文樹潔，熊 欣，張 建

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機關鍵技術淺析

文樹潔，熊 欣，張 建

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關技術研究具有前瞻性。本文重點分析總結了中高水頭海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機水力設計及選型、結構設計、材料選擇及防腐蝕、防海洋生物附著等關鍵前沿技術，并就關鍵技術發(fā)展及研究方向提出思考和建議，為我國未來自主化研發(fā)中高水頭海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機提供參考和依據。

海水抽水蓄能電站；混流式水泵水輪機；關鍵技術；防腐蝕

0 引言

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關技術研究具有前瞻性。根據國家能源局最新統(tǒng)計，我國海水抽水蓄能站點達238個，總裝機容量可達4203.8萬kW，海水抽水蓄能資源非常豐富。我國《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》將研究試點海水抽水蓄能納入重點任務，要求加強關鍵技術研究，推動建設海水抽水蓄能電站示范項目，填補我國該項目的空白。

由于海水抽水蓄能電站水泵水輪機工作介質為化學性質活潑的海水，因此水泵水輪機的水力設計及選型、結構設計、材料選擇及防腐蝕等方面都有不同于常規(guī)水泵水輪機的特殊要求，需要深入研究。

1 海水抽水蓄能電站水泵水輪機技術應用情況簡介

海水抽水蓄能電站通常以大海作為下庫，在地形合理的海岸山地上修建上水庫。與常規(guī)陸地淡水抽水蓄能電站相比，具有無需建設下庫、水量充沛、水位變幅小、有利于水泵水輪機運行等諸多有利條件。在淡水資源缺乏、常規(guī)淡水抽水蓄能電站建設條件較差、火電及核電等基荷電源集中的沿海地區(qū)以及沿海島國建設，具有很強的經濟性及競爭力[1-2]。

日本是海水抽水蓄能電站概念的提出者。1991年，日本的KANEDA等[3]在專利技術文獻中系統(tǒng)地提出海水抽水蓄能的概念及技術。1999年3月，日本建成世界上第一座試驗運行海水抽水蓄能電站——Okinawa Yambaru 電站。該電站裝機容量30MW，最大工作水頭152m，最大流量26m3/s，通過5年的試運行，驗證了海水抽水蓄能電站系統(tǒng)的可靠性，為世界范圍內建設大容量、高水頭海水抽水蓄能電站奠定了技術實踐基礎[2]。Okinawa Yambaru 電站水泵水輪機參數如表1所示。

日本Okinawa Yambaru 海水抽水蓄能示范電站的建成投運，極大地促進了海水抽水蓄能技術的進步。近年來，對儲能、電網調節(jié)有迫切需求的愛爾蘭、印度尼西亞、愛沙尼亞、希臘、沙特等靠近海岸線的國家紛紛開展海水抽水蓄能電站項目可行性分析。例如，中東國家提出的死海項目[2]，規(guī)劃利用海洋建立抽水蓄能電站，擬裝機規(guī)模為1500～2500MW，計劃將地中海的海水通過長72km的壓力管道，注入Qumran上水庫，形成抽水蓄能電站發(fā)電、抽水條件；沙特阿拉伯的KOTIUGA等[2]對沙特阿拉伯西海岸的地形進行了研究，對在沙特阿拉伯西海岸建立1000MW海水抽水蓄能系統(tǒng)進行了經濟、技術可行性分析；葡萄牙的ROMAS[2]對佛得角群島建立海水抽水蓄能系統(tǒng)也進行了經濟、技術可行性分析；由此可見，未來海水抽水蓄能電站技術應用前景非常廣闊。但目前，除了日本Okinawa Yambaru電站對水泵水輪機技術進行了真機驗證，全世界后續(xù)規(guī)劃的海水抽水蓄能電站均沒有進入實質性建設階段，沒有經過大規(guī)模特別是高水頭大容量電站的實際運行驗證。因此，海水抽水蓄能電站水泵水輪機技術仍需不斷完善，以適應未來大規(guī)模的推廣應用要求。

