熊偉平，鄭覺平，吳金水

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

0 引言

20世紀(jì)末，隨日本火電、水電、原子電、地?zé)?、風(fēng)力、太陽能、潮汐等多元基礎(chǔ)電源增多趨勢，為應(yīng)對電網(wǎng)負(fù)荷變動，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中所占分量隨之增大。因淡水抽水蓄能電站受地理位置制約，作為一個海洋資源豐富的國家，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省能源廳開始著眼未來，從長計議，自1981年開始立案海水抽水蓄能研究，委托日本電源開發(fā)株式會社（J-Power）于1999年在沖繩建設(shè)了世界首座海水抽水蓄能電站。通過對利用海水抽水蓄能從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行、維護、保養(yǎng)進行一系列考察、研究，綜合驗證海水抽水蓄能技術(shù)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，及對自然環(huán)境因素的影響性，預(yù)期達到海水抽水蓄能與淡水抽水蓄能有同等的信賴性、經(jīng)濟性，并最終達到商用運行的目的[1]。

至2016年，電站在真機試驗完成及其相關(guān)的數(shù)據(jù)收集已達到目的基礎(chǔ)上，沖繩電力提出沖繩海水抽水蓄能機組對系統(tǒng)影響小，商業(yè)運行價值甚微，商業(yè)運行協(xié)議終止。日本電源開發(fā)株式會社決定將沖繩海水抽水蓄能發(fā)電站撤除，計劃將相關(guān)的設(shè)備移到別處再利用[2]。這座從立案到撤除歷經(jīng)36年滄桑海水抽水蓄能電站項目在建設(shè)中面臨了怎樣的艱難課題及相關(guān)解決方案、電站和機組的有關(guān)技術(shù)特點；作為海洋資源豐富的日本，有真機運行業(yè)績的基礎(chǔ)上為何未建設(shè)1臺商用電站；由國家能源局海水抽蓄電站資源普查成果，中國能否大量建設(shè)海水抽水蓄能電站；沖繩海水抽水蓄能是否對我國海水抽水蓄能電站的開發(fā)和建設(shè)有借鑒和幫助意義，本文將進行概要闡述。

1 項目概要

沖繩海水抽水蓄能電站位于沖繩縣本島北部的國頭郡、國頭村、安波川瀨原，是一座試驗性海水抽蓄電站，目的是為了驗證海水抽水蓄能的技術(shù)及商業(yè)化的可行性。項目預(yù)算額320億日元，最終決算額364億日元，電站裝機1臺最大水頭152m、最大流量26.0m3/s、最大出力30MW可變速抽水蓄能機組。上庫蓄水池離海岸大約600m，是一個深25m、寬251.5m、 周長848m的八角形水池，有效落差136m，有效蓄水量564000m3。壓力鋼管、廠房、和尾水管均為地下布置，地下廠房深約150m、寬16.4m、高32.3m、長40.4m。發(fā)電工況從上庫蓄水池取水，海水經(jīng)壓力鋼管進入水機部件后流入太平洋，滿負(fù)荷可運行6h。電動工況將太平洋中水沿原路抽到上庫蓄水池，上庫蓄水池從零水位到滿水位機組滿負(fù)荷運行需8h[3]。由于利用海水，下游無蓄水池，可降低工程費用。電站概況如表1[1]所示，電站位置如圖1[4]所示，電站鳥瞰圖如圖2[5]所示，電站斷面圖如圖3[6]所示。

