海水抽水蓄能电站及我国工程建设条件浅析

柴建峰，肖 微

（国网新源控股有限公司技术中心 ，北京市 100073）

海水抽水蓄能电站及我国工程建设条件浅析

柴建峰，肖 微

（国网新源控股有限公司技术中心 ，北京市 100073）

抽水蓄能电站在全球能源互联网、电力系统调峰、雾霾治理和绿色能源建设中，提供了重要的支撑和保障作用。本文首先介绍了日本冲绳海水抽水蓄能电站的工程建设条件及运营实践经验，接着分析了我国海水抽水蓄能电站的工程建设条件，最后建议我国现阶段宜开展一定有前瞻性的研究工作和具体工作、如适时开展试验站点的建设、开展有针对性的海水防腐等。

全球能源互联网；海水抽水蓄能电站； 建设条件； 日本冲绳； 中国沿海

0 引言

抽水蓄能电站具有启动快、运行灵活等特点，不仅为电网提供安全稳定保障和调峰填谷功能，还对整个电力系统乃至能源结构调整有着特殊贡献。抽水蓄能电站通常利用江河湖泊进行开发建设，常常会受到自然环境、气候条件、环保、移民征地、地形地貌等客观条件的限制，增加了抽水蓄能电站厂址选择的难度和工程造价。

我国具有广阔的海岸线，且沿海地区又是经济发达地区，电力峰谷差更为严重，另外，在当前气候日趋变暖、淡水危机四起，而电力需求峰谷差日益加剧的情况下，研究海水抽蓄发电具有一定的前瞻性和必要性。

海水抽水蓄能电站与常规的淡水抽水蓄能电站相比，有如下优势：不需要专门建设下库，降低了工程费用；可以建在大型电源点（火电厂、核电厂、风电场和潮汐电场）附近，也可以建在靠近负荷中心周边的海边，降低了输电成本[1，2，3，4]。

目前存在的主要问题有：①上库中海水渗入和污染地表或地下水，以及由于风力引起的海水飞溅，对周围动物和其他生物系统的污染；②海水对金属材料和水工结构的腐蚀；③海洋生物附着对输水系统和水泵水轮机的影响；④海岸进/出水口对附近生珊瑚及其他海洋生物的影响。

世界上首座海水抽水蓄能电站是日本1999年建成并运行的冲绳山原抽水蓄能电站，以下先介绍日本冲绳山原抽水蓄能电站情况，然后浅析我国海水抽蓄的工程建设条件，最后提出几点认识。

1 工程实例

日本冲绳山原海水抽蓄电站[1，3，4]位于日本冲绳本岛北部，是利用太平洋作为下库，装机容量30MW，额定水头136m，有效库容56.4万m3，压力管道、厂房和尾水管均为地下布置，地下厂房埋深150m，长41m，宽17m，高32m，是一座试验性的抽水蓄能电站。该工程投资及研发经费全部由日本政府出资，试验目的是验证海水抽蓄商业化的可行性。

1999年3月开始试运行，即被并入冲绳本岛电网，工程已经运行了十几年多时间，为冲绳本岛电网的负荷平衡和频率稳定起到了重要作用。上库从蓄水开始到蓄满为止需要6h，可供8h发电用，发电效率将近70%。

冲绳抽水蓄能电站上库的建设场地是一处高程为150～170m的小台地，距海岸线约600m。上库通过开挖台地的中心部分，并环绕着中间的深坑修建堤坝而形成，基岩为千枚岩，地层的连续性差，断层发育，为早期沼泽沉积成岩。

上水库呈八角形，库深25m，对角长度252m，上库形状和位置的选择基于：①库盆需要敷设橡胶薄膜贴面，所以形状要求简单化；②优化土建工作，尽量使挖填方量平衡；③上库的进/出水口为喇叭口型，压力管道上部分为直管段，材料为玻璃纤维增强塑料（FRP）管，弯管段为钢衬并有电极保护。高压斜管内径2.4m，长314m，输水量26m3/s。

电站的试验研究内容包括：①上库防渗效果和海水对地表及地下水污染；②海水对电站建筑材料的侵蚀；③海水生物对管道及水轮机的黏附作用以及影响；④高压水流作用下，海水对金属材料的腐蚀作用；⑤高海浪情况下，管道进出口海水的输入和排泄的不稳定性对发电出力的影响；⑥上库海水因风力作用而飘到水库周围，对植物、动物及其他生物的影响；⑦对生息在下库出口周围的珊瑚及其他有机生物的影响。

