luda 摘要：
海水抽水蓄能电站利用海水作为介质,不需要专门修筑下水库,可以降低工程费用与运行成本,在沿海地区具有广阔的发展前景。海洋环境与河流、湖泊相比更加复杂,电站运行时下水库尾水口将直接面对台风、潮汐、波浪等海洋水动力环境,容易引起取、排水安全问题。为此,在总结淡水抽水蓄能电站下水库构筑物设计中所关注的主要水力学问题和关键布置影响要素的基础上,针对海水抽水蓄能电站下水库尾水口的特殊海洋环境特征,为保证机组功能正常运行,提出了下水库尾水围护构筑物重要布置原则及较为实用的围护结构形式,以期为我国海水抽水蓄能电站的设计和建设提供借鉴和帮助。
关键词：
海水抽水蓄能电站; 下水库; 进/出水口; 水力特性; 围护结构;
作者简介：
刘彦(1983—),男,高级工程师,博士,研究方向为波浪对建筑物的作用、温排水等。E-mail:liuyanwxwah@163.com;
*郭建设(1977—),男,高级工程师,学士,主要从事水利水电工程建筑设计工作。E-mail:guo.js@gpdiwe.com;
基金：
国家重点研发计划“海水抽水蓄能电站前瞻技术研究”(2017YFB0903700);
引用：
0 引言
抽水蓄能技术属于物理储能方式,用电低峰时,利用电力负荷低谷时的电能将下库存水抽送到上库;高峰时,上库蓄水流入下库,驱动发电机生成电能。抽水蓄能快速灵活地响应电网波动,保持电网稳定,是一种有效的储能工具,成为应用最广泛的储能形式。20世纪60年代,淡水抽水蓄能电站建设进入发展高峰期,美国与西欧发达国家储能机组容量约占世界抽水蓄能总装机容量的55%以上。20世纪90年代末,我国兴建了广州、十三陵等大型抽水蓄能电站。2020年全国抽水蓄能电站装机容量将占全国总装机容量的4.4%。海水抽水蓄能电站是一种新型抽水蓄能电站,以海水为介质,建在大型火、核电厂等电源点附近配合运行,可降低输电成本、提高清洁能源占比。以往国内外学者对该类型电站进行了系统性研究,但由于海洋环境的特殊性,存在大量问题丞待解决。1999年,日本在冲绳建造了世界上第一座海水抽水蓄能试验电站。近年来,印度尼西亚、爱尔兰、苏格兰、葡萄牙、希腊、智利等临海国也都开展了电站建设的前期可行性研究与初步站址比选工作。我国海水抽水蓄能资源储量丰富,主要分布于辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、海南和广西8省,共238个资源站点,总量为42083 MW,装机规模和分布水头如表1所列。
表1 我国海水抽水蓄能资源装机规模和分布水头
目前,我国的能源结构转变在加速发展,响应速度快、调节范围宽、稳定性更好的新型抽水蓄能电站不断涌现。淡水抽水蓄能电站易受地理位置制约,作为一个海洋资源丰富的国家,应着眼未来,关注海水抽水蓄能技术的研究。海洋环境与河流、湖泊相比更加复杂,电站运行时下水库尾水口将直接面对台风、潮汐、波浪等海洋水动力环境,容易引起取、排水安全问题。为此,可在下库设置人工防浪堤来削弱波浪、潮流的影响,降低下水库水位波动;通过改进导流、消能设施优化围护结构,实现良好的水流流态。尾水围护结构除防波、过流外,还应具有防大型海生物、防沙的功能,设计时应分别考虑进、出水流双向水力学特征,以获得即实用又经济的围护结构形式。本文针对海水抽水蓄能电站下库尾水口的特殊海洋环境特征,为保证机组功能正常运行,通过前期大量调研,并参考以往工程经验,经分析提炼出下库尾水围护构筑物重要布置原则及较为实用的围护结构形式,以期为我国海水抽水蓄能电站的开发和建设提供借鉴和帮助。
1 抽水蓄能电站下库构筑物及水力学影响因素