圖1 沖繩海水抽水蓄能電站地理位置Fig.1 The location of the Okinawa seawater pump-storage

2 項目規(guī)劃

圖2 沖繩海水抽水蓄能鳥瞰圖Fig.2 The airview map of the Okinawa seawater pump-storage

表1 項目信息介紹Tab.1 The parameters of the Okinawa seawater pump-storage

圖3 沖繩海水抽水蓄能電站斷面圖Fig.3 The Section of the Okinawa seawater pump-storage

表2 項目規(guī)劃Tab.2 Project planning

項目規(guī)劃如表2所示。從1981年立案開始到1987年實施示范工程，因利用海水抽水蓄能系統(tǒng)包含了諸多技術(shù)上的課題，第一階段主要是項目地點的調(diào)查，勘測、前期的準(zhǔn)備工作；海水條件下特別面臨的課題通過初始階段實行實質(zhì)性試驗檢證調(diào)查。第二階段在第一階段調(diào)查及研究的基礎(chǔ)上選址確定，計劃建設(shè)150MW規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)，但考慮經(jīng)濟性、土木建設(shè)、環(huán)境問題、海水抽水蓄能系統(tǒng)技術(shù)不可預(yù)見性，最后綜合考慮，僅作為綜合驗證海水抽水蓄能技術(shù)為目的，建設(shè)1座1臺出力30MW規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)。前期階段的海水抽水蓄能實質(zhì)性研究調(diào)查表如表3[1]所示，從1999年真機試驗投運開始到2004年5年間的真機運行試驗結(jié)束運行業(yè)績?nèi)绫?[1]所示，設(shè)備平均利用率達12.2%。定期檢查情況如表5[1]所示，2回/年定期檢查，2回/5年水機部件拆卸后精密檢查。表2～表5在一定程度上對我國海水抽水蓄能開發(fā)研究有借鑒作用。

3 項目面臨的課題、計劃對策、目標(biāo)達成度

海水抽水蓄能利用海水的情況下，從土木設(shè)施建設(shè)、器械防腐蝕、海洋生物的附著、環(huán)境方面考慮。下述四大課題通過真機試驗驗證來解決，并將項目面臨的課題、計劃對策、目標(biāo)達成度總結(jié)在表7[1]中。

3.1 海水的浸透、飛散[1]

3.1.1 課題

上庫蓄水池不應(yīng)有海水滲透地基腐蝕土木結(jié)構(gòu)件及污染土壤及地下水；也不能在機組各工況運行下或惡劣自然環(huán)境（強風(fēng)暴雨）時海水吹散到周邊導(dǎo)致破壞陸生生態(tài)系統(tǒng)。

3.1.2 計劃對策

（1）上庫蓄水池設(shè)置防海水滲透系統(tǒng)。為保證機組不間斷穩(wěn)定運行，防海水滲透系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計合理妥當(dāng)，具有淡水抽水蓄能機組用蓄水池同等程度耐久性，良好的延展性（防膨脹）、施工固定容易等特點。防海水滲透系統(tǒng)設(shè)計考慮到經(jīng)濟性及保養(yǎng)維護方便，由表面覆蓋層、防滲透層、保護層、排水層、固定裝置、排水管、監(jiān)測廊道組成，如圖4[4]所示。

表3 海水抽水蓄能實質(zhì)性研究驗證試驗調(diào)查表Tab.3 experimental investigations

表4 運行業(yè)績Tab.4 Reference list

表5 真機5年間檢查表Tab.5 Checklist of prototype for 5 years

圖4 上庫蓄水池防海水滲透系統(tǒng)Fig.4 Seawater seepage prevention system for upper reservoir

防滲透層材料具有優(yōu)越的防滲透基礎(chǔ)上需考慮材料的延伸性、抗拉強度、抗壓強度、耐溫性等綜合性能，調(diào)查了北海道丸上蓄水池（淡水）寒冷環(huán)境下防滲透層物理特性變化及神奈川縣農(nóng)業(yè)土木試驗池（淡水）30年屋外暴露環(huán)境下防滲透層物理特性變化及在項目立案及示范工程階段試驗實施的基礎(chǔ)上最終確定而成，采用2mm厚合成橡膠EPDM（加硫）（ethylene propylene diene terpolymers），按JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格品選定（可查閱JIS標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計性能要求見表6；保護層采用6mm厚polyester無紡布；排水層由厚 50cm的碎石組成；防滲透層固定裝置因上庫蓄水池采用開挖和筑壩相結(jié)合的方式興建而成，考慮到防滲透層的固定穩(wěn)定性，蓄水池內(nèi)面采用坡度1∶2.5設(shè)計，在排水層上坡面間隔按8.5m開槽固定、底部間隔按17m開槽固定，防滲透層接合部設(shè)置在排水層開槽內(nèi)，由排水管及特制混凝土塊固定，考慮到施工時防滲透層在排水層開槽內(nèi)可能有損傷及接合部位的防滲漏能力差，槽內(nèi)施工完成后在表面覆蓋一層保護層，保護層的材質(zhì)及設(shè)計要求按防滲透層執(zhí)行；排水管設(shè)在排水層內(nèi)及固定槽內(nèi)，排水管最終匯集在庫盆底部監(jiān)測廊道內(nèi)的透明的總管內(nèi)[4]。