1.1 上水库的防渗等措施

上水库采用乙丙橡胶（EPDM）薄膜做为上水库的贴面材料，全库盆防护，EPDM 具有优越的防渗特性和适应气温变化性能。

橡胶贴面下为50mm厚的排水垫层，由粒径≤20mm 的碎石料铺成。为了防止垫层料碎石的棱角对橡胶贴面造成损伤，特设了无纺聚酯纤维织物夹层，橡胶贴面就敷设在无纺聚酯纤维织物上面。并在排水垫层中埋设海水传感器和压力监测仪器，一旦橡胶贴面破损有渗水，监测系统将报警，水泵自动将泄漏的海水抽到上水库中。

正常运行时，每天的监测和检查上水库海水的渗透，在包括蓄水试验期在内几年的时间里，还没有发现上库渗漏现象[4]。如上水库发生渗漏，在监测廊道中还可以观察和收集到渗水。

通过对大气、降水和土壤中盐分含量的测量监测海水的泄漏。为了考证海水渗漏和泄漏，还对水库周围生长的动植物群、附近的小溪和池塘里的水都进行了监测。

1.2 输水系统

压力管道采用FRP材料的管道作为压力管道的直管段，FRP管道由FRP层和防护层组成，防护层具有耐酸、抗磨、耐碱等性能，结构上双向缠绕，在径向和轴向缠绕的玻璃纤维均经过树脂的浸渍。

FRP管道不仅抗海水腐蚀，还能防止海洋生物附着，将其作为预埋的压力管道在世界范围内还属首例。为减少水头损失并防止海洋生物的附着，管道之间的接口处采用套筒式接头。FRP管道结构中的橡胶主要用于挡水和密封。

压力管道和围岩之间的填充材料为粉煤灰和水泥的混合浆。

尾水隧洞和进/出水口，为了防腐，钢筋混凝土衬砌的尾水洞中使用的钢筋经过了环氧树脂涂层保护，进/出水口采用了耐磨抗腐蚀的特殊陶瓷涂层材料，进/出水口的拦污栅采用了FRP材料。

1.3 台风期的运行

冲绳岛位于台风经过的路线上，平均每年有8次台风出现，当冲绳岛受到破坏性台风影响时，重点关注：①由于台风影响，海水翻出水库；②在强大风力作用下，防水板的稳定性；③台风期巨浪条件下，水库蓄水和电站的运行情况。

1999年8月和9月，强台风曾两次逼近和通过冲绳主岛，在整个台风过程中，电站运行正常。由于台风负压作用，上库防水板出现隆起抬升的现象，最高达1m，有效的防治了海水飞溅溢出对周围区域的污染。

1.4 运行监测经验

在运行期间，主要结论：①上库表面衬砌中，EPDM合成橡胶板的防渗性能和耐久性得到验证，海水渗漏监测系统达到预期效果；②海洋生物的黏附可控制在预计范围内，防黏附措施达到预期效果；③防腐涂料和阴极保护措施的有效性得到验证，在永久性设施中，大规模采用纤维增强复合塑料（FRP）达到了预期效果；④依靠防浪消能工程设施，在强台风形成的大浪下作用下，进水口和尾水口能稳定运行；⑤地下水中盐分的积累在预计范围内，对周围地区的动植物群的影响非常小。

上述结果表明海水抽水蓄能发电技术已初步具备建设商业化电站的可行性和可靠性[4]。

2 工程建设条件

2.1 区域地质和构造稳定性

我国沿海地区从北向南，主要受朝鲜半岛地震带、郯庐地震带、长江下游—黄海地震带、长江中游地震带和华南沿海地震带的影响，地震活动复杂。但随着沿海地区能源基地、核电站、码头、跨海大桥等工程建设，如大亚湾核电站、海阳核电站、洋山港、舟山连岛工程、泉州湾大桥、港珠澳跨海大桥和胶州湾大桥等，现今中国地震局等科研单位在地震地质条件复杂地区选择相对稳定的工程场址，即所谓的“安全岛”，成功的工程实践已经不少，如西南地区的多个高坝水电站，沿海的核电站和数十个跨海大桥等。

“安全岛”是构造活动区或者活动构造之间存在的相对稳定地块，并将其作为工程建设基地的主要对象。在沿海地区选择地形地貌条件适宜，地壳相对稳定的海水抽蓄电站场址，目前技术上是可行的，不存在问题。