1.1 电站下库构筑物
下库构筑物包括:输水管道、渐变段、检修闸门塔、进/出水口、前池、尾水明渠、挡水建筑物等。根据结构布置形式,进/出水口分为竖井式和侧式两种,其中侧式进/出水口水流沿水平方向,水流稳定,被广泛用于下水库工程(见图1)。进/出水口扩散段末端连接拦污栅,为防止抽水时产生吸气漩涡,工程上还增加了防涡梁等措施。尾水明渠与挡水建筑物的设计应满足电站正常工作状态下的最大抽水发电流量,并保证前池内有足够淹没水深。
图1 侧式进/出水口体型
1.2 电站下库构筑物设计关键水力学影响因素
抽水蓄能电站分为抽水和发电两种运行工况,进/出水口合二为一,具有双向水流运动特点,下库构筑物涉及的水力学因素主要包括以下几方面。
1.2.1 环 流
抽水时,水流向进/出水口汇集过程中,容易产生环流区;发电排水时,受下库地形影响,可能会产生较大环流流速,带动泥沙输移,导致库底淤积及沿岸冲刷失稳。国内外一些学者对环流形成问题进行了研究。姜成海等试验研究发现仙居抽水蓄能电站抽水时,其明渠内仅存在表层弱环流区,未对内部水流产生明显不利影响。
1.2.2 漩 涡
进/出水口受体型和周边几何形状影响,容易产生有害吸气漩涡,会降低电站进流能力,造成建筑物噪声、振动和气蚀等危害。各级水位和流量条件下,入水流速与前缘行进流态,也是漩涡形成的重要条件。为扩大库容蓄能,下库死水位设定较低,进/出水口淹没深度有可能小于临界淹没水深,也容易产生漩涡。张从联[9]9]等通过分析国内抽水蓄能电站的设计和模型试验成果,提出改善库区内流态和防止漩涡的各项措施。
1.2.3 流速分布与流量分配
水流进、出时,流速和流量分配不均,容易引起拦污栅的振动破坏。因此,为使水流均匀稳定,扩散段内一般布置成三或四孔道结构。已有的研究成果多围绕扩散段的体型设计展开叙述。孙双科等[10]10]以张河湾抽水蓄能电站为例,借助水工模型试验研究了扩散段体型对出流流速的影响,提出改善拦污栅断面流速分布的工程措施。熊保锋[11]11]应用三维水力学数值模拟方法,解决了拦污栅断面流速不均匀系数和各流道流量分配系数不满足要求的难题。
1.2.4 水头损失
水头损失主要是指进/出水口的局部阻力损失,其大小是衡量进/出水口水力设计和水流条件优劣的重要指标。水头损失主要影响参数有顶板扩散角、扩散度、来流条件及淹没深度等。分流墩起始处过水断面较大,水头损失增加明显,其头部形状与起始位置,以及各通道的流量分配均匀程度也是影响水头损失的重要因素。
2 海水抽水蓄能电站下库尾水围护布置
淡水抽水蓄能电站需专门修建下水库,投资成本高,并且对生态环境造成破坏。海水抽水蓄能电站主要特点是直接利用海洋作下水库,水位变幅小,水源充足,减少水库建设及运行成本。由于海洋的特殊性,下库尾水围护布置受海洋环境水动力影响显著。潮汐涨落对取水安全的影响、高海浪对电站稳定发电运行的限制等都是围护结构设计中面临的问题和难点。
2.1 我国海洋水文动力环境
潮汐是海洋及近海地区一种水位周期性涨落现象。近岸潮流受到岸线的约束,以往复流为主,基本上沿等深线作往复运动,因此只给出典型强潮、中潮、弱潮的涨潮平面流场如图2所示。从同一海域潮流的动力过程来看,强潮、中潮、弱潮的潮流水动力因素依次明显减弱,流速显著减小。一般来说,涨、落潮流速具有不对称性,落潮流速总体上强于涨潮流速。三种潮流的涨、落潮流场流向略有差异,但总体运动趋势相似。潮差是一个重要的统计量,平均潮差H反映潮汐的强弱程度。当H<2.0 m时为弱潮海区;2.0 m≤H<4.0 m为中潮海区;H>4.0 m为强潮海区。依据我国东部沿海均匀分布的21个验潮站的逐时潮位资料,可知渤海基本属于弱潮海区;黄海大部分为中潮海区;东海分为中潮区与强潮区;南海大部分海域均在2.0 m以上,由北往南沿海海域的潮差呈逐渐增大趋势[12]12]。潮汐周期性波动引起水体的往复运动,在海峡和岛屿间形成较强的潮流,舟山群岛的水道是我国潮流最大的海域,可达4.0 m/s,其余海域只有0.5～1.5 m/s。
