯本技術(shù)大學(xué)研究在葡萄牙圣米格爾島建設(shè)海水抽水蓄能電站，并分析其與可再生能源聯(lián)合運(yùn)行；希臘克里特技術(shù)教育學(xué)院風(fēng)能和聯(lián)合電站實驗室對海水抽水蓄能電站前期設(shè)計進(jìn)行研究，提出了海水抽蓄選址的合理地形參數(shù)；智利Valhalla電力公司開展了智利北部EDT海水抽蓄與太陽能聯(lián)合電站研究[2-5]。此外，美國、日本和愛沙尼亞對地下式海水抽水蓄能電站建造的可行性進(jìn)行了初步探索。

海水抽蓄電站的選址研究在我國尚處于起步階段，2013年水電水利規(guī)劃設(shè)計總院組織相關(guān)單位開展全國沿海地區(qū)海水抽水蓄能開發(fā)潛力評價工作，2015年中國電力建設(shè)股份有限公司開展了我國海水抽水蓄能電站資源普查和選點(diǎn)規(guī)劃的研究工作[6]。石文輝對我國建設(shè)海水抽蓄電站進(jìn)行了初步研究并提出了沿海地區(qū)海水抽蓄電站的選址建議[7]。柴建峰對我國海水抽水蓄能電站的建設(shè)條件進(jìn)行了初步分析[8]。

2 我國海水抽水蓄能電站示范項目選擇

海水抽水蓄能電站項目選擇工作按初擬站點(diǎn)—普查站點(diǎn)—主要站點(diǎn)—典型站點(diǎn)—推薦站點(diǎn)等層次開展：即通過對全國海水抽水蓄能站點(diǎn)進(jìn)行普查，根據(jù)地理環(huán)境、地形、地質(zhì)、地貌、水文條件、成庫條件、距高比等方面要求，擬定基本具備海水蓄能電站建設(shè)條件的初擬站點(diǎn)，進(jìn)一步考慮區(qū)域地質(zhì)條件和環(huán)境影響因素，篩選出海水抽水蓄能普查站點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)結(jié)合地形、工程布置等方面條件，經(jīng)過內(nèi)業(yè)初選，選擇條件較好的主要站點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場查勘；結(jié)合社會環(huán)境影響分析，確定典型站點(diǎn)；經(jīng)詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選，推薦示范項目。

2.1 示范項目選擇原則

根據(jù)建設(shè)海水抽水蓄能示范電站的基本條件，按照需求、建設(shè)條件、環(huán)境影響、建設(shè)征地移民安置和技術(shù)指標(biāo)等因素，擬定示范項目選擇原則如下：

2.1.1 建設(shè)需求及意愿

宜選擇調(diào)峰電源缺乏的沿海地區(qū)，特別是供電保證程度較低的島嶼地區(qū)；對于規(guī)劃建設(shè)風(fēng)電、太陽能等電源和有人類經(jīng)濟(jì)活動的海洋島嶼，應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。地方政府有較為強(qiáng)烈的建設(shè)和開發(fā)意愿。

2.1.2 建設(shè)條件

選擇有建壩成庫的地形條件建造上水庫，其中島嶼站點(diǎn)可選擇具備開挖成庫的地形條件，且均要避開具有重大工程地質(zhì)問題的區(qū)域。具有運(yùn)輸大型設(shè)備的交通條件和布置施工場地的地形條件。應(yīng)盡量避免將下庫進(jìn)水口選在泥粉質(zhì)淤沙較多、海沙含量較大的海域。

2.1.3 環(huán)境影響及建設(shè)征地移民安置

盡量避開環(huán)境影響敏感區(qū)域，降低電站建設(shè)對環(huán)境的影響程度。盡量減少上水庫淹沒損失，避免淹沒軍事設(shè)施、風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、大型工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)或人口密集區(qū)域。

2.1.4 主要技術(shù)指標(biāo)

因海水抽水蓄能電站為新型電站，我國目前還沒有該型電站建成，裝機(jī)容量不宜太大；為保證一定發(fā)電水頭并減少上水庫規(guī)模，站點(diǎn)天然落差應(yīng)大于100m；上、下水庫水平距離盡量短，以減少輸水系統(tǒng)的工程投資和電能損失，站點(diǎn)的距高比控制在10以內(nèi)。

2.2 示范項目選擇歷程

經(jīng)過前期普查，共選出424個初擬站點(diǎn)（不含香港、澳門特別行政區(qū)及臺灣?。?，普查范圍約37000km2。針對初擬站點(diǎn)，考慮區(qū)域地質(zhì)條件和環(huán)境影響因素，進(jìn)一步篩選238個普查站點(diǎn)。在普查站點(diǎn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)結(jié)合地形條件、工程布置等建設(shè)條件進(jìn)行篩選，并考慮站點(diǎn)的交通條件、開發(fā)價值、需求現(xiàn)狀、多能互補(bǔ)開發(fā)及潛力等多方面，從中篩選出條件較好的25個站點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)查勘，另外，結(jié)合海南省三沙市永興島及其附近島嶼地形條件，提出了永興島站點(diǎn)建設(shè)地下式海水抽水蓄能電站的初步構(gòu)想。從站點(diǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和社會環(huán)境因素綜合分析，福建省的浮鷹島和口門，廣東省的上川島、南澳島、萬山島和三門島，浙江省的桃花島、龍?zhí)?、青天灣、小畚斗和天燈盞，江蘇省的大龍頂，山東省的炮臺東，廣西壯族自治區(qū)的潿洲島14個站點(diǎn)條件較好，可作為海水抽水蓄能電站主要站點(diǎn)。