表6 防海水滲透合成橡膠性能Tab.6 Synthetic rubber performance for the prevention of seawater seepage

（2）上庫蓄水池海水滲透檢知系統(tǒng)。防海水滲透系統(tǒng)有破損的情況下，設(shè)置在排水層內(nèi)及固定槽內(nèi)排水管將海水匯集在庫盆底部監(jiān)測廊道內(nèi)的透明總管內(nèi)，通過透明管壁可以清晰、實時、有效地監(jiān)測各部的滲漏情況，保養(yǎng)維護方便。并在總管上設(shè)置鹽分檢知用電氣傳導(dǎo)率計及流量計[7]。若防海水滲透系統(tǒng)有破損發(fā)生滲漏的情況，系統(tǒng)將啟用電動機將海水抽到上庫蓄水池中（漏水量應(yīng)預(yù)測在復(fù)水系統(tǒng)對應(yīng)可能的量以下）。

（3）工事前后到真機運行過程通過實時監(jiān)控、操作、檢查蓄水池中海水飛散對陸生生態(tài)鏈影響確認(rèn)，強風(fēng)時空氣中的鹽分量確認(rèn)、地下水質(zhì)鹽分確認(rèn)，土壤中鹽分量確認(rèn)、土壤表面鹽分沉淀確認(rèn)、樹葉上附著鹽分確認(rèn)。

表7 真機試驗課題、對策、主要驗證項目、達成度一覽表（達成度：О達成，×未達成）Tab.7 Prototype test subject，countermeasures，verification items and quality objective（Оreached，×not reached）

3.1.3 目標(biāo)達成度

防海水滲透系統(tǒng)：5年間真機運行期間，上庫蓄水池防海水滲透系統(tǒng)完全未發(fā)生海水滲漏跡象，長年物理性能測試結(jié)果表明，防海水滲透合成橡膠（EPDM JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格品）長年暴露在海水環(huán)境中無明顯劣化、防滲漏機能散失等跡象，維持在安全可靠的狀態(tài)。防滲透機能滿足設(shè)計所要求的壽命同時能維持約40年程度壽命。

上庫蓄水池海水滲透檢知系統(tǒng)：5年間真機運行期間，未發(fā)生海水滲漏跡象，海水滲漏檢知系統(tǒng)未得到檢證，但為了確保系統(tǒng)的有效，透明管中海水注入試驗及定期點檢時復(fù)水電動機啟動試驗。

環(huán)境狀況：通常自然條件（無臺風(fēng)）下，通過檢測真機運行過程通過實時監(jiān)控、操作、檢查從水庫中無鹽分飛散跡象。有臺風(fēng)接近時，水庫下風(fēng)口處土壤中鹽分量、樹葉上附著鹽分確認(rèn)有上升跡象，但是沒有上升到鹽害的水平，自然變化范圍內(nèi)。為了恢復(fù)自然環(huán)境，采取了植樹造林措施，在上庫蓄水池周圍被種植樹木生機勃勃，綠樹成蔭；通過監(jiān)測建設(shè)前后動物出現(xiàn)的種類及數(shù)量，地下水水質(zhì)趨于一定值，水庫中海水未對周圍陸域生態(tài)產(chǎn)生影響的跡象。

3.2 土木設(shè)備、真機器械耐腐蝕[1]