2.2 地形地貌条件

我国海岸线长，其中大陆海岸线约1.8万km，岛屿海岸线约1.4万km，合计约3.2万km，海岸线地形变化复杂，选址范围大。

张东（2015年）对我国南部沿海地区的海水抽水蓄能电站进行筛选普查，主要涉及广西、广东和海南三个地区。从地形地貌、海洋岛屿分布角度出发，进行了初步评价，主要结论如下[2]：①南部沿海地区海水抽水蓄能资源总量约18000MW，其中以广东省海水抽水蓄能资源较丰富，约占资源总量的63%;②从资源站点水头分布分析，南部沿海地区海水抽水蓄能资源主要分布在100～200m 水头段，约占资源总数的59%，300m 以上水头段的资源站点较少，仅占资源点总数的13%。

2014年11月，中国电建集团华东勘测设计研究院承担的《东部沿海地区海水抽水蓄能资源开发潜力评价》通过验收，该项目有针对性地研究评价了东部沿海地区海水抽蓄资源情况和开发潜力，对海水抽蓄电站建设条件、必要性、站点资源、关键技术、设备制造能力，试验站点的选择和试验站点的建设等关键技术问题进行了重点研究，并提出了试验站点的初步方案。

从我国沿海地形地貌角度出发，海水抽蓄发电可选站点多，具有一定的先天优势，且沿海地区经济发达、交通条件便利，有利于后续工程建设的组织和实施。

2.3 极端天气——海啸和台风

沿海地区热带气旋、风暴潮、赤潮、龙卷风、雷电灾害及地震等自然灾害较频繁，是海水抽蓄电站建设和运行不得不面对的问题。以下主要分析台风和海啸。

2.3.1 海啸

海啸是由海底地震、火山爆发、海底滑坡或气象变化产生的破坏性海浪，海啸主要受海底地形、海岸线几何形状及波浪特性的控制。海啸上岸后，由于巨大的冲力，将夹带一些破损建筑物产生的固体漂浮物一同前进，因此破坏力更强。近期影响比较大的海啸有：①2004年12月印度尼西亚苏门答腊岛地震海啸，造成近20万人死亡，600万人无家可归；②2011年3月，日本东北部海域地震海啸，截至2011年4月，地震和海啸共造成日本12554人死亡、15077人失踪，更为严重的是，由海啸间接引起的福岛核电站核泄漏事故对环境的破坏。

所幸我国海区大多是浅水大陆架地带，平缓宽阔，外围自北而南有：千岛群岛、日本群岛、琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛、印尼诸岛等环绕，形成一道天然屏障，越洋海啸进入这一海域后，对海啸传播的摩擦力强，能量衰减很快，不利于地震海啸波的传播，对我国大陆沿海影响较小。如1960年智利大海啸，对菲律宾乃至日本这些地方都造成了灾害，但传到我国东海的长江口吴淞一带，浪高仅15～20cm，没有形成灾害。因此，远海越洋海啸对我国影响很小。

我国的地震海啸危险性分析研究开始于20世纪70年代，周庆海（1988年）分析研究我国沿海海域大陆架地震地质特征，对我国沿海进行了基于历史地震海啸记录的地震海啸危险性分析，最后给出我国台湾东部沿海海域、海区大陆架沿海海域以及渤海沿海海域地震海啸危险性之比为16∶4∶1（资料来源中国地震局工程力学所网站）。

从日本福岛核泄漏事故分析来看，之所以发生如此严重的灾难，主要原因是目前人类认知能力有限，无法预测地震，进而海啸的设防标准也难以确定。

目前抗御海啸灾害的工程措施主要：①合理规划，主要是避让、削弱、分流和阻挡；②科学设计，潜在海啸灾害等级划分、海啸荷载确定、抗海啸分析和构造设计。对于海水抽蓄电站来说，应关注海啸的高水位淹没和浪涌冲击地表输送电设置、地表建筑物、进/出水口的淹没和冲击。

2.3.2 台风

根据类似工程调研，台风对抽水蓄能电站的危害性表现在：①台风引起的海浪和暴雨，威胁地表建筑和输送电设施的安全；②台风袭击的地区，常有狂风暴雨，从而引起高潮和巨浪，产生极大的破坏力，可能引起上水库海水飞溅甚至溢出，污染植物和土壤；③台风的出现，产生异常的气候条件，所产生的氯离子深入混凝土结构当中，氯盐造成钢筋的腐蚀破坏。

目前近海和海洋工程一般采用的防台风措施有：

（1）前期阶段，如规划选址和设计阶段，在总平面布置时考虑台风及其影响，在工程设计时候，考虑一定的安全储备，如日本冲绳的海水抽蓄电站，在上水库设置了防溅墙。

（2）施工阶段，统计工程区域的台风历史数据，为施工安全提供保障。如目前正在建设的港珠澳大桥，委托气象研究单位专门研究桥址区的热带气旋。港珠澳大桥—岛隧工程所在海域受大风影响为冬季偏北大风与热带气旋。其中，热带气旋影响是广东沿海地区最为严重的灾害，热带气旋所产生的大风、暴雨和暴潮直接威胁到海上及沿岸的构筑物、船只和人员的安全。