2 海水抽水蓄能電站水泵水輪機關鍵技術

海水抽水蓄能電站水泵水輪機機型有臥軸貫流式和立軸混流式兩種。臥軸貫流式水泵水輪機主要適用于低水頭、小容量海水抽水蓄能電站（H＜30m），其本質是潮汐發(fā)電技術的延伸，作為儲能電站，推廣的意義及價值不大；立軸混流式水泵水輪機主要適用于中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站（H≥30m），是未來海水抽水蓄能電站技術發(fā)展的主要方向。以下主要結合常規(guī)中高水頭、大容量混流式水泵水輪機成熟技術，對比探討分析中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機水力設計及選型、結構設計、材料選擇及防腐蝕、防止海洋生物附著等關鍵技術。

2.1 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機水力設計及選型

中高水頭、大容量海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機水力設計與常規(guī)中高水頭、大容量混流式水泵水輪機水力設計相比，在能量性能和穩(wěn)定性方面，設計準則并沒有顯著的差異。但在空化性能方面，由于海水蓄能電站工作介質為海水，因此水力研發(fā)時應更關注模型轉輪的空化性能。提高模型轉輪的空化性能，對真機轉輪運行時抵抗海水介質腐蝕具有重要的作用。

2.1.1 能量性能研究

海水的密度約為1.025×103kg/m3，不同海區(qū)略有不同，主要取決于海水中的含鹽量。海水較陸地淡水比重略大，單從能量性能研究角度，與淡水并無實質性差異，可以在實驗室中用淡水代替海水進行研究。當前模型轉輪開發(fā)的主流技術均是通過CFD模擬計算，分析水泵水輪機各部件內部的流動狀態(tài)，預估水泵水輪機的水力性能，再通過模型試驗驗證。在滿足空化、穩(wěn)定性要求的前提下，通過對固定導葉和活動導葉的型線、相對位置、安放角、葉片翼型以及進、出口角進行優(yōu)化設計，來進一步提高水泵水輪機能量性能。

2.1.2 水力穩(wěn)定性研究

由于海水抽水蓄能機組和常規(guī)淡水抽水蓄能機組一樣，在電力系統(tǒng)中需要擔負調峰、填谷、調相和事故備用等多種功能，因此也存在起停頻繁、工況轉換多樣等特點；此外如果輸水系統(tǒng)長度過長，水頭較高時其過渡過程也將異常復雜，水泵水輪機運行的穩(wěn)定性將異常重要。水力穩(wěn)定性不僅影響轉輪的使用壽命，而且關系到機組乃至電站能否長期安全穩(wěn)定運行。因此，提高水泵水輪機的水力穩(wěn)定性對機組的安全穩(wěn)定運行具有重要的作用。

海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機與常規(guī)混流式水泵水輪機一樣，水力穩(wěn)定性研究的主流技術也是通過CFD建模分析計算，通過對導葉數、葉片數、導葉分布圓直徑，固定導葉和活動導葉的型線、相對位置、安放角、葉片翼型等進行優(yōu)化設計，以改善水輪機工況的“S”特性、水泵工況駝峰裕量，減小無葉區(qū)壓力脈動，降低尾水管渦帶頻率產生的振動，從而進一步提高水泵水輪機水力穩(wěn)定性能。

2.1.3 空化性能研究

由于海水抽水蓄能電站工作介質為化學性質活躍的海水，因此對海水抽水蓄能電站水泵水輪機而言，空化性能更為關鍵。與常規(guī)混流式水泵水輪機一樣，水泵水輪機水泵工況的空化性能比水輪機工況更惡劣，因此在模型轉輪研發(fā)時，通常重點研究水泵工況的空化性能，模型試驗驗證后再反過來校核水輪機工況空化性能。水泵水輪機在高揚程、小流量區(qū)域，葉片的背面容易產生空化；在低揚程、大流量區(qū)域，葉片的正面也容易產生空化。因此，在海水水泵水輪機水力研發(fā)上，應重點關注葉片型線、包角的優(yōu)化，提高轉輪空化性能。目前的主流技術是采用仿生學原理對葉片翼型進行設計來提高空化性能，同時也可以達到機組生態(tài)過魚的要求，減少機組運行時對淺海海洋魚類的傷害。

2.1.4 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機選型

海水抽水蓄能電站水泵水輪機參數的選擇直接關系到電站的經濟性和可靠性，是抽水蓄能電站設計中極其重要的一環(huán)。海水抽水蓄能電站水泵水輪機選型與常規(guī)混流式水泵水輪機選型并無本質性的差異，水泵水輪機參數選擇的關鍵是比轉速的確定。比轉速是表征水泵水輪機技術經濟的綜合性指標，它的高低可大致表征其性能水平要求的高低，并直接影響到機組尺寸、重量、空蝕及運行穩(wěn)定性等。