3.2.1 課題

海水相比較于淡水，水中溶解有相當(dāng)多的鹽類，同時波、浪、潮、流又對金屬構(gòu)件產(chǎn)生低頻往復(fù)應(yīng)力和沖擊，加上海洋微生物附著產(chǎn)生的直接或間接的加速腐蝕，因此海水是一種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。土木設(shè)備在海水環(huán)境中應(yīng)不產(chǎn)生缺陷，土木基礎(chǔ)中結(jié)構(gòu)件如發(fā)生海水滲漏不應(yīng)產(chǎn)生金屬腐蝕。海水水路系統(tǒng)中從取水口經(jīng)高壓鐵管、球閥、蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪至尾水等涉水部件及相關(guān)電氣及輔機設(shè)備等都是由金屬構(gòu)成，應(yīng)與淡水水路系統(tǒng)有同等程度的耐久性。

3.2.2 計劃對策

整個水路中300m區(qū)間內(nèi)壓力鋼管采用耐腐性能優(yōu)良的FRP（M）管（Fiberglass Reinforced

Plastic Mortar）（玻璃纖維強化塑料砂漿管），F(xiàn)RP（M）管具有優(yōu)越的耐海水腐蝕性及防滲水性能，且在有海洋生物附著的情況下不會影響水力性能（初步判斷具有一定的延展性），每段管長4m，通過套管連接，埋設(shè)在基巖（非混凝土，可延展）中，埋設(shè)如圖3所示，模型如圖5[8]所示。FRP（M）管相對于鐵管具有一定的延展性，且埋設(shè)在基巖中，初期沖放水階段，及在高水壓下可能產(chǎn)生歪斜，蠕動等，F(xiàn)RP（M）管詳細設(shè)計及施工方法參見《日本國電力土木手冊》[6]。

圖5 壓力鋼管FRP（M）材Fig.5 FRP Penstock

取水口內(nèi)張管、壓力鋼管彎曲部管、尾水進入門、尾水路內(nèi)張管、尾水閘門等部件采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，鋼體涉水面上涂有性能強韌、高耐久性的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂（Glass flake vinyl ester）。一方面有效地阻止海水腐蝕，另一方面強韌性能可以避免去除附著海洋生物時損傷碳素鋼體。另外，通過電氣防腐蝕手段來抑制萬一涂裝被損害后腐蝕。上庫取水口用攔網(wǎng)材料采用耐腐蝕不銹鋼（SUS329J4L材），尾水口用攔網(wǎng)材料采用耐腐蝕FRP。相關(guān)的混凝土建筑按海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，尾水路及尾水口混凝土中鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂裝處理，為防滲漏外表面采用陶瓷涂裝，并在其中埋設(shè)芯片確認(rèn)鹽分滲透情況。機組內(nèi)部如有海水通過，與海水直接接觸部件采用耐腐蝕不銹鋼、防腐蝕涂裝、電氣防腐蝕等。在水泵水輪機間隙部采用防間隙腐蝕涂裝，水泵水輪機為阻止電氣腐蝕，配管采用聚乙烯（Polyethylene）內(nèi)襯管路，管件連接采用絕緣連接螺栓、絕緣墊圈。海水熱交換器材料采用鈦合金防腐蝕。水泵水輪機主要部件的材質(zhì)及防海水腐蝕對策如表8所示。

表8 水泵水輪機主要部件的材質(zhì)及防海水腐蝕方法Tab.8 Structural parts Material of the pump turbine and methods to prevent seawater corrosion

