新型海水抽水蓄能电站及灯泡贯流式水轮机选型研究

肖 微，柴建峰，李明阳

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

新型海水抽水蓄能电站及灯泡贯流式水轮机选型研究

肖 微，柴建峰，李明阳

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

本文结合我国南海中的海岛，多为珊瑚礁构成的岛、礁、滩、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常规淡水抽水蓄能电站的天然地形地貌条件，探讨通过沉管/沉箱形成一个封闭的下沉蓄水池，将其作为抽水蓄能电站的下库，用于调节风电、光伏发电系统的海水抽水蓄能电站中的一种形式。同时，对该电站可采用的两种灯泡贯流式水轮机机型的优势和挑战进行了论述。

海水抽水蓄能电站；沉管/沉箱；灯泡贯流式水轮机；单向灯泡贯流式水轮机；双向灯泡贯流式水泵水轮机

0 前言

抽水蓄能电站是电力系统中最可靠、最经济、寿命周期长、容量大、技术最成熟的储能装置，是新能源发展的重要组成部分。截至目前，抽水蓄能电站的形式主要有常规淡水抽水蓄能电站和海水抽水蓄能电站两种。

我国南海中的海岛，多为珊瑚礁构成的岛、礁、滩、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常规淡水抽水蓄能电站的天然地形地貌条件。离岸岛礁风能丰富、光照条件好，风电和光伏发电可为海洋油气开发和偏远岛屿开发和建设提供经济廉价的电力供给，但风、光电受气候条件影响大，无风时或黑夜时电力供给又得不到保证。抽水蓄能电站在储存能量和调峰填谷方面有较大的优势，可见探讨与离岸风电、光伏等清洁能源相配套的海水抽蓄电站具有一定的前瞻性和必要性[1]。

根据我国南海岛屿地形和地貌之特征，结合岛屿填筑等开发工程，探讨通过沉管/沉箱形成一个封闭的下沉蓄水池，将其作为抽水蓄能电站的下库，用于调节风电、光伏发电系统的海水抽水蓄能电站中的一种形式。

1 沉管/沉箱海水抽水蓄能电站

根据我国南海岛屿地形、地貌和地质特征，结合岛屿开发填筑工程，可建设沉管/沉箱海水抽水蓄能电站，用于调节风电、光伏发电系统。同时上覆填土，还可以新增生活生产用地。

沉管/沉箱海水抽水蓄能电站是采用下沉混凝土沉管/沉箱等构筑物形成一个封闭蓄水池，将封闭蓄水池作为抽水蓄能电站的下水库（抽水蓄能专用库），上库则为无限大的大海。

利用无限大的大海作为上水库的沉管/沉箱海水抽水蓄能电站，具有发电水头低、流量大的特点。水轮发电机中水轮机建议采用灯泡贯流式水轮机，该机型已在潮汐发电中广泛使用。

2 灯泡贯流式水轮机

灯泡贯流式水轮机的型式有单向灯泡贯流式水轮机和双向灯泡贯流式水泵水轮机两种，这两种型式均可以在沉管/沉箱海水抽水蓄能电站中得到很好的应用。

2.1 单向灯泡贯流式水轮机

抽水系统，当风电、光伏等电力有剩余时，可连接水泵将沉管/沉箱蓄水池（下水库）中海水抽出，形成水位差和有效库容。发电系统，当需要电力补偿时，利用蓄水池和海洋存在的水位差，外侧高程海水推动水轮机发电，发电机的装机容量和蓄水池大小由岛屿用电负荷、风电光伏电的装机容量综合决定。抽水系统和发电系统为相互独立系统，如图1和图2所示。