水輪機工況比轉速計算公式為：

水泵工況比轉速計算公式為：

式中：nst——水輪機工況比轉速，m·kW；

nsq——水泵工況比轉速，m·m3/s；

n——水泵水輪機額定轉速，r/min；

N——水泵水輪機出力，kW；

HT——水泵水輪機凈水頭，m；

HQ——水泵凈揚程，m；

QP——水泵流量，m3/s。

從式（1）和式（2）可以看出，海水抽水蓄能電站，在機組容量和水頭確定后，提高水泵水輪機比轉速的最有效方法是提高機組的轉速，機組轉速的提高可以減小水泵水輪機及發(fā)電電動機的尺寸，降低主機設備成本，同時也可以減小機組平面尺寸和高度，從而減小廠房尺寸，降低土建成本；但另一方面，過高的機組轉速會使得水泵水輪機的水力研發(fā)難度加大，水泵水輪機的空化性能將變壞，提高了水泵水輪機的制造難度及安全運行風險[4]。因此，針對海水抽水蓄能電站，比轉速的選擇，更需要綜合評價分析。

由于目前海水抽水蓄能投運電站極少，水泵水輪機參數不具備統(tǒng)計規(guī)律。因此，在海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機選型時，可參考常規(guī)混流式水泵水輪機電站的參數統(tǒng)計進行初步選型。行業(yè)內一般以水泵水輪機額定水頭（或最大水頭工況）和水泵最低揚程工況下參數[4]衡量水泵水輪機的比轉速和比速系數水平高低。常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機工況額定水頭與額定比轉速的統(tǒng)計曲線如圖1所示，水泵工況最小揚程與最大比轉速的統(tǒng)計曲線如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，在電站水頭參數和單機容量確定后，機組水輪機及水泵工況比轉速將會對應一個較為合理的參數區(qū)間，根據水輪機及水泵工況的比轉速公式反算出其對應的合理轉速范圍值，再結合模型轉輪研發(fā)情況、發(fā)電機設計難度等綜合因素可確定機組的額定轉速。

海水抽水蓄能電站水泵水輪機額定轉速確定后，選型工作的任務就是確定轉輪直徑、機組吸出高度等其他參數。海水抽水蓄能電站水泵水輪機轉輪直徑和機組吸出高度的確定，其原則與常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機沒有本質的差異。轉輪直徑的選擇，應兼顧水輪機和水泵的性能，水泵性能需要在選定額定轉速下考慮頻率變化區(qū)的駝峰裕量。與常規(guī)水泵水輪機一樣，建議駝峰區(qū)裕量不小于最大揚程的1.5%～3%。此外，還要關注水泵最大入力，盡量控制水泵在高效率區(qū)運行，并在規(guī)定的揚程范圍內與駝峰區(qū)裕量平衡。海水抽水蓄能電站吸出高度的選擇，和常規(guī)抽水蓄能電站一樣，都是按照可以滿足水泵水輪機最危險工況無空化運行確定，同時針對輸水系統(tǒng)復雜的高水頭電站，也要考慮過渡工況下尾水管發(fā)生水柱分離的危險因素。針對海水抽水蓄能電站的特殊運行介質，建議在計算機組吸出高度時，在采信常規(guī)蓄能電站裝置空化系數時，留有不小于10%的介質空化安全裕量，以降低海水抽水蓄能電站安裝高程，為水泵水輪機無空化運行創(chuàng)造較好的條件。

2.1.5 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機水力研發(fā)及選型的思考及建議

海水抽水蓄能電站與常規(guī)抽水蓄能電站相比，由于工作介質的顯著差異，在水力研發(fā)時應重點加強海水介質下提高水泵水輪機空化性能方面的研究，提高海水抽水蓄能電站水泵水輪機的運行可靠性。有試驗條件的，可以有針對性地開展海水介質下的模擬試驗，以進一步提高理論認識。

對于海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機選型，從提高機組穩(wěn)定性方面，建議遵循以下兩個選型準則：