图2 典型涨潮平面流场
波浪是重要的海洋动力因素之一。我国东海近岸波高等值线与岸线形状基本保持一致,最大平均有效波高在冬季,渤海大部分不足1.0 m,黄海在1.1～1.4 m,东海部分海域超过2.0 m;波浪平均周期也相应增大,分别为3.5～4.5 s,5.0～5.5 s和5.5～6.5 s。南海最大有效波高达到2.6 m,大部分海域的有效波高都在1.5 m以上。
海流是海洋中海水大规模相对稳定的流动。渤海、黄海的海流主要受海面风影响,规律复杂,流速仅0.10～0.25 m/s;南海暖流常年由西南流向东北,流速可达1.0 m/s。
2.2 电站选址及下库围护构筑物平面布置考虑因素
电站选址,除具有适宜建造上水库的区域与可利用的水头高度外,需重点关注下水库的地形及海洋动力条件。下库海洋环境复杂多变,机组运行过程中将面临潮汐、波浪、海流以及极端恶劣天气(台风、风暴潮)等影响。对于平顺的海岸线和缓坡地形,各潮型潮流的流向都相对均匀,在遇到下库构筑物后,由于其阻挡作用,动力因素较强的潮型产生的流场更加紊乱,流速、流向变化十分复杂。涨潮流和落潮流很容易将垃圾、冰等漂浮物及海生物带至取水口并造成拥堵,威胁取排水安全。强潮与弱潮的转换,会产生大潮差,从而改变机组有效电力输出。大波浪的波动可降低进/出水口前的有效水深,增大海水抽入和排出的不稳定性,严重影响蓄能系统的发电出力。波浪引起的沿岸流是近岸水域主要动力之一,沿岸流引起的沿岸输沙是海岸带重要的泥沙搬运形式。取水口处需关注波浪破碎产生的沿岸流和海流的输运效果,避免泥沙淤积和漂浮物、海生物堆积,引起掩埋尾水口、阻塞尾水保护网等事故。从电站安全稳定运行与环境保护层面讲,下库尾水围护结构在满足过水流量及取水安全基础上,如何削弱波浪影响,同时兼顾防沙、防漂浮物及海生物等要求,是电站建设需要考虑的关键技术问题。
2.3 下库尾水围护构筑物布置原则
下库尾水围护构筑物的主要功能是过流、防浪、防大型海洋生物、防泥沙等,与此同时应尽量避免抽水对周边海洋生物的卷吸损伤。日本冲绳海水抽水蓄能电站下库进/出水口直通海洋,尾水口前通过设置围栏状透过型消波堤坝,表层堆积大量消能块体来进行防护(见图3)。参考下库围护构筑物平面布置考虑因素和类似工程经验以及相关规程、规范,初步提出海水抽水蓄能电站下库尾水围护构筑物设计基本原则如下:
(1)围护主体段(进、出水流段)应满足电站进/出水过流(流量),将波浪波动幅度控制在安全范围内,选择结构简单、消波效果好、水头损失小、不宜堵塞、便于维护、经济实用的防护结构形式。
(2)围护结构内部应与外海地形自然平顺衔接,并使其主体段走向与前缘海流主流向尽量保持一致,避免正对漂浮物(海洋生物,垃圾等)运移轨迹的主轴线,布设能够高效拦截的防护装置,以满足取水工况时防沙、防漂浮物和海生物等要求。
(3)宜采用规则几何形状的布局方式,避免或尽量减少外海波浪在围护结构周缘形成波能集中区;避开波浪破碎带,尤其是砂质海岸,防止底砂进入;保证围护区内具有足够稳定水深,满足取水安全要求;布设适当的导流、消能等辅助设施,以实现进、出水流均匀、平顺,流态稳定。
图3 日本冲绳海水抽水蓄能电站进/出水口防护设施
2.4 下库尾水围护结构布置形式