3.2.3 目標(biāo)達成度

真機運行5年間無水的狀態(tài)下對FRP（M）管進行檢查，F(xiàn)PR層無損傷及腐蝕、內(nèi)面保護層無劣化、無磨損、連接套管無異常。海生生物附著量為100個/m2，在高水壓下，管路出現(xiàn)了一定量歪斜、蠕動等，但FRP（M）管具有一定的延展性，可防高水壓下蠕動，基巖輕微移動。FRP（M）管外部與基巖接觸，一定量的內(nèi)壓可傳遞到基巖上，保證了FRP（M）管強度，并且FRP（M）管設(shè)計是沒有考慮基巖壓力分擔(dān)情況下取6倍安全系數(shù)進行設(shè)計的，因此FRP（M）管設(shè)計及施工方法是合理的。取水口、放水路、放水口混凝土由于按海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建造，內(nèi)部鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂裝，外表面有陶瓷涂裝，無水狀態(tài)下檢查外表面無銹斑、裂紋、剝離等跡象，但埋在混凝土中監(jiān)控芯片顯示海水已滲透鋼筋處。商用機建設(shè)時，混凝土應(yīng)按高品質(zhì)海洋混凝土標(biāo)準(zhǔn)建造，鋼筋應(yīng)全部采用環(huán)氧樹脂涂裝，外表面應(yīng)全部采用陶瓷涂裝，并埋設(shè)芯片全面監(jiān)控海水滲漏情況。因蝸殼、尾水錐管及尾水軸管上采用強韌、高耐久性的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂及電氣防腐蝕處理，電氣防腐蝕采用外部電源定電位自動控制系統(tǒng)，由于電位設(shè)定及管理的不妥當(dāng)，玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，電氣防腐蝕應(yīng)適度、妥當(dāng)設(shè)定及管理電位，以免造成對鋼體表面涂裝損害。上庫取水口母材具有防海水腐蝕性能，但結(jié)構(gòu)上有間隙、有焊接處出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量減少間隙及焊接。

主機及輔機設(shè)備：無水的狀態(tài)下水泵水輪機相關(guān)部件2回/5年拆卸精密檢查，奧氏體不銹鋼制部件沒有出現(xiàn)孔蝕、腐蝕、線狀、球狀缺陷等異常跡象；重要部件轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)2回/年P(guān)T檢測確認(rèn)沒有應(yīng)力腐蝕裂紋、強度劣化等跡象。碳素鋼制部件座環(huán)、尾水錐管、尾水軸管連接面處有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝出現(xiàn)膨脹、剝離現(xiàn)象，因設(shè)置了電氣防腐蝕，碳素鋼沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。主軸密封采用陶制密封沒有出現(xiàn)異常跡象，海水一次熱交換器采用鈦合金材料，沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。配管采用聚乙烯（Polyethylene）里襯管路，內(nèi)襯面沒有出現(xiàn)損傷、膨脹等等異常跡象。電氣防腐蝕維持在較小的電流范圍內(nèi)，說明涉水各部件維持在較好的防腐蝕涂裝狀態(tài)，維持在被腐蝕困難的環(huán)境中。

3.3 海生生物附著[1]

3.3.1 課題

海水水路系統(tǒng)中海生生物頻繁附著使設(shè)備性能低下，水力器械上附著會導(dǎo)致水頭損失使真機效率低下；上庫蓄水池內(nèi)面覆蓋EPDM橡膠層上附著導(dǎo)致品質(zhì)劣化；通海水輔機流路及管路中附著導(dǎo)致性能低下等。

3.3.2 計劃對策

海生生物在器械附著情況不確定因素太多，需要事前做試驗對情況進行確認(rèn)了解，并通過與具有海洋中器械運行公司或廠家交流探討，吸收經(jīng)驗采取對策。土木設(shè)備中壓力鋼管采用FRP（M）制，尾水錐管及尾水軸管采用玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝等。尾水路上方設(shè)置縱井，潛水員可以通過縱井定期檢查確立附著生物狀況及因素、合理去除處理方法、設(shè)備保養(yǎng)、維護方法及維護周期。

3.3.3 目標(biāo)達成度

土木設(shè)備，在真機運行期間，上庫蓄水池死水位以下防滲漏EPDM橡膠層上有貝類及藻類附著，對防滲漏EPDM層未產(chǎn)生損傷。FRP（M）制壓力鋼管內(nèi)面僅少數(shù)貝類被發(fā)現(xiàn)，對材料及水力性能的健全性無影響。上庫蓄水池取水口鐵絲網(wǎng)上貝類附著密度非常高，但對鐵絲網(wǎng)的性能及發(fā)電損失影響甚微。尾水錐管及尾水管內(nèi)表面有稍高密度貝類附著，對涂層未產(chǎn)生傷害，貝類連續(xù)附著增大了尾水管管路摩擦，輕微地影響了水力性能，但保證在當(dāng)初設(shè)計值范圍內(nèi)。若數(shù)年間為保證器械的健全性及水力性能，應(yīng)著手制定合理的處理、保養(yǎng)、維護方法。機組冷卻系統(tǒng)，定期點檢、監(jiān)控從尾水取水的冷卻設(shè)備附著情況，無因海生生物附著使管路損失增大跡象。