（1）選取較低的比轉速。即選取常規(guī)抽水蓄能電站水泵水輪機統(tǒng)計曲線的下限，以提高水泵水輪機的空化性能。

（2）選取合理的吸出高度。在經濟性允許前提下，盡可能低的吸出高度可以確保海水抽水蓄能電站水泵水輪機在運行中不發(fā)生空蝕，保證機組的安全穩(wěn)定運行。

2.2 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機結構設計

總體而言，伴隨國內外高水頭、大容量常規(guī)抽水蓄能電站近年來的大規(guī)模建設投運，常規(guī)混流式水泵水輪機結構形式已日趨成熟、結構型式可靠性極高。海水抽水蓄能電站水泵水輪機結構型式，完全可以借鑒常規(guī)混流式水泵水輪機結構型式，并在充分考慮水泵水輪機因海水腐蝕大修周期較短的典型特點，進一步優(yōu)化水泵水輪機結構，從而保障海水抽水蓄能電站長期、安全、穩(wěn)定運行，以下結合常規(guī)混流式水泵水輪機結構型式，簡述海水抽水蓄能電站水泵水輪機主要部件結構型式選擇及優(yōu)化的方向。

2.2.1 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機總體布置型式

常規(guī)水泵水輪機總體布置方式按機組檢修方式分為上拆、中拆、下拆布置方式。所謂上拆總體布置方式，是指水泵水輪機的主軸、導葉操作機構、頂蓋、轉輪等部件，均需向上通過吊出發(fā)電電動機機坑來檢修，因此水泵水輪機檢修時必須拆出發(fā)電電動機轉子等部件來完成機組大修。典型水泵水輪機上拆總體布置圖如圖3所示。

水泵水輪機中拆總體布置型式，是指在水輪機層設置有中間層并設置有專門的檢修廊道，水泵水輪機在檢修時，無需拆除發(fā)電電動機。水泵水輪機主軸、導葉操作機構、頂蓋、轉輪、底環(huán)等主要部件可以通過水輪機中間層的檢修廊道吊出檢修。水泵水輪機中拆布置結構總體布置較復雜，水泵水輪機設置有中間軸，機組軸系較長，需要較為復雜的檢修工具完成檢修。如電站廠房布置條件寬松，在廠房高度允許的前提下也可采用中拆方式布置。典型水泵水輪機中拆總體布置圖如圖4所示。

水泵水輪機下拆總體布置方式，是指水泵水輪機易損檢修部件，例如底環(huán)、導葉、轉輪等可通過專門設置的尾水檢修廊道吊出檢修。水泵水輪機下拆總體布置方式，水泵水輪機結構布置緊湊，在拆除尾水錐管后，可以方便地拆出水泵水輪機底環(huán)、導葉、轉輪等易損部件，水泵水輪機檢修周期較短。典型水泵水輪機下拆總體布置圖如圖5所示。日本Okinawa Yambaru 海水抽水蓄能就采用下拆總體布置結構，如圖6所示[5]。

考慮到海水水泵水輪機受海水腐蝕檢修將較頻繁，而發(fā)電電動機做基本防腐蝕保護后，不會受到海水介質腐蝕的顯著影響，因此針對海水抽水蓄能電站水泵水輪機，推薦采用不拆發(fā)電電動機檢修的下拆總體布置型式。

2.2.2 海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機關鍵部件結構型式

2.2.2.1 蝸殼及座環(huán)

蝸殼及座環(huán)作為水泵水輪機埋入部分的兩大部件，既是機組的基礎件，又是機組通流部件的組成部分，承受隨機組運行工況改變而變化的水壓分布載荷以及頂蓋傳導過來的作用力。海水水泵水輪機座環(huán)結構與常規(guī)水泵水輪機結構無較大差異，座環(huán)推薦采用上、下環(huán)板與固定導葉焊接而成的平行箱體結構形式，其上、下環(huán)板采用抗層狀撕裂鋼板制造，固定導葉采用高強度鋼板制造。蝸殼采用高強度鋼板焊接制造，在工地采用保壓澆灌混凝土。但由于蝸殼座環(huán)過流介質為海水，蝸殼及座環(huán)過流面須采用特殊防腐蝕工藝處理。

2.2.2.2 頂蓋及底環(huán)

頂蓋及底環(huán)作為水泵水輪機的重要結構部件，同時也是流道的組成部分，其承受著機組水壓變化的作用力，從功能上要求其必須具有足夠的強度和剛度。海水水泵水輪機的頂蓋及底環(huán)與常規(guī)水泵水輪機頂蓋及底環(huán)在結構上并無本質差異。但為防止海水腐蝕，海水水泵水輪機頂蓋、底環(huán)抗磨板及頂蓋、底環(huán)過水面須鋪焊耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼[6]，而常規(guī)水泵水輪機在相同部位多采用馬氏體不銹鋼。

