吳秋芳，林文婧，陳志偉，郭建設(shè)，薛繼樂，王殿春，劉力捷

（1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東粵海控股集團(tuán)有限公司，廣州 510110）

1 水工建筑物防護(hù)研究方案

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，至2018年底，我國抽水蓄能系統(tǒng)的投產(chǎn)總裝機(jī)容量已達(dá)30 025 MW，在建容量達(dá)到43 210 MW，均為以淡水為運(yùn)行工質(zhì)的常規(guī)抽水蓄能電站?？紤]到常規(guī)抽水蓄能水工建筑物的防護(hù)技術(shù)手段已非常成熟，海水抽水蓄能水工建筑物防護(hù)研究著眼于分析海水抽水蓄能電站與常規(guī)抽水蓄能電站的差異，參考常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有的海水防護(hù)技術(shù)手段，提出水工建筑物不同區(qū)域、部位、適用工況的防污、防腐、防滲的防護(hù)條件，并明確研究成果具體要求。

2 水工建筑物防護(hù)研究過程

2.1 海水抽水蓄能電站工作原理

海水抽水蓄能電站的基本原理如圖1所示。電站以大海作為下水庫，在地理位置和地形合理的海岸山地上修建上水庫［1］。儲(chǔ)能時(shí)，電能驅(qū)動(dòng)水泵或可逆式水泵水輪機(jī)組將海水從海洋抽送到高位蓄水池，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能存儲(chǔ)起來；釋能時(shí)，海水從高位蓄水池排放至海洋驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)或可逆式水泵水輪機(jī)組發(fā)電，將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 海水抽水蓄能電站系統(tǒng)原理圖

海水抽蓄電站不僅與常規(guī)抽水蓄能電站一樣，啟停迅速、運(yùn)行靈活，在電網(wǎng)中可以承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)。且與常規(guī)的陸地淡水抽蓄電站相比，具有不需建設(shè)下水庫、水量充沛、水位變幅小、有利于水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行等有利條件，同時(shí)海水抽蓄可以修建在火電、核電、海上風(fēng)電等基荷電源附近或在電力需求相對較大的沿海負(fù)荷中心附近，有利于整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行及輸電成本的降低；也可以建設(shè)在淡水資源缺乏、常規(guī)抽蓄電站建設(shè)條件較差的沿海地區(qū)和小島上，利于電力系統(tǒng)靈活調(diào)峰，具有很強(qiáng)的競爭力［2-4］。

2.2 海水抽水蓄能與常規(guī)抽水蓄能差異分析

海水抽水蓄能電站是指在傳統(tǒng)抽水蓄能的基礎(chǔ)上利用海水作為工質(zhì)的新型抽水蓄能形式。相比于常規(guī)抽水蓄能，工作介質(zhì)不同將對水工建筑物材料的防護(hù)要求產(chǎn)生以下差異［5，6］：

（1）海水相比淡水存在大量氯離子、化學(xué)性質(zhì)較為活潑，大壩、輸水系統(tǒng)壓力管道等水工建筑物將面臨海水腐蝕問題，影響使用壽命及維修成本，這就對相關(guān)水工建筑物材料的防蝕性能提出了更高要求［7］。

（2）海洋生態(tài)系統(tǒng)相比淡水生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、物種更為豐富、數(shù)量更為龐大，海水抽水蓄能將面臨更為嚴(yán)峻的微生物附著問題，以藤壺為例，藤壺在流速約為5m∕s 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生附著，在流速1～2m∕s 時(shí)最容易附著；故應(yīng)著重考慮輸水系統(tǒng)壓力管道及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防附著問題及可檢修性，避免因微生物附著降低系統(tǒng)的整體效率［8，9］。

（3）相比淡水，海水滲漏進(jìn)入土壤，將可能產(chǎn)生地表或地下水污染、影響周圍動(dòng)植物的正常生長，破壞生態(tài)環(huán)境，此外，上水庫泄漏的海水中的鹽分可能會(huì)對周圍的動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響，故海水抽水蓄能將面臨更嚴(yán)格的防滲要求，應(yīng)著重考慮上水庫庫盆及輸水系統(tǒng)的防滲措施，同時(shí)也對滲漏水的收集、引排提出了更高的要求。

2.3 水工建筑物防護(hù)條件分析

根據(jù)海水抽水蓄能電站與常規(guī)抽水蓄能電站的差異分析，參考常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有的海水防護(hù)技術(shù)手段，提出水工建筑物的防護(hù)條件（見表1）。

表1 海水抽水蓄能電站水工建筑物防護(hù)條件

（1）水工建筑物材料的防腐性：部位包括與海水有接觸的水工建筑物，如庫盆及大壩、輸水系統(tǒng)（含上下庫進(jìn)出水口及壓力管道）、地面廠房及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，材料包括鋼筋混凝土、鋼板及其他結(jié)構(gòu)用材，其中輸水系統(tǒng)應(yīng)特別關(guān)注高壓高流速狀態(tài)的結(jié)構(gòu)材料的防腐蝕。