2.2 双向灯泡贯流式水泵水轮机

双向灯泡贯流式水泵水轮机，不仅具备当风电、光伏等电力有剩余时，利用双向灯泡贯流式水泵水轮机将沉管/沉箱蓄水池（下水库）中海水抽出，形成水位差和有效库容；当需要电力补偿时，利用蓄水池和海洋存在水位差，外侧高程海水推动双向灯泡贯流式水泵水轮机发电，而且由于双向灯泡贯流式水泵水轮机本身既具备抽水又具备发电的双功能优势，同时具备正向发电、反向发电、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能。但与单向灯泡贯流式水轮机不同的是，该系统中的抽水系统和发电系统不是相互独立的系统，如图3和图4所示。该系统中发电机的装机容量和蓄水池大小同样是由岛屿用电负荷、风电光伏电的装机容量综合决定。

1967年世界上第一座投运的法国朗斯潮汐电站和1980年我国最大的第一座双向潮汐试验电站——浙江省沮岭县江厦潮汐试验电站就采用了双向灯泡贯流式水泵水轮机。双向运行方式可提供较连续的电力，具有较强的电网适应性，可进行调峰运行，但工程投资较高。目前由于发电效率随着水头的变化而变化，且反向运行或作为水泵工作时，效率非常低，低水头运行每千瓦的单位造价会上升[2]。

3 采用灯泡贯流式水轮机的优势

根据沉管/沉箱海水抽水蓄能电站所具有的特点，采用灯泡贯流式水轮机是比较适用的，因为与其他型式的水轮机相比，灯泡贯流式水轮机具备以下优势[3]：

（1）对低水头资源来讲，灯泡贯流式水轮机能够有很宽的运行范围，及时水头十分低下的时候，也有较为稳妥的效果，甚至超过1.5m以下，这种效果在其他的水轮机型式中是不可想象的。

（2）灯泡贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同，为保证向导水机构均匀供水和形成必要的环量，保证导叶较平滑绕流，轴流式水轮机需设置蜗壳，其流道由蜗壳、导水机构和弯肘型尾水管组成。灯泡贯流式水轮机没有蜗壳，流道由圆锥形导水机构和直锥扩散形或S形尾水管组成。从流道进口到尾水管出口，水流与轴之间大致平行，减少出现弯折处，水流的平稳度得到保证，也有助于水力的存储，尾水管恢复能力强，动力效果好。

（3）灯泡贯流式水轮机过流量大，并且旋转速度十分快，整体效率较高，并且高效区宽度适宜，在各个方面比轴流式来说有着十分重要的优势。跟轴流式比起来，如果其所处的水头和单机容量都一样时，所表现出来的情况是，规模更小，质量更轻便，所花费的生产材料更少，而整体价格也偏低。

（4）灯泡贯流式水轮机，其空化以及稳定程度都比轴流式要强，空化系数值较低，安全性较强，故障发生率较低，可用性强，检查修理所花费的时间到的节省，而检查循环次数也减少。

（5）其结构特征紧密而严整，布局严整而简单、尺寸小以及减小厂房尺寸与基础开挖量，建设对土建工程的依赖不大，减少相应资金，在机组的使用以及安装流程上来说，质量小，方便安装和装设，能够减小工作时间，提前发电时间。

此外，单向灯泡贯流式水轮机和双向灯泡贯流式水泵水轮机在具备以上优势的同时，相比较而言又具备各自的优势，抽水系统和发电系统是两个相互独立系统的单向灯泡贯流式水轮机在水轮机的水力设计上相对简单，综合效率较高；抽水系统和发电系统不是相互独立系统的双向灯泡贯流式水泵水轮机同时具备正向发电、反向发电、正向泄水、反向泄水、正向泵水和反向泵水等功能多、系统单一、运行灵活等优点。建议应根据工程的实际特点和需要等进行两种机型的合理选择。

4 采用灯泡贯流式水轮机存在的挑战

4.1 水轮机水力设计技术

利用水头低是灯泡贯流式水轮机水力设计所存在的挑战，而双向灯泡贯流式水泵水轮机还存在运行工况复杂、转换频繁，例如不仅要求正反向发电，还要求正反向抽水、正反向泄水，这都增大了水轮机水力设计的难度。对于多种工况运行的转轮而言，通常只要求正向发电和反向抽水运行的高效率，不追求反向发电和正向抽水运行时的效率[4]。

