海岛抽水蓄能电站枢纽布置研究——以大万山岛为例

吴秋芳,林文婧,陈志伟,郭建设

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 概述

海水抽水蓄能电站以海洋作为下水库，在地理位置和地形合理的海岸(岛)山地上修建上水库。相比常规陆地淡水抽水蓄能，海水抽水蓄能电站具有不需建设下水库、可以修建在火电、核电、海上风电等基荷电源附近，也可以建设在淡水资源缺乏、常规抽蓄电站建设条件较差的沿海地区和小岛上等优势[1-2]。

在海水抽水蓄能规划、设计及集成应用关键技术方面,国际上1999年日本在冲绳建成世界第一座海水抽水蓄能电站，希腊等国正在开展规划。我国已在2014年完成沿海地区蓄能资源开发潜力评价，但仍未形成一套针对海水抽水蓄能站点的选址及设计方法。目前，我国正组织开展相关前瞻技术研究。

海水抽水蓄能电站分为海岸抽水蓄能电站及海岛抽水蓄能电站。其中，考虑海岛供电电源相对单一、供电可靠性较差，海岛抽水蓄能电站若与风能、太阳能、海洋能等组成联合发电系统，充分发挥其在系统中的调频、调相作用[3]，解决可再生能源发电的不稳定性问题，实现可再生能源的规模开发利用，故海岛抽水蓄能电站对推动国家的海洋发展战略具有尤为重要的意义。

本文以大万山岛为代表性站址，研究海岛抽水蓄能电站的枢纽布置。

2 站址概况

2.1 地理位置

大万山岛站址位于广东省珠海市万山区万山群岛的万山镇。大万山岛距珠海市直线距离约48 km，西北距澳门35 km，东北距香港59 km(见图1所示)，工程建设所需的外来物资和机电设备需通过海运上岛。

图1 大万山岛地理位置示意

2.2 地形地质条件

大万山岛近似葫芦形，南北长为3.35 km，东西宽为2.45～3.88 km，为丘陵海岛地貌；地势中间高，四周低，最高的大万山顶海拔为432.5 m。岛岸曲折陡峻，多为岩石陡岸。全岛由燕山三期花岗岩(γ52(3))组成。

上库选址岛东北部山脊较平缓处，花岗岩，岩体较完整，预计库内、外边坡总体稳定性较好，无大的边坡稳定问题。输水发电系统围岩为中细粒花岗岩，岩石坚硬，输水发电系统的工程地质条件较好。总体站址水库和输水发电系统工程地质条件较好，具备建设海水抽水蓄能电站的条件。

2.3 主要技术参数

大万山岛站址上水库为已有推船湾水库，下库进出水口初选上水库东北面海湾(见图2)，输水发电系统总体呈西南—东北走向，水平距离约为650 m，距高比为6.2。岛内无天然砂砾料，需从大陆买进或采用库、洞开挖的弱风化～新鲜花岗岩石料人工轧制。

图2 大万山岛站址工程平面示意

考虑珠海市城市总体规划、万山区海岛建设发展情况以及目前电网约束条件，根据初步动能计算并结合站址地形地质条件，拟定电站调节时间为8h，装机容量为20 MW(2台10 MW)；电站上库正常蓄水位为124.2 m，死水位为98.0 m，调节库容为60万m3，平均毛水头为116.5 m；电站最小水头最大流量为12.3 m3/s，最小扬程最大流量为9.7 m3/s。

3 枢纽布置方案

抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上下水库、输水系统、电站厂房等组成，借鉴常规陆地淡水抽水蓄能的设计经验，海岛地形限制上库位置一般唯一，下库利用在海边建立围护结构形成，所以枢纽布置比较只是针对输水系统地面明管还是地下隧道方案及电站厂房是地面还是地下进行。考虑海水环境、海洋边界带来的特殊性，如海水的高腐蚀性以及海洋微生物的附着、海岛生态环境脆弱、施工条件受限、海岛环境带来的台风及盐雾问题等，提出了3个代表性的枢纽布置方案，其中方案1为输水隧洞+地下厂房方案，方案2为地面明管+地面厂房方案，方案3为地面明管+地下厂房方案。

3.1 方案1(隧洞+地下厂房方案)

枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、地下厂房洞室群、尾水围护结构等组成。根据地形地质条件，上水库利用天然库盆筑坝成库，在上水库与外海之间布置1洞2机、首部式地下厂房的枢纽布置方案。图3是方案1枢纽布置示意，图4是输水发电系统纵剖面示意。

图3 方案一枢纽布置示意(隧洞+地下厂房)

图4 输水发电系统纵剖面示意(隧洞+地下厂房)

1)上水库

上水库拟在现坝址位置重建挡水大坝，初拟为重力坝，最大坝高约35 m，坝长约145 m。结合地形地质条件，为避免海水渗漏对海岛生态环境的干扰，上水库拟采用全库盆防渗，并在库盆底部设置集水廊道，用于收集库盆渗漏水。