3.4 海洋環(huán)境下真機運行[1]

3.4.1 課題

海洋相比較于河流、湖泊是個復(fù)雜的環(huán)境，機組在運行時將受到臺風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪的影響。一方面直接導(dǎo)致機組有效落差改變、有效電力輸出變化，水力機械受到影響；另一方面可能導(dǎo)致漂沙、漂浮物堆積，掩埋尾水口、阻塞尾水保護網(wǎng)等。抽水運行工況時，尾水口如有泥沙推擠，泥沙將被抽到上庫蓄水池中，產(chǎn)生器械損害及器械性能低下。通海水輔機流路及管路中混入泥沙的狀況下，使熱交換性能下降，且易堵塞，易損。

3.4.2 計劃對策

為消除上述不利因素對真機運行的影響，需事前監(jiān)測潮位的變動范圍，在水力設(shè)計、模型試驗實施基礎(chǔ)上，在高波浪時尾水口選擇合適的水深確保尾水水位，設(shè)計時平滑化處理發(fā)電工況及電動工況，緩和臺風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪對真機有效落差、水力機械運行的影響等，并在尾水口前設(shè)置圍欄狀透渦型消波堤壩，具有良好的防臺風(fēng)、消波性能，如圖6[8]所示。

3.4.3 目標(biāo)達成度

圖6 尾水口消波堤壩Fig.6 Breakwater dam in tail water gate

尾水口位置的設(shè)置，尾水位的選擇，四角消波堤壩的尺寸及數(shù)量的選擇都是按50年內(nèi)海域波浪高度數(shù)值來設(shè)計的，低潮位時尾水口距離尾水位5.8m（波振幅2.9m）處設(shè)置。在2002年第16號臺風(fēng)來襲時最大沖合波高度與過去50年內(nèi)最大沖合波相當(dāng)環(huán)境下，尾水口四角消波堤內(nèi)波高僅1.4m（振幅0.7m），相比較與設(shè)計波振幅2.9m有非常大的安全系數(shù)。此海域年間大概有2～3回程度臺風(fēng)來襲，對4回臺風(fēng)來襲高波浪惡劣環(huán)境下真機運行狀況進行了確認(rèn)，圍欄狀四角消波堤壩有效地減弱了高波浪湍急海水，尾水位變動引起的有效電力變化在0.18MW/m（理論值）程度振幅變動，這和通常運行時調(diào)速器自由變動范圍內(nèi)起的電力變化相差小，有效地保證了真機穩(wěn)定運行。尾水口附近海域的水質(zhì)、底質(zhì)及流況沒有大的變化，沒有造成對珊瑚礁等海生生物的影響，因此取放水沒有對海域環(huán)境造成影響。

4 真機設(shè)計概況

4.1 采用可變速抽水蓄能系統(tǒng)

真機在海洋環(huán)境下運行，將受到臺風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪的影響，雖然圍欄狀四角消波堤壩有效地減弱高波浪湍急海水造成了尾水位變動，但在項目設(shè)計階段考慮尾水位變動可能造成有效落差改變使真機運行范圍波動，因此為了改善水泵水輪機的運行環(huán)境，減輕系統(tǒng)波動，采用頻率能自動調(diào)節(jié)、運行范圍更廣的可變速（±6%）抽水蓄能系統(tǒng)?？勺兯俪樗钅芟到y(tǒng)通過控制交流勵磁裝置來控制機組旋轉(zhuǎn)能量與電能轉(zhuǎn)化，快速跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定?？勺兯俪樗钅芟到y(tǒng)構(gòu)成圖如圖7[9]所示。抽水工況時，可以通過改變速度來改變調(diào)整水泵的入力，實現(xiàn)頻率自動調(diào)節(jié)；運動范圍變大，使水泵在最合適的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，改善水泵的運行狀態(tài)，提高效率，降低空化、磨損及振動，如圖8[10]所示。

圖7 可變速抽水蓄能系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.7 Conuration of adjustable-speed pumped-storage hydropower system