除此之外，由于海水水泵水輪機多為下拆結構，其底環(huán)無法像常規(guī)水泵水輪機完全澆筑于混凝土中，其結構剛強度要求較常規(guī)水泵水輪機更高。

2.2.2.3 活動導葉及其密封結構

海水水泵水輪機活動導葉與常規(guī)水泵水輪機活動導葉在結構上差異不大，但考慮耐海水腐蝕性，海水水泵水輪機活動導葉推薦采用抗海水腐蝕性能更好的低碳奧氏體鑄造不銹鋼，而常規(guī)水泵水輪機活動導葉多采用馬氏體鑄造不銹鋼。

除材質與常規(guī)水泵水輪機活動導葉有區(qū)別之外，海水水泵水輪機活動導葉中、下軸頸均也采用雙重密封，較常規(guī)水泵水輪機活動導葉軸頸的單層密封更加可靠，以防止海水滲漏腐蝕。軸頸密封材質推薦使用耐海水的氟橡膠，而非常規(guī)水泵水輪機活動導葉密封所使用的耐水聚氨酯材料。為進一步驗證導葉軸頸密封的可靠性，須在工地安裝就位后，對其進行水壓試驗，以保證其達到設計要求，并應單獨設置自動化監(jiān)測裝置對軸頸密封漏水量進行實時監(jiān)測。

2.2.2.4 主軸及轉輪

水輪機主軸承受著水輪機轉動部分重量及軸向水推力，同時傳遞轉輪所產生的扭矩。海水水泵水輪機主軸及轉輪與常規(guī)水泵水輪機主軸轉輪在結構上差異不大，但材質差異明顯。

海水水泵水輪機主軸推薦采用低碳奧氏體鍛造不銹鋼，其抗腐蝕性能遠超常規(guī)水泵水輪機主軸使用的普通鍛鋼。同時，為進一步提高其抗電化腐蝕能力，海水水泵水輪機主軸還須單獨設置防電化腐蝕裝置。

海水水泵水輪機轉輪結構同常規(guī)水泵水輪機轉輪結構型式相同，也可采用鑄焊結構。海水水泵水輪機轉輪上冠、下環(huán)及葉片材質推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鑄造不銹鋼，而常規(guī)水泵水輪機轉輪材質為馬氏體鑄造不銹鋼。

2.2.2.5 水導軸承

常規(guī)水泵水輪機水導軸承多采用稀油潤滑分塊瓦軸承，海水水泵水輪機水導軸承可采用稀油潤滑分塊瓦軸承，也可采用無油固體潤滑軸承方案。

無油固體潤滑軸承由于其結構簡單，海水不宜進入，從外部便于清洗，可以有效防止電氣腐蝕和間隙腐蝕，且拆卸檢修方便，其推廣應用前景廣泛。但由于目前此類水導軸承只應用在徑向力較小的水泵水輪機上，對徑向力較大的水泵水輪機，其結構適用性還應作進一步研究。

海水水泵水輪機采用稀油潤滑分塊瓦軸承時，若其水導軸承外置冷卻器內部冷卻介質為海水，冷卻器防腐須采用特殊工藝，同時為避免由于海洋生物附著導致的冷卻器失效，稀油潤滑分塊瓦水導軸承其冷卻器宜布置一主一備，以確保水導軸承的正常運行。

2.2.2.6 主軸密封

海水水泵水輪機主軸密封結構型式主要有彈簧補償式徑向密封和水壓端面軸向密封兩種。由于徑向密封為接觸式密封，存在密封漏水量過大，被密封海水易泄漏等缺點，故海水水泵水輪機宜優(yōu)先采用軸向密封結構型式。

海水水泵水輪機軸向密封與常規(guī)水泵水輪機軸向密封在結構形式上一致，其差別主要體現(xiàn)在主軸密封各結構件材質上。由于海水水泵水輪機主軸密封被密封水為海水，其主密封圈抗磨性及抗腐蝕性較常規(guī)水泵水輪機要求更高。目前主密封圈材質主要采用耐海水腐蝕的為高分子材料。也有研究表明，用陶瓷材質制作的主密封圈在海水環(huán)境中，其抗磨性及抗腐蝕性更優(yōu)秀。