經(jīng)過進(jìn)一步比選可知，福建省福州市口門、江蘇省連云港市大龍頂、山東省威海市炮臺東為近海資源站點(diǎn)；浙江省小畚斗和廣東省三門島站點(diǎn)對外交通條件較差、島內(nèi)用電需求較?。粡V西壯族自治區(qū)潿洲島站點(diǎn)發(fā)電水頭較低、地質(zhì)條件相對較差，裝機(jī)規(guī)模較小。雖然口門、大龍頂、炮臺東、小畚斗、三門島和潿洲島等6個站點(diǎn)具備海水抽水蓄能電站建設(shè)的基本條件，但不具備試驗示范項目的典型性和代表性，而福建省浮鷹島，浙江省桃花島、龍?zhí)丁⑶嗵鞛澈吞鞜舯K，廣東省上川島、南澳島和萬山島等8個站點(diǎn)具備作為示范項目的典型性和代表性，從中選擇海水抽水蓄能電站示范項目。我國海水抽水蓄能電站典型站點(diǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

從建設(shè)需求及意愿、建設(shè)條件、環(huán)境影響、建設(shè)征地移民安置和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面對典型站點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，福建寧德浮鷹島站點(diǎn)具有建設(shè)海水抽水蓄能電站的需求，地方政府有較為積極的建設(shè)意向，地形地質(zhì)條件、下庫進(jìn)/出水口布置條件、施工條件、接入系統(tǒng)條件較好，可以配合島上新能源運(yùn)行，裝機(jī)容量適當(dāng)，距高比較小，單位千瓦投資相對較低，水庫淹沒及環(huán)境影響較小。因此，擬推薦福建寧德浮鷹島站點(diǎn)作為我國海水抽水蓄能的示范項目，應(yīng)視地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展及電力市場需求適時開發(fā)建設(shè)。

3 示范項目工程建設(shè)方案

福建寧德浮鷹島站點(diǎn)位于福建省寧德市霞浦縣海島鄉(xiāng)里澳村西南側(cè)，距寧德市直線距離約為58km，該站點(diǎn)位于寧德市東部海域的一個獨(dú)立島嶼上，島上在建浮鷹島風(fēng)電場（48MW）。上水庫庫盆位于浮鷹島天牛頂西南側(cè)打鐵坑山坳內(nèi)，直接利用東海作為下水庫。

上水庫正常蓄水位149m，死水位127m，調(diào)節(jié)庫容88萬m3。大壩壩型初擬采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程153.00m，大壩最大壩高66.5m。上水庫采用全庫盆防滲型式，庫岸主要為巖質(zhì)邊坡，初擬采用“全庫盆掛網(wǎng)噴15cm厚混凝土”的防滲型式。

輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上庫進(jìn)/出水口，引水上平洞、引水斜井段、引水下平洞、引水鋼岔管、引水支管、尾水支管、尾水鋼岔管、尾水隧洞、下庫進(jìn)/出水口等；上、下庫進(jìn)/出水口之間輸水系統(tǒng)總長約727.6m。地下廠房為中部開發(fā)方案，主副廠房、安裝場、主變室布置于同一洞室內(nèi)。

下水庫系利用東海，進(jìn)/出水口海岸線呈陡崖狀，進(jìn)/出水口采用岸塔式，共設(shè)一個檢修閘門。

電站平均毛水頭為139m，裝機(jī)容量42MW，安裝2臺單機(jī)容量21MW的單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動機(jī)組，距高比（L/H）約為4.3。

上水庫庫盆內(nèi)無人口、房屋和專項設(shè)施，水庫淹沒土地主要為灌木林和松、杉等用材林。不涉及風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、飲用水水源保護(hù)區(qū)、地質(zhì)公園等環(huán)境敏感區(qū)。從環(huán)境保護(hù)的角度來看，浮鷹島站點(diǎn)不存在環(huán)境制約因素。浮鷹島站點(diǎn)施工安排總工期為3年6個月，其中準(zhǔn)備工期為3個月，從工程開工到第一臺機(jī)組發(fā)電工期為3年3個月。工程的單位千瓦投資（靜態(tài)）約為18745元/kW。

4 示范項目開發(fā)模式分析

浮鷹島站點(diǎn)將是我國國內(nèi)第一座以海水為介質(zhì)的抽水蓄能電站，是一座示范工程，通過其建設(shè)和運(yùn)營，可以掌握涉海領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，可以保障島嶼電力供應(yīng)和推動國防安全建設(shè)，促進(jìn)海洋及能源綜合開發(fā)。雖然目前示范項目的財務(wù)指標(biāo)差、財務(wù)生存能力弱，但其建設(shè)的示范作用和今后相關(guān)技術(shù)推廣的價值較大，可以尋求國家、企業(yè)和行業(yè)等相關(guān)部分的支持。同時，利用浮鷹島自身及周邊資源，以海水抽水蓄能示范項目建設(shè)帶動海島的整體開發(fā)，實現(xiàn)島嶼綜合開發(fā)效益轉(zhuǎn)移。

