侯平利，柴建峰，陳 雄，江才俊

（1.中廣核工程有限公司，廣東省深圳市 518052；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

單庫海水抽水蓄能電站技術研究

侯平利1，柴建峰2，陳 雄1，江才俊1

（1.中廣核工程有限公司，廣東省深圳市 518052；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

本文涉及一種對常規(guī)電力、風電或太陽能進行排水蓄能的新型水力發(fā)電裝置技術的探討。在天然海灣采用攔水壩建造水庫，將海灣分為外部海洋及壩內(nèi)水庫，利用排水泵對水庫進行排水以降低水位，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行蓄能，并提供一定的水頭供水輪機發(fā)電。本技術克服了現(xiàn)有抽水蓄能電站占用大量耕地、破壞生態(tài)環(huán)境、遠離海上風電場址的缺陷。

蓄能電站；風電；水輪機

0 引言

電力的生產(chǎn)、輸送和使用是同時發(fā)生的，一般情況下又不能儲存，而電力負荷的需求卻瞬息萬變。一天之內(nèi)，白天和前半夜的電力需求較高；下半夜大幅度地下跌，低谷有時只及高峰的一半甚至更少。鑒于這種情況，發(fā)電設備在負荷高峰時段要滿發(fā)，而在低谷時段要壓低出力，甚至得暫時關閉，為了按照電力需求來協(xié)調(diào)使用有關的發(fā)電設備，需采取一系列的措施。

抽水蓄能電站就是為了解決電網(wǎng)高峰、低谷之間供需矛盾而產(chǎn)生的，是間接儲存電能的一種方式。它利用下半夜過剩的電力驅(qū)動水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲存起來，然后在次日白天和前半夜將水放出發(fā)電，并流入下水庫。在整個運作過程中，雖然部分能量會在轉(zhuǎn)化時流失，但相比之下，使用抽水蓄能電站仍然比增建煤電發(fā)電設備來滿足高峰用電而在低谷時壓荷、停機這種情況效益更佳[1]。除此以外，抽水蓄能電站還能擔負調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等動態(tài)功能。因而抽水蓄能電站既是電源點，又是電力用戶；并成為電網(wǎng)運行管理的重要工具，是確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定生產(chǎn)的支柱。抽水蓄能電站有發(fā)電和抽水兩種主要運行方式。

隨著世界能源日益緊缺和全球變暖趨勢增強，作為節(jié)能減排的重要手段之一，世界風力發(fā)電發(fā)展迅速，技術不斷進步。與其他可再生能源相比，風力發(fā)電最便宜，是我國重要的能源資源。但是風力發(fā)電受地域環(huán)境影響比較大，自然風存在隨機性和不穩(wěn)定等特點，大比重風電直接輸入電網(wǎng)可能對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來潛在風險，難以滿足電網(wǎng)對于電能質(zhì)量的要求。

為了保證電網(wǎng)按照要求安全、穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)運行，在將波動的風能引入電網(wǎng)時必須采取適當?shù)目刂品椒?。在許多情況下，為了保證每年風力發(fā)電量電網(wǎng)中比較高的份額都需要采用蓄能系統(tǒng)。風電蓄能技術通過風電的轉(zhuǎn)換儲存，不僅可以向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，而且也可以增加風電的運行效益，從而提高風電在能源市場的競爭力。

目前，儲存風能的模型有很多種，其中抽水蓄能是當前最經(jīng)濟、最成熟的大規(guī)模儲能裝置。它可以直接平衡風力發(fā)電廠輸出電力的波動。

本文在現(xiàn)有抽水蓄能及潮汐電站技術基礎上，提出了一種新型的水力蓄能技術，并與現(xiàn)有技術進行了對比分析。

1 現(xiàn)有技術

1.1 現(xiàn)有技術（一）

1.1.1 技術方案

抽水蓄能電廠是水電廠的一種類型，它主要由上水庫、引水系統(tǒng)、水電廠和下水庫組成，如圖1所示。在水電廠的上游建有蓄水庫，下游也建有蓄水庫，在電力系統(tǒng)高峰負荷時期，利用上水庫的水通過引水系統(tǒng)閘門、管道和調(diào)壓井等設施，將上水庫水的位能轉(zhuǎn)變成動能推動水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動與水輪機同軸的發(fā)電機發(fā)電；在低谷負荷時期，將下水庫的水再通過引水系統(tǒng)閘門、管道和調(diào)壓井等設施抽回上水庫蓄積起來，此時發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C，水輪機轉(zhuǎn)變成水泵。