2.3 海水水泵水輪機關鍵部件防腐蝕技術研究

在海水中運行的機器，如潮汐發(fā)電站、船舶驅動系統(tǒng)、火電站和核電站的冷卻水系統(tǒng)等，已有成熟的防腐蝕經驗。但海水水泵水輪機由于其流道內海水流速較高，對水泵水輪機材料的防腐提出了更高要求，目前主流的防蝕技術主要分為四個方面。

2.3.1 材料改進

為了提高海水水泵水輪機轉輪、活動導葉等重要部件在海水中的疲勞強度及耐蝕性能，如前所述，海水水泵水輪機轉輪及活動導葉均推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鑄造不銹鋼材質；主軸推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體鍛造不銹鋼；頂蓋、底環(huán)過流面推薦采用耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼抗磨板，其頂蓋、底環(huán)過水面也推薦采用鋪焊用耐海水腐蝕的低碳奧氏體不銹鋼。以上材質相對常規(guī)水泵水輪機同部位材質在防腐性能上有極大的提高，且隨著材料科學技術進步，海水水泵水輪機部件材質的抗蝕能力會進一步提高。

2.3.2 涂層防腐及絕緣處理

海水水泵水輪機在轉輪、活動導葉、主軸等關鍵部位上均采用不銹鋼材質，但出于結構強度及經濟性考慮，海水水泵水輪機在蝸殼座環(huán)、頂蓋及底環(huán)非過水面、高強度聯(lián)接螺栓等多個部位無法使用不銹鋼材質。此時，為了防止發(fā)生間隙腐蝕、異種金屬腐蝕等電氣腐蝕，需對以上部位進行防腐涂層保護或進行絕緣處理。目前，海水水泵水輪機防腐涂層及絕緣處理方法還需要作進一步的研究。

2.3.3 電氣防腐

海水水泵水輪機除采用耐海水腐蝕不銹鋼材料及防銹涂層等防蝕手段之外，為了防止由于涂層損傷引起的點蝕及間隙腐蝕，還可設置電氣防蝕裝置。

電氣防蝕方法分為陰極法（外加電源法）與陽極法（犧牲陽極方式）兩種。在腐蝕環(huán)境中，一般情況下因環(huán)境條件與金屬條件的不同，局部產生電位差，從而導致電位低的陽極產生離子化，發(fā)生腐蝕。

陰極法原理上是通過調整外加電流大小，施加高于陽極的直流電位差，從而將局部陽極轉變?yōu)殛帢O，起到防腐蝕的目的。由于設置了外部電源，所以將其稱之為電氣防蝕。在防蝕對象的各個部位中，電極的位置和數量是按照電位差一定的條件來選定的。由于電氣防蝕會將海水電解產生氯氣，氯氣濃度一旦變高，就會使涂刷保護膜惡化，使不銹鋼鈍化膜遭到破壞，為此海水水泵水輪機應單獨設置將氯氣從轉輪室排放到排水坑的氯氣排放裝置。建議在海水水泵水輪機主軸、頂蓋等部件上設置陰極法電氣防腐裝置[5]。

陽極法也稱作犧牲陽極方式，犧牲陽極的材質按金屬的電位順序來確定，使電位（陽極側）經常低于防蝕對象材質的電位，這樣在犧牲陽極被持續(xù)消耗的過程中，就會起到陰極側防蝕的效果。雖然犧牲陽極是需要定期更換的，但是與電氣防蝕相比，仍是一種廉價的裝置。建議在海水水泵水輪機結構復雜且難以設置電氣防蝕用電極裝置的部件，例如主軸密封上采用陽極法[5]。

2.4 水泵水輪機部件防海洋生物附著技術研究

對于海水抽水蓄能電站來說，海洋生物附著會堵塞海水循環(huán)通道，腐蝕管路，極大程度地影響海水抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運行。截至目前，針對海水水泵水輪機部件的海洋生物附著污染防護還主要以試驗為主，盡管在某些應用方面取得了一定的進展，但由于海洋生物的多樣性和海洋環(huán)境的復雜性，目前海洋生物附著的防污保護并沒有得到真正意義上的解決。當前主流的海洋生物附著防護方法主要分為物理法與化學法。