圖8 水泵工況入力與揚程關(guān)系Fig.8 Pumping head vs.input and rotation speed characteristics curve in pumping mode

4.2 水泵水輪機主要設(shè)計參數(shù)及設(shè)計特點

沖繩海水抽水蓄能電站設(shè)有1臺31.4MVA/31.8MW-16P可變速抽水蓄能機組，主要設(shè)計參數(shù)如表9[11]所示。為方便檢查、保養(yǎng)、維護水泵水輪機各部件，水泵水輪機設(shè)計成不拆卸發(fā)電電動機的情況下從下側(cè)能分解底環(huán)、活動導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪等涉水部件。為防海水腐蝕，轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉、水機主軸等受力部件，采用的是耐腐蝕性好、加工性優(yōu)良、具有一定強度的奧氏體系不銹鋼；頂蓋、底環(huán)等表面海水流速大、靠近旋轉(zhuǎn)體部，采用的是添加少量碳的奧氏體系不銹鋼；蝸殼及尾水管與海水直接接觸的靜止結(jié)構(gòu)件，考慮成本，采用的是涂裝防腐蝕及電氣防腐蝕的碳素鋼；進水閥采用的是有塑料里襯的雙翼蝶閥，機組冷卻系統(tǒng)因電站不能提供大量的淡水，采用的是密閉循環(huán)淡水冷卻、海水熱交換將熱量帶走的二次冷卻方式。

表9 水泵水輪機主要設(shè)計參數(shù)Tab.9 Main design parameters of the pump turbine

5 我國海水抽水蓄能發(fā)展展望及建議

5.1 發(fā)展展望

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式，相關(guān)研究具有前瞻性。國家能源局開展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果顯示，我國海水抽水蓄能資源站點主要集中在東部沿海五?。ㄟ|寧、山東、江蘇、浙江、福建）和南部沿海三?。◤V東、廣西、海南）的近海及所屬島嶼區(qū)域。根據(jù)站點地形地貌、成庫條件、距高比、水頭、區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境影響等方面的要求，共普查出海水抽水蓄能資源站點238個（其中，近海站點174個，島嶼站點64個），總裝機容量為4208.3萬kW（其中，近海為3744.6萬kW，島嶼為463.7萬kW）。從地域分布看，廣東、浙江、福建三省海水抽水蓄能資源站點最為豐富；遼寧、山東、海南三省資源站點其次；江蘇、廣西資源站點相對較少。考慮地形條件、工程布置、節(jié)約淡水資源等多方面因素，進一步篩選出建設(shè)條件相對較好的8個典型站點，分布在浙江、福建、廣東三省點，作為下一步研究重點。相信不久的將來，我國海水抽水蓄能將得到蓬勃生機的發(fā)展。國家能源局開展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果如圖9[14]所示。

圖9 國家能源局開展的海水抽水蓄能電站資源普查結(jié)果匯總Fig.9 Survey sheet of the China Seawater pumped-storage

海水抽水蓄能作為一種可開發(fā)的新型能源，建設(shè)規(guī)模應(yīng)具有遠見性，適度建設(shè)、大量建設(shè)存在弊端性，不可否認(rèn)抽水蓄能電站具備對電網(wǎng)有調(diào)峰、調(diào)谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等功能，但是，抽水工況需要吸收夜間電網(wǎng)多余的電力將水抽到上庫蓄水池，而夜間電網(wǎng)多余的電力大部分來自一次啟動后就難以停止的核電站，伴隨著社會的發(fā)展，工廠自動化生產(chǎn)加快投入，新能源汽車政策實施，沿海城市高度進步，夜間所需要的電力也越來越大，以及受福島第一核電站事故影響，核能發(fā)電逐漸被世界難以接受，當(dāng)夜間的核電供應(yīng)能力處于不飽和時，需要啟用火力發(fā)電站，就沒有多余的電力用于機組抽水。若海水抽水蓄能電站大量建設(shè)，就需要啟用火力發(fā)電站的電力進行抽水，電站完成從抽水至發(fā)電1個周期機組效率η=發(fā)電電動機效率×水泵效率×水輪機效率×發(fā)電電動機效率，從電網(wǎng)吸收的電力大約只有70%電力被再次利用，而火力發(fā)電站需要石油、煤炭、天然氣進行能量轉(zhuǎn)換，化石燃料不僅從國外買賣困難，而且與保護環(huán)境，治霾、新能源建設(shè)背道而馳。加上海水抽水蓄能電站造價費用高及技術(shù)攻關(guān)等，因此海水抽水蓄能電站大量建設(shè)也存在大的弊端性。