1.1.2 技術缺陷

抽水蓄能電站需建設上、下兩個水庫，對生態(tài)環(huán)境會造成一定的影響，有些項目甚至對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響和破壞[3-5]。水電發(fā)電廠對環(huán)境造成的影響，抽水蓄能電站也一樣，如地質(zhì)環(huán)境的影響及災害隱患、植被破壞、河流的生態(tài)系統(tǒng)等。建設抽水蓄能電站同樣需淹沒大量耕地，造成耕地資源占用，且涉及移民問題，因其占地和涉及人口多，部分庫區(qū)耕地資源十分有限，導致人地矛盾集中。

另外，近年來海上風電的規(guī)模迅速擴大，由于風電輸出不穩(wěn)定的特點，必須配套以抽水蓄能為代表的蓄能措施。在無法借助天然河道與湖泊的情況下，現(xiàn)有抽水蓄能電站技術需要淹沒大量耕地，很難在沿海尋找合適場址。

1.2 現(xiàn)有技術（二）

1.2.1 技術方案

潮汐發(fā)電是水力發(fā)電的一種。在有條件的海灣或感潮口建筑堤壩、閘門和廠房，圍成水庫，水庫水位與外海潮位之間形成一定的潮差（即工作水頭），從而可驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。

1.2.2 技術缺陷

潮汐發(fā)電站在設計上只能儲存潮汐能，水位差漲落由自然決定，不能作為電力蓄能電站。

2 本技術方案詳細描述

2.1 所要解決的技術問題

本技術方案克服了現(xiàn)有抽水蓄能電站占用大量耕地、破壞生態(tài)環(huán)境、遠離海上風電場址的缺陷[6]，可以圍海造田、增加土地，還可進行海產(chǎn)養(yǎng)殖及發(fā)展旅游。本技術方案在海灣建設蓄能電站，可以用作海上風電及其他各種電源的蓄能電站。

2.2 技術方案

本技術方案在有條件的海灣構筑攔水壩圍成水庫（見圖2），通過排水泵向壩外海洋排水，使水庫水位低于外部水域水位，從而在水庫水位與外部水域水位之間形成一定的工作水頭（見圖3），可驅(qū)動設在壩底的水輪發(fā)電機組（見圖3）發(fā)電。

在海灣構筑攔水壩水庫、海水水輪機都是成熟的技術，已為多年發(fā)展的潮汐電站所采用。

排水泵由外部電力驅(qū)動，如風電、火電或其他電源，可設在壩底或壩頂。壩高可為10m以上，水輪機為大流量低壓頭?？紤]到海灣排水型蓄能電站專用庫具有大庫容、低水頭等顯著特點，其水輪機的選型可借鑒潮汐發(fā)電中廣泛應用的低水頭、大流量的貫流式水輪機。貫流式水輪機的適用水頭1～25m，效率高投資低，近年來發(fā)展較快，而且功率也越來越大，單機容量最大的是日本只見（Tadami）水電站[7]，達65.8MW，轉(zhuǎn)輪直徑6.7m，最大水頭20.7m。中國自行研制的貫流式水輪機單機容量50MW，轉(zhuǎn)輪直徑7m，用于常規(guī)水電站。海水、海生物對金屬結構物和海工建筑物有腐蝕和沾污作用，尤其是對水輪機影響，國內(nèi)研究相對滯后，需在技術應用中采取積極的防腐措施。

海灣排水型蓄能電站專用庫的庫容由外接風電場、光伏等裝機容量和電網(wǎng)消納能力等因素綜合確定，水庫容積水量還受所選場址海灣水深、大壩長度、所圍海灣面積影響，也可通過開挖庫床加大庫深來提高庫容。

海灣排水型蓄能電站專用水庫多建在港灣?？?，通常水深壩長，施工、地基處理及防淤等問題較困難。但近十幾年以來，隨著我國大規(guī)模的近海工程建設，如碼頭、填海筑島、沉管隧道和核電站等項目的建設，積累了豐富的工程建設和運營管理經(jīng)驗。以上問題已不再是限制海灣排水型抽蓄電站建設和運營的關鍵因素。

本技術方案采用排水泵對水庫進行排水以降低水位，而壩外海洋水位不變，可獲得與壩外海洋水面的水位差，提供一定的水頭供水輪機發(fā)電， 在水位能量釋放過程中，水庫水位逐漸變化，對發(fā)電能力有關鍵影響，外部海洋水量視為無窮大，不影響發(fā)電能力。現(xiàn)有技術中，上水庫與下水庫的高程差異較大，下水庫水位的變化對蓄能影響可以忽略， 但是上水庫水量是有限的，對發(fā)電能力有關鍵影響。