2.4.1 物理法

2.4.1.1 涂層法

在水泵水輪機部件表面采用特殊涂層的方式，阻止海洋生物附著。單從涂層防生物附著角度來看，其防附著能力最強的是有機硅橡膠，其次是聚四氟乙烯[7]。但海水水泵水輪機涂層除應具備防止海洋生物附著能力外，還需具備良好的抗海水腐蝕防護性能，從目前情況來看，還需作進一步的研究。

2.4.1.2 超聲波法與射線法

有研究表明，采用超聲波可以驅趕海洋生物，防止生物附著，但這種方法效果不穩(wěn)定，且費用昂貴，成本高[7]。此外，利用同位素產生射線防止海洋生物附著也相當有效，但此方法對健康和環(huán)保有潛在威脅，故在海水水泵水輪機上還未有推廣應用。

2.4.1.3 其他物理方法

有研究表明，利用溫度、磁場、水力、液膜層、強力水波等物理方法也可防止海洋生物附著，但均處于試驗階段，沒有經過大規(guī)模驗證[7]。

2.4.2 化學法

與物理法相比，化學法防止海洋生物附著更加有效，但部分方法容易破壞環(huán)境，殺滅生物，且有害物的富集會危害人類的健康，應選擇性應用。

2.4.2.1 電化學法

電化學法防止海洋生物附著在船舶工業(yè)中運用成熟，其防附著能力強且有效期長，同時電化學法還可以有效地防止海水水泵水輪機電化腐蝕，一舉兩得，應推薦優(yōu)先采用。

2.4.2.2 毒素滲出法

毒素滲出法主要是利用有毒金屬氧化物（如銅、鋅、鉛等金屬氧化物）、有機毒物（如有機錫、DDT、有機鉛、有機碑等）、氯氣、臭氧等有毒元素來殺死海洋附著生物，但其有毒元素容易擴散，影響生態(tài)環(huán)境[7]，不推薦在海水水泵水輪機使用。

綜上，由于海洋環(huán)境復雜性和生物多樣性，海水水泵水輪機的海洋生物附著一直是人們關注但尚未完全解決的問題。目前研究情況表明，多種方法結合往往比單一方法更為有效，海水水泵水輪機防海洋生物附著應優(yōu)先采用物理涂層法和電化學法，但兩種方法均需進一步研究，其結合防護也還需要作進一步研究工作。

3 結束語

本文重點闡述了海水抽水蓄能電站混流式水泵水輪機關鍵技術，并就關鍵技術發(fā)展及研究方向提出思考和建議。近年來，東方電機在常規(guī)蓄能電站技術研發(fā)方面取得了長足進步，相繼自主完成仙游、仙居、深蓄、績溪、敦化等多個高水頭大容量蓄能電站機組的技術研發(fā)工作，其中仙游、仙居電站機組已投入運行，技術水平達到國際先進水平。針對我國《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，東方電機積極開展海水抽水蓄能電站機組相關技術前期研究工作。隨著我國進一步大力推動建設海水抽水蓄能電站示范項目，東方電機將進一步加強海水抽水蓄能電站水泵水輪機關鍵技術研究工作，為促進我國海水抽水蓄能電站機電技術進步做出貢獻。

[1]石文輝，查浩，等．我國海水抽蓄電站發(fā)展初探[J]．中國能源，2015，37 （12）．SHI Wenhui，CHA Hao，et al． Preliminary study on development of seawater pumped storage power station in China[J]． China energy，2015，37 （12）．

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2017-08-15

2017-09-21

文樹潔（1979—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪機結構及初步設計等。E-mail：wenshujie@dfem．com．cn

熊 欣（1983—），男，工程師，主要研究方向：水輪機結構設計。E-mail：25257719@qq．com

張 建（1986—），男，工程師，主要研究方向：水輪機初步設計。E-mail：freestorn@163．com

Analysis of Francis Pump Turbine Key Technology in Seawater Pumped Storage Power Station

WEN Shujie，XIONG Xin，ZHANG Jian
（Dongfang Electric Machinery Co.，Ltd. Deyang 618000，China）

The seawater pumped storage station is a new type of pump storage power station，and the related technical research is prospective. This paper introduces and summaries the key technologies of medium and high head seawater pumped storage turbine such as the hydraulic design and type selection，structural design，material selection，anticorrosion，marine biological attachment protection，and proposes some thoughts and suggestions on the development of key technologies for China’s future independent R&D seawater pumped storage power station.

seawater pumped storage power station；francis pump turbine；key technology；corrosion protection

TV734

A學科代碼：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．003