從日本國內(nèi)來看，社會發(fā)展到一定階段，隨夜間用電量的增大系統(tǒng)能處于自飽和狀態(tài)，及受福島第一核電站事故影響，在核電難以被國民接受、化石燃料買賣困難、環(huán)境問題、海水抽蓄技術(shù)攻關(guān)等眾多因素的制約下，即使有真機運行業(yè)績的基礎(chǔ)上，日本電源開發(fā)及東京電力等日本主力電力公司近年也從未建設(shè)1臺商用海水抽水蓄能電站。日本國內(nèi)即使是淡水抽水蓄能電站，近十幾年也未有建設(shè)計劃，東京電力就曾公開表示為了削減費用不愿意使用抽水蓄能系統(tǒng)[2]。

5.2 建議

通過對沖繩海水抽水蓄能電站從建設(shè)到最后拆去全方位了解，對我國海水抽水蓄能示范工程建設(shè)、開發(fā)研究提出幾點建議。

淡水抽水蓄能開發(fā)枯竭地或無淡水抽水蓄能開發(fā)地，利用優(yōu)越的自然條件，離海岸線距離近，有高度200m以上山坡，容易修建合適庫量上庫蓄水池或修建大壩，容易修建發(fā)電所，距電網(wǎng)有經(jīng)濟合理距離?？紤]可能受海水腐蝕影響，無高壓電線，地下電纜處、人口稀少處選址；考慮臺風(fēng)、潮汐、洋流等產(chǎn)生的波浪影響機組有效落差，尾水口選離海岸坡度大、海水深、容易建設(shè)、容易定期檢查、操作便捷的地方設(shè)置，且尾水路上方應(yīng)設(shè)縱井，以便潛水員可以通過縱井定期檢查維護。江浙滬沿海海水環(huán)境復(fù)雜，渾濁、泥沙含量高、真機運行時易發(fā)生泥沙堆積影響器械性能，選址要注意。

與核電、火電鏈接，著眼未來，從長計議，合理規(guī)劃分配系統(tǒng)電源組成，建設(shè)區(qū)域夜間電網(wǎng)有足夠的低谷電能用于抽水?？紤]抽水蓄能機組的效率，日間發(fā)電收益應(yīng)大于火電機組因調(diào)峰而降低的收益。與有海水間接冷卻的核電站與火力發(fā)電站等廠家交流，防止冷卻系統(tǒng)海生生物附著對策。與造船或潮汐電站等廠家交流，防止金屬腐蝕對策。無論是抽水蓄能機組水路系統(tǒng)及機組冷卻系統(tǒng)，絕對禁止采用投藥的方式防止海洋生物附著。

6 結(jié)束語

通過對沖繩海水抽水蓄能電站概況、設(shè)計特點淺析及5年間真機運行業(yè)績調(diào)查分析，得出海水抽水蓄能與淡水抽水蓄能具有同等程度的技術(shù)信賴性，也驗證了可用于商用運行，達到了當(dāng)初建設(shè)時作為研究驗證性海水抽蓄電站的目的。這座從立案到拆除歷經(jīng)36年滄桑的海水抽水蓄能電站，最終作為抽水蓄能電站來說，因為機組容量太小，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)效果輕微，而運營費用相對較高，無法體現(xiàn)最終用戶的商用價值而決定撤除，但其技術(shù)前瞻性研究和成果，對于世界上廣泛存在的海島和海岸區(qū)域建設(shè)必要的海水抽水蓄能電站而言，無疑具有重大的潛在推廣、普及和運用價值。一定程度上，對我國海水抽水蓄能電站的示范工程建設(shè)、開發(fā)研究，有借鑒和參考意義。