（2）水工建筑物材料的防滲性：部位主要包括上庫庫盆及輸水系統(tǒng)的壓力管道，其中壓力管道如采用鋼板襯砌或玻璃鋼，則不存在滲漏問題。

（3）水工建筑物材料的防污性：部位主要包括輸水系統(tǒng)（含上下庫進(jìn)出水口及壓力管道）及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)；材料包括鋼板、鋼筋混凝土及其他結(jié)構(gòu)用材。

海水抽水蓄能的水工建筑物設(shè)計(jì)，必須考慮從工程布置上減少因海水腐蝕性、海水滲漏以及海生物附著帶來的安全隱患，比如輸水系統(tǒng)的水道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可檢修性，可通過檢修清除水道附著的海生物。

3 水工建筑物防護(hù)條件科研結(jié)果要求

3.1 水工建筑物防護(hù)范圍

海水蓄能電站主要的水工建筑物包括上水庫、輸水系統(tǒng)、廠房及尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防護(hù)區(qū)域?yàn)榕c海水有接觸的部位，具體要求如表2所示。

表2 海水抽水蓄能電站水工建筑物防護(hù)部位要求

3.2 水工建筑物適用工況

（1）上水庫（含大壩及庫盆）。根據(jù)《全國海水抽水蓄能電站資源普查報(bào)告》資料分析，運(yùn)行期上水庫水位消落深度多在10～30 m 之間［10］；同時(shí)，為避免海水滲漏對海島生態(tài)環(huán)境的干擾，上水庫均采用全庫盆防滲，防滲材料應(yīng)根據(jù)科研成果確定，并在庫盆底部設(shè)置集水廊道，用于收集庫盆滲漏水［11］。

（2）輸水系統(tǒng)（含上下庫進(jìn)出水口及壓力管道）。輸水系統(tǒng)管道內(nèi)流速與流量、管材、管徑等控制因素息息相關(guān)，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性以及水頭損失等影響進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定。參考常規(guī)抽水蓄能設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按水頭損失盡量控制在設(shè)計(jì)水頭的4.0%以內(nèi)估算，并考慮管道的可檢修性，輸水系統(tǒng)管徑內(nèi)海水流速變化在1～6 m∕s之間。

根據(jù)《全國海水抽水蓄能電站資源普查報(bào)告》，從資源站點(diǎn)水頭分布分析，全國海水抽水蓄能資源主要分布在100～200 m水頭段，占資源站點(diǎn)總數(shù)的50%；其次資源點(diǎn)分布在200～300 m 水頭段內(nèi)，占資源站點(diǎn)總數(shù)的22%；300 m 以上水頭段的資源站點(diǎn)較少，僅占資源站點(diǎn)總數(shù)的15%。結(jié)合南部海洋區(qū)域站點(diǎn)資源情況，輸水系統(tǒng)的壓力管道變化范圍集中在0.5～3.0 MPa之間［10］。

海水在管道內(nèi)的動(dòng)靜交替的大致規(guī)律則與電站的調(diào)度運(yùn)行相關(guān)，抽水及發(fā)電工況下水流的流向見圖1。

（3）廠房。根據(jù)《南部沿海地區(qū)海水抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃報(bào)告》，海水蓄能電站廠房有地下廠房和半地下式廠房兩種類型；地下廠房常年處于地下環(huán)境，通風(fēng)效果較地面建筑物差，需要對地下水成分進(jìn)行分析，地下廠房的混凝土結(jié)構(gòu)有可能存在防腐蝕問題；半地下式廠房及地面廠房多離海岸較近，廠房的混凝土結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)解決防腐蝕問題。

（4）尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)。海水抽水蓄能電站尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主要功能是防浪、防大型海洋生物、防泥沙，此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)還應(yīng)降低取水口抽取海水對周邊海洋生物的影響。圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)相對封閉又可保證內(nèi)、外海水相通。

尾水圍護(hù)應(yīng)重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)的防腐、防污問題，防止海洋生物附著在尾水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，堵塞通道。

3.3 水工建筑物防護(hù)科研成果要求

參考常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有的海水防護(hù)技術(shù)手段，根據(jù)水工建筑物防護(hù)條件分析，提出科研成果要求，詳見表3～5。

表3 防污科研成果要求

表4 防滲科研成果要求

4 結(jié) 語

本文根據(jù)常規(guī)抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有的海水防護(hù)技術(shù)手段，結(jié)合分析海水抽水蓄能電站與常規(guī)抽水蓄能電站的差異分析，提出了水工建筑物包括區(qū)域、部位、適用工況在內(nèi)的防污、防腐、防滲技術(shù)研發(fā)的防護(hù)條件，并明確防護(hù)科研成果具體要求，為海水蓄能電站水工建筑物耐久性設(shè)計(jì)提供了背景支撐以及研究方向。 □

表5 防腐科研成果要求