再如已建成的苏通大桥，使用气候统计学方法，分析了台风的频率和时空分布特征，1949～2007年桥位区登陆台风有7个，过境台风有22个，边缘或外围气流影响台风有146个，影响桥位区的台风年均2.5个，上述研究成果，有利于施工工期安排，从而有效规避施工期的灾害风险。

（3）运营阶段，及时关注气象部门的台风预报，制定台风的预防措施和台风发生时的处理措施，并做好台风灾害后的善后工作，通过组建防台组织结构，做好防汛大堤的安全保护工作。

2.3.3 工程处理措施

近十几年以来，随着大规模的近海工程建设，如大型码头、人工填海筑岛、跨海沉管隧道和核电站等项目的建设，积累了丰富的工程建设和运营管理经验。如在进/出水口区域可通过设置人工防浪消能堤岸来消弱海啸或者台风的影响，这些措施在沿海码头、核电站等工程中已得以大量应用。

对于上水库的海水飞溅，可通过风洞试验和计算机模拟，结合类似工程经验，综合确定防溅墙的高度和防溅工程措施。同时，随着计算机和大气物理学的发展，台风的预报和预警也日益成熟。

虽然海啸目前还无法预测，但是提前预警还是可以做到的。由以上分析可见，台风和海啸等极端天气，已不是限制海水抽蓄电站建设和运营的关键因素。

2.4 工程地质条件

根据沿海类似工程经验，结合海水抽蓄电站的特点，工程地质评价的重点：①上水库—海水蓄水池、输水发电系统的渗透漏水问题；②海水渗透对地下水和土壤的污染；③地质缺陷带/体一般富水，对工程建设影响大，精细化探测和评价显得尤为重要；④建筑材料勘察。

海水抽蓄发电就工程规模来说，一般小于常规抽蓄电站，工程地质条件相对简单，建设期土建难度不大。就目前国内岩土/地质技术和经验来看，完全可以胜任上述工作。

3 几点认识和建议

由以上分析可知，随着科技的发展，台风、海啸、地震和地质条件等问题均有相对成熟的工程处理措施，工程建设条件已经不是制约海水抽蓄电站建设的关键因素。考虑到沿海地形地貌优势明显、经济发达、交通便捷等优势，开发沿海海水抽蓄电站具有广泛的前景。

日本冲绳抽水蓄能电站的研制、建设和运营经验，对于海水抽蓄的推广和普及应用将有重大参考价值。但该电站最近几年的运营状况和监测资料，很难从国内文献中收集到。

国内目前未开展实质性的研发工作，相对滞后，建议政府和相关单位，结合全球能源互联网等战略需要，开展一些具体研究，实地考察日本冲绳海水抽蓄电站，加强海水防腐等前瞻性工作，适时开展沿海站点的试验站点建设。

[1] 刘布谷，刘东． 世界上首座海水抽蓄能电站上库的设计与施工，水利水电快报 [J]． 2012， 33（11）：15 ：17．

[2] 张东．我国南部沿海地区海水抽水蓄能资源初步评价能源水利 [J]．2015，（1）．69-70．

[3] 张文泉，何永秀．海水抽水蓄能发电技术．中国电力[J]．1998， 31（11）：16-17．

[4] 邱彬如．世界抽水蓄能电站新发展[M]，北京：中国电力出版社，2006．

柴建峰（1977—），男，博士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要研究方向：水文地质与工程地质。E-mail：623509677@qq．com

肖 微（1980—），女，硕士，工程师，水利水电工程，主要研究方向：流体机械工程。E-mail：xiaoweiyh@126．com

Seat Water Pumped Storage Station and the Construction Condition of China’s Coastline

CHAI Jianfeng, XIAO Wei
（Technology Center，State Grid Xinyuan Companyltd ， Beijing 100073，China）

Water pumped storage stations play an important role in Global Energy Internet, power system peaking duty,environmental pollution control and green power. This paper first introduces the construction characteristic, the operation characteristic of Okinawa Seat water pumped storage which is the fi rst seat water pumped storage station. Second analyses the construction condition of Seat water pumped storage station at China’s coastline. Finally, the paper presents some ideas and suggestions to the research of the seat water pumped storage station in China, to the construction of test station.

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