4.1 示范項目建設(shè)相關(guān)方分析

從海水抽水蓄能電站示范項目的前期研究、工程建設(shè)和運(yùn)行管理的全生命周期來看，需要國家行業(yè)主管部門、地方政府、項目投資方、項目設(shè)計單位、設(shè)備廠商等多個部門或多家單位共同參與，其中，國家行業(yè)主管部門和地方政府是示范工程建設(shè)和運(yùn)行的指導(dǎo)方，為示范工程建設(shè)提供優(yōu)惠政策支持；項目投資方需要負(fù)責(zé)項目建設(shè)資金的落實；項目設(shè)計單位需要從工程建設(shè)專業(yè)技術(shù)保障方面為示范工程提供整體服務(wù)；設(shè)備廠商需要充分考慮海水抽水蓄能電站示范工程的特殊性，研究適合以海水為介質(zhì)的抽水蓄能電站的金屬材料和水泵水輪機(jī)組。

4.2 島嶼綜合開發(fā)效益轉(zhuǎn)移分析

以項目建設(shè)帶動整島開發(fā)是一個系統(tǒng)性的工程，工程建設(shè)前期需要多種資源相互補(bǔ)償。浮鷹島風(fēng)電項目投資效益較好，海水抽水蓄能電站建設(shè)能更好地提升風(fēng)電利用效率，由于島上的風(fēng)電項目已經(jīng)處于開發(fā)建設(shè)中，考慮加快海上風(fēng)電資源開發(fā)，通過海上風(fēng)電項目開發(fā)支持示范項目建設(shè)。同時，浮鷹島海水抽水蓄能電站建設(shè)對旅游產(chǎn)業(yè)的帶動作用最為明顯，每年帶來大量的旅游觀光客和旅游收入，可以通過海水抽水蓄能電站與整島旅游開發(fā)同步進(jìn)行，建設(shè)以能源科普觀光、海島特色小鎮(zhèn)為一體的、以海水抽水蓄能電站為核心的特色海島，通過海島綜合開發(fā)，考慮旅游開發(fā)投資商支持示范項目建設(shè)。經(jīng)過多方資金補(bǔ)償，可為海水抽水蓄能電站示范項目提供可觀的建設(shè)費(fèi)用。

5 結(jié)論與展望

我國具備建設(shè)海水抽水蓄能電站的優(yōu)越條件，在我國開展海水抽水蓄能電站選址研究具有一定的前瞻性和必要性，經(jīng)過綜合比選，推薦福建寧德浮鷹島站點(diǎn)作為我國海水抽水蓄能電站的示范項目，應(yīng)適時開展進(jìn)一步工作。

海水抽水蓄能電站的選址和開發(fā)研究在我國尚處于起步階段。與常規(guī)抽水蓄能電站相比，海水抽水蓄能電站規(guī)模相對較小，單位千瓦投資較高，在借鑒國外同類工程建設(shè)、運(yùn)行管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步對示范項目的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響等方面進(jìn)行評估和分析。從技術(shù)層面和市場行為來看，當(dāng)前需要國家、地方和其他各相關(guān)方以戰(zhàn)略的眼光和決心投入到示范項目中來，共同促進(jìn)示范項目工程建設(shè)，推動我國海水抽水蓄能事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

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2017-08-01

2017-09-21

張皓天（1988—），男，注冊土木工程師（水利水電工程規(guī)劃），主要研究方向：水電水利工程水能規(guī)劃設(shè)計。E-mail：370124511@qq．com

吳世東（1979—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：能源規(guī)劃設(shè)計。E-mail：wu_sd1@ecidi．com

芮德繁（1978—），男，高級工程師，主要研究方向：水電水利工程水能規(guī)劃設(shè)計。E-mail：rui_df@ecidi．com

張 東（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：水力動能設(shè)計。E-mail： 52624311@qq．com

Study on Selection and Development of Demonstration Project of Seawater Pumped Storage Power Station in China

ZHANG Haotian1，WU Shidong1，RUI Defan1，ZHANG Dong2
(1.Power China Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122，China; 2. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China)

China has favorable conditions for the development of seawater pumped storage power station （SPSPS）. Conducting studies on SPSPS has certain prospect and necessity in China as it can provide the decision-making basis for the layout and development of SPSPS. In this paper， the state of the art studies on SPSPS in the world were introduced. Based on the analysis of the distribution of seawater pumping energy resources and the preliminarily proposed sites in China， along with the development planning and requirements of new energy in China， a seawater pumping energy storage demonstration project was selected after comprehensive analysis and comparison， and its development mode was discussed.

seawater pumped storage power station； demonstration project； development mode

TV743

A學(xué)科代碼：570．99

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．002