2)输水系统

输水系统布置于NE向冲沟中，主要包括上库进/出水口、引水隧洞、岔管、引水支管、尾水支管、尾水隧洞、下库进/出水口等建筑物。输水系统采用1管2机的供水方式，设尾水调压室，总长为800 m。为避免海水外渗，全系统管道均采用钢板衬砌；此外，为减小海生物附着及海水腐蚀对管道的影响，输水系统设计应考虑检修方便。

上库进/出水口为竖井式进/出水口，不设事故检修闸门井。引水系统总长为360 m，主洞内径为2.3 m；平面上，引水系统直线布置；立面上，考虑斜井及竖井均不方便检修，故尽量将不可检修段的管道长度减少到最短，引水隧洞采用一级竖井+平洞布置，为方便进人检修，平洞纵坡坡度设为1%。引水钢岔管采用Y型岔布置，引水支管管径为1.15 m。尾水系统总长为440 m，主洞内径为2.7 m；平面上，尾水系统直线布置；立面上，尾水隧洞为“龙抬头”布置，考虑方便进人检修，平洞段纵坡设为1%，设尾水调压室。尾水钢岔管采用Y型岔布置，尾水支管管径为2.26 m。下库进/出水口为侧式(岸塔式)进/出水口。

3)地下厂房

地下厂房采用首部式开发方案，上覆岩体厚度为93～103 m，厂房轴线方向为 NW31°。主机间、安装间、副厂房兼主变室布置在同一洞室内，引水钢支管正向进厂，尾水管正向出厂。地下厂房开挖尺寸为72.0 m×16.0 m×29.0 m(长×宽×高)，厂房内布置2 台单机容量为10 MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机—发电电动机组，机组安装高程为-27.0 m，机组间距为12.0 m。地下附属洞室主要有交通洞、电缆兼出线洞等。

4)尾水围护结构

由于下库进/出水口位于海岸，为了减小海上风浪及泥沙对海面取水口的影响并降低取水口抽取海水对周边海洋生物的影响，拟于下库进/出水口海湾附近设尾水围护结构，构建相对封闭又透水的下库进/出水口取用水环境。尾水防护结构初拟采用抛填扭王块至海中堆积形成防浪坝，坝顶宽为3 m，坝顶高程为3.0 m，总长约为150 m。

3.2方案2(明管+地面厂房方案)

主要由上水库、输水系统、地面厂房、尾水围护结构等组成。上水库利用天然库盆筑坝成库，在上水库与外海之间布置引水系统1管2机、尾水系统1管1机、尾部式地面厂房的枢纽布置方案。上水库及尾水围护结构同方案1。图5是方案2枢纽布置示意，图6是输水发电系统纵剖面示意。

图5 方案二枢纽布置示意(明管+地面厂房)

图6 输水发电系统纵剖面示意(明管+地面厂房)

1)输水系统

输水系统主要包括上库进/出水口、压力明钢管、引水支管、尾水压力钢管、下库进/出水口等建筑物。引水系统采用1管2机的供水方式，设地面调压塔；尾水系统采用1管1机的供水方式。为尽量减少挖方，地面厂房尽量靠近尾部，正向进水，正向(垂直厂房轴线)出水。输水系统总长为860 m,水头损失与方案1接近。

上库进/出水口为侧式进水口，穿坝而设，设事故检修闸门井一道，启闭机室位于坝顶。引水系统全长为770 m，主管内径为2.35 m。平面上，引水系统呈折线布置；立面上，从坝后接引水明管，设地面调压塔，调压塔前1管2机布置，管长为460 m；调压塔后采用1管1机，接2条引水明支管，引水支管直径初拟为1.15 m，管长为310 m；沿地面开挖线布置进入厂房。尾水系统总长为90 m，1管1机布置，管内径为2.26 m。平面上，尾水系统直线布置；立面上，尾水系统沿开挖面布置，全段均采用钢管。下库进/出水口为侧式(岸塔式)进水口。

2)地面厂房

地面厂房采用半埋式地下结构，厂房轴线方向为 NE20°。主机间、安装间、副厂房兼主变室并行布置，地面开关站布置在主厂房的左侧。厂房底板开挖至高程为-35.0 m，四周采用混凝土回填至发电机层高程为-19.0 m，并在下游侧设置防浪墙，墙顶高程为6.0 m。厂房尺寸及机组安装高同方案一。

若考虑防盐雾需求，可将地面厂房做成全封闭式的钢筋砼结构，设玻璃幕墙或玻璃顶拱，在保证自然采光的同时又可以做到厂房与空气的隔绝，有利于厂房及机组设备防盐雾。

3.3 方案3(明管+地下厂房方案)

枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、地下厂房、尾水围护结构等组成。根据地形地质条件，上水库利用天然库盆筑坝成库，在上水库与外海之间布置输水系统1管2机、尾部式地下厂房的枢纽布置方案。上水库及尾水围护结构同方案1。图7是方案1枢纽布置示意，图8是输水发电系统纵剖面示意。