4.2 海水腐蚀防止技术

由于灯泡贯流式水轮机部件长期浸泡在海水中或处于盐雾弥漫的空气中，这不但对结构中的金属要产生严重的腐蚀作用，产生点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀，而且对机组中的电气元器件及绝缘也要产生很大的影响。因此，必须采取防止海水腐蚀措施，其中主要措施有：

（1）合理选择材料，关键金属部位采用Cr、Mo含量较高甚至还含有Ni的不锈钢。

（2）所有与海水接触的普通钢部件表面应涂敷一层耐海水腐蚀的涂料。

（3）采用阴极保护技术。

（4）发电机防海水腐蚀技术等[4]。

4.3 防海生物附着技术

海水中的海生物容易附着在金属结构表面，影响过流部分的过流条件，影响机组出力，降低转动部件的灵活度，而且海生物的附着力极强，清楚非常困难。因此，防海洋生物技术的应用也很重要，目前主要采用两种方法：

（1）过流表面涂敷能杀死海生物的涂料。

（2）电解海水，产生毒性氯离子，抑制海生物附着[3]。

5 结束语

沉管/沉箱海水抽水蓄能电站的应用不仅可以提高清洁能源的利用效率，同时还可以增加岛礁的生产和生活用地，因此具有一定的前瞻性和必要性。从沉管/沉箱海水抽水蓄能电站所具有的特点考虑，可采用单向贯流式水轮机和双向贯流式水泵水轮机两种型式，这两种机型都具备各自的优势和挑战，因此应根据实际工程的特点和需要等合理选择。

[1]柴建峰，侯平利．可与海洋核动力平台配套的海水抽水蓄能电站[J]．山西建筑，2017，43（2）232-233．CHAI Jianfeng，HOU Pingli．Brief Analysis on Marine Nuclear Power Platform and Seat Water Pumped Storage Station[J]．SHANXI Architecture，2017，43（2）232-233．

[2]F．朗佩里耶．潮汐电站的开发潜力及前景[J]．水利水电快报，2010，（10）：15-21．F．Langpeiliye．Development potential and prospect of tidal power station[J]．Express water resources & hydropower information，2010，（10）：15-21．

[3]刘全慧．贯流式水轮机的应用与技术发展[J]．科技创新与应用，2012， 9： 113-113．LIU Quanhui．Application and technology development of flow turbine [J]．Technology innovation and application，2012， 9：113-113．

[4]戴庆忠．潮汐发电的发展和潮汐电站用水轮发电机组[J]．东方电气评论，2007， 21（4）：14-24．DAI Qinzhong．Tidal power development and tidal power station water wheel generator set[J]．Dongfang Electric Review，2007， 21（4）：14-24．

2017-08-20

2017-09-20

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

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

李明阳（1985—），男，本科，工程师，主要研究方向：水利水电工程管理。E-mail： 232320860@qq．com

New Sea Water Pumped Storage Power Station and Bulb Tubular Turbine Type Research

XIAO Wei， CHAI Jianfeng，LI Mingyang
（Technology Center，State Grid Xinyuan Company Ltd. Beijing 100161，China）

Islands in the middle of the south China sea in China，mostly composed of coral reef island， reef， beach， sand and cascade， low elevation， the lack of building natural landform condition of conventional water pumped storage power station，discusses through immersed tube/the caisson to form a closed reservoir， as a pumped-storage power station under the library，used to regulate the water to the wind power， photovoltaic power generation system is a form of pumped storage power station. At the same time of the plant can use two kinds of bulb tubular turbine model discusses the advantages and challenges.

seat water pumped storage power station； immersed tube/the caisson； bulb tubular turbine； one-way light bulb tubular turbine； two-way bulb tubular turbine

TV213

A学科代码：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．006