2.3 本技術方案帶來的技術效果

（1）海洋作為攔水壩外部水域，其作用相當于現(xiàn)有抽水蓄能電站中的上水庫，天然現(xiàn)成，無需占用耕地。

（2）攔水壩內(nèi)水庫作用相當于現(xiàn)有抽水蓄能電站中的下水庫，依海灣天然之勢而建，杜絕了現(xiàn)有技術中下水庫占用耕地、需要移民的缺點，并可以圍海造田、增加耕地。

（3）現(xiàn)有技術中，上水庫與下水庫之間距離較遠，引水系統(tǒng)較長，建筑費用高，且引水管道沿程阻力損失較大，由此引起的水泵功耗較為可觀。本技術方案水庫與外海之間僅隔一座攔水壩，排水管道距離短，管道建筑費用少，因沿程阻力損失增加的泵功也非常小。

（4）本技術方案場址可與海上風電場址匹配，方便海上風電蓄能，現(xiàn)有技術需在沿海建造上水庫，受地形、環(huán)保因素影響大，選址難度大。

（5）技術（二）中的水庫結構與本技術方案有相似之處，但在工作原理、關鍵設備操作及用途上是十分不同的， 潮汐電站無法作為電能的蓄能電站。

3 針對2中的技術方案的替換方案

（1）本技術方案水庫選址除了海灣， 可依有條件的獨立島嶼的海岸而建，也可以在內(nèi)陸深水湖泊、水庫沿岸建設，方便內(nèi)陸電能的蓄能。

（2）在2描述的技術方案中，水輪機和排水泵是分立的，替代方案可以把它們合并起來，采用可逆式水泵水輪機。

（3）在2描述的技術方案中，排水泵驅(qū)動方式為外部電源，替代方案可以采用風力機變速齒輪箱直接驅(qū)動。

4 結束語

本技術方案在天然海灣采用攔水壩建造水庫，將海灣分為外部海洋及壩內(nèi)水庫，利用排水泵對水庫進行排水以降低水位，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行蓄能，并提供一定的水頭供水輪機發(fā)電。 在蓄能釋放過程中，逐漸變化的水庫水位對發(fā)電能力有關鍵影響，而外部海洋蓄積水量視為無窮大，對發(fā)電能力無影響?，F(xiàn)有技術中，上水庫與下水庫的高程差異較大，下水庫水位的變化對發(fā)電能力影響可以忽略，但是上水庫蓄積水量變化對發(fā)電能力有關鍵影響。

[1]楊高強．抽水蓄能機組與火電機組啟停調(diào)峰過程的比較分析．長沙理工大學，碩士學位論文，2003．

[2]國家電網(wǎng)公司．一種風電與蓄能聯(lián)合系統(tǒng)．發(fā)明人： 馮煜堯，楊增輝， 余穎輝．

[3]王英．水電工程陸生生態(tài)環(huán)境影響評價與生態(tài)管理研究．西北大學環(huán)境科學，碩士學位論文，2007．

[4]丁祖榮．響水澗抽水蓄能電站工程對動物資源的影響[J]．國土與自然資源研究，1999（03）：62-64．DING Zurong． Research on the influence of Xiangshuijian pumping and storing energy power station on the animal resource[J]．Territory & Natural Resources Study，1999（03）：62-64．

[5]彭輝，葉建軍，周明濤．水利水電工程建設中存在的環(huán)境問題[J]．水土保持研究，2005，12（2）：154-156．Penghui，The Environmental Problems of Hydroelectric Projects Construction[J]． Research of Soil and Water Conservation， 2005，12（2）：154-156．

[6]中廣核工程有限公司，中國廣核集團有限公司．排水蓄能電站．發(fā)明人：侯平利．

[7]劉啟明，胡明．水電站[M]．北京：中國水利水電出版社，2013．

2017-01-13

2017-08-25

侯平利（1977—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：熱能與動力工程。E-mail：569708358@qq．com

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

陳 雄（1983—），男，本科，工程師，主要研究方向：熱能與動力工程。E-mail：davycohen@163．com

江才?。?980—），男，碩士，工程師，主要研究方向：熱能與動力工程。E-mail：jiangcaijun@cgnpc．com．cn

Study of Technology of Single-reservoir Water Pumped Storage Power Station

HOU Pingli1， CHAI Jianfeng2， CHEN Xiong1， JIANG Caijun1
（1.China Nuclear Power Design Co.Ltd.， Shenzhen 518052，China； 2. Technology Center， State Grid Xinyuan Co.Ltd.， Beijing 100161，China）

In this paper a kind of new technology of hydraulic electrogenerating storage for conventional power， wind power or solar power is discussed. The paper presents that the artificial marine lake surrounded by dam engineering can been used as the lower storage reservoir for pumped storage station. This technology will have no defects of available water pumped storage power station， such as land occupation， ecological damage.

water pumped storage power station； wind power；hydro-turbine

TV213

A學科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．004