图7 方案三枢纽布置示意(明管+地下厂房)

图8 输水发电系统纵剖面示意(明管+地下厂房)

1)输水系统

输水系统主要包括上库进出水口、压力明钢管、引水支管、尾水压力钢管、下库进出水口等建筑物。输水系统采用1管2机的供水方式，设上游调压塔，总长为960 m,水头损失与方案1接近，隧洞均采用钢板衬砌。

上库进/出水口为侧式进水口，穿坝而设，设事故检修闸门井一道，启闭机室位于坝顶。引水系统全长为725 m，主管内径为2.4 m。平面上，引水系统呈折线布置；立面上，从坝后接引水明钢管，设地面调压塔，调压塔前管长为560 m；调压塔底部设一级竖井接平洞进入地下厂房，隧洞长为165 m，主洞内径为为2.4 m；岔管采用Y型岔布置，引水支管内径为1.15 m。尾水系统总长为235 m，主洞内径为2.4 m；平面上，尾水系统直线布置；立面上，尾水隧洞为“龙抬头”布置，考虑方便进人检修，平洞段纵坡设1%，小斜井靠近下库闸门井；岔管采用Y型岔布置，尾水支管内径初拟2.26 m。下库进/出水口为侧式(岸塔式)进水口。

2)地下厂房

地下厂房采用尾部式开发方案，上覆岩体厚度为93～117 m，厂房轴线方向为 NW12°。主机间、安装间、副厂房兼主变室布置在同一洞室内，引水钢支管正向进厂，尾水管正向出厂。地下厂房开挖尺寸为72.0 m×16.0 m×29.0 m(长×宽×高)，厂房内布置2 台单机容量为10 MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机—发电电动机组，机组安装高程为-27.0 m，机组间距为12.0 m。地下附属洞室主要有交通洞、电缆兼出线洞等。

3.4 各方案投资匡算

各方案投资匡算见表1。

表1 各方案投资匡算

4 方案比较及分析

各方案技术经济指标优缺点比较见表2。

表2 各方案技术经济指标优缺点比选

根据方案比选，方案1建筑物及机电设备深埋地下，有利于防腐防盐雾及防风防浪，洞挖料可一定程度上解决海岛天然建材缺乏的问题，但工程检修较不易，工程造价相对较大，施工工期长，通风设备布置困难；方案2不利于防腐防盐雾及防风防浪，需要考虑无组织渗透风，地表开挖大，征地范围大，对海岛陆地生态环境影响较大，且天然建材需大量通过外运解决，但工程检修方便，相对于方案1在工程造价及施工工期上有一定的优势；方案3的优劣介于方案1及方案2之间。

从工程投资、施工工期等技术经济指标来看，在不考虑征地和海岛环保等制约因素的前提下，方案2相对较优，但3个方案的指标差别并不是很大；考虑海岛上对征地、环保的要求较为严格，且可能涉及军事用地及国防安全，方案1最大限度减少了地表开挖，且地下工程的开挖料可解决天然建材不足的问题，从征地、环保角度来说最优，此外在海岛台风、湿盐环境下地下厂房也相对有利，故推荐采用方案1，即隧洞+地下厂房方案。

5 结语

本文以大万山站址为典型站址，结合常规抽水蓄能电站的设计经验并考虑海岛环境的特殊性，提出了3个代表性的枢纽布置方案进行海岛抽水蓄能电站枢纽布置的研究；其中，方案1为隧洞+地下厂房方案，方案2为明管+地面厂房方案，方案3为明管+地下厂房方案。

根据方案比较分析，3种枢纽布置型式技术经济性差异不大，但隧洞+地下厂房布置可以最大限度减少地表开挖，从环保角度最优；洞挖料可以一定程度上解决海岛天然建材不足的问题，降低由于大量天然建材需海运造成的昂贵成本；同时，考虑海岛台风、湿盐的特殊环境，地下厂房布置也最有利。因此，综合考虑海岛脆弱的生态现状、有限的施工条件以及台风盐湿的特殊环境，海岛抽水蓄能电站枢纽布置宜首推隧洞+地下厂房布置方案。

此外，在海岛抽水蓄能电站的枢纽布置设计中，与常规陆地淡水抽水蓄能相比，考虑海水环境、海洋边界带来的特殊性，还应考虑以下问题：

1)由于海水存在高腐蚀性以及海洋微生物的附着问题，输水系统的设计应考虑检修方便，相关的建筑物均应考虑适宜的防腐防污设计；

2)为减小海水渗透对地下水环境的污染问题，输水系统管道应采用钢板等不透水材料衬砌，上水库应进行全库盆防渗并设库盆渗漏收集系统；

3)为减小海上风浪及泥沙对海面取水口的影响并降低取水口抽取海水对周边海洋生物的影响，下库进/出水口海湾附近应设尾水围护结构。