取排水方案优选是近岸海域火、核电厂取排水工程中需关注的关键技术问题。通过管道排放到海洋水体表层以下为淹没排放,其对海域潮流和泥沙冲淤影响小,但施工难度大,成本高。排水口以明渠形式排放到海水自由表面属于表层排放,投资低,水头损失小,运行维护方便,适用于近岸水深相对较浅的海域。对于近岸地形较陡、水深较大的海域,一般可采用水体底层取水戽头的取水方式,取水头部与泵房通过引水隧洞相连接。此方式可通过取水头部及引水管道的阻力作用消除外海波浪影响,无需另设消波措施;缺点是水头损失较大,会降低电站运行效率,不适用于海水抽水蓄能电站。对于水深较浅、潮间带较宽的近岸海域,可采用明渠取水方式,其两侧的导流堤同时也是防波堤,可起到抵御外海波浪、降低明渠内波高的作用。为了有效减少外海波浪对内部水体的影响,可在入口段设置弧形防波堤或改变入口方向等措施,避免或削弱外海波浪通过口门直接传入明渠内部。近岸明渠取水在明渠内设置多道拦污网,以便拦截漂浮物和海生物。考虑到海水抽水蓄能电站下库尾水区双向水流运动特性,采用明渠取、排水最为合理可行。
依据电站工程建设条件和功能设计要求,针对关键技术问题研究,拟定下库尾水围护结构形式的设计思路如下:
(1)潮流经过围护结构时,其内部与进/出水口通道应保持水流平顺、均匀,尽量避免外海侧产生死水区或回流区,以保证取水安全。
(2)大波浪将影响电站机组的发电出力和运行效率,考虑如何减小强浪(常浪向海浪)对下水库直接冲击,降低冲刷破坏风险,确保电站安全运行。
(3)下库应具有适宜的范围、形状,形成全包围状围护,在满足防沙、防漂浮物和海生物保护需求的基础上考虑工程经济性。
近岸海域潮流多为顺岸往复流,围护结构形式适合采用规则的折线形或弧形,不宜过分复杂。参照上述设计理念,本文提出“梯形”和“圆弧形”两种下库尾水围护布置形式(见图4)。图4(a)中,进/出水口外围护结构形状设计为“梯形”与外海衔接,透水段与进、出水主流向垂直相交,两侧为不透水海堤(上游挡水段与下游挡水段),整体布局沿进/出水口中轴线对称分布。如图4(b)所示,圆弧形围护结构设计理念与梯形相似,仅将透水段与挡水段的几何形状代替成圆弧,其圆心位于进/出水口中轴线岸线侧延长线上。为实现过流能力条件与波高安全要求,将“透水段”制成下部透空或开孔过流、上部实体挡浪的结构型式。通过调整透水段宽度B和开孔面积的大小来满足电站正常稳定运行的取、排水流量要求;并根据导流、消能设施的布置需求设置离岸长度L,来保证进、出水流均匀、平顺及流态稳定。岸线附近围护区内、外水域的水力特性与夹角α密切相关,在获得较好进、出水流流态的同时,为防止波能在海堤夹角处聚集,可根据实际地形和海洋动力条件,适当增大或减小α值(α多为锐角)。
图4 海水抽水蓄能电站下库围护形式示意
梯形结构上游挡水段对海流具有一定的挑流作用,使得透水段上游半段水流贴合性受一定影响;而圆弧形挡水段因自身的弧形结构,水流经过时产生类似于圆柱绕流流动模式,整个透水段前呈现良好的贴流流态。电站在不同运行工况下的流态具有差异性,抽水对围护结构前缘海流具有一定“汇聚”作用,透水段外侧水流流线会更加紧贴流动;排水则对海流具有“推挤”作用,在围护结构的挑流作用与排水出流联合作用下,海流在透水堤前缘水域容易向下游外侧偏转。据此,为保证透水段进、出流均匀、平顺,可在围护区内、外合理布局适当型式的导流、消能设施。围护区内进/出水口前最小淹没水深(抽水工况)的确定需考虑波浪的波动作用,即关注浪涌对进/出水口的淹没和冲击,可参考以下形式确定。
波浪作用下最小淹没水深如下
式中,S静水为无波浪作用下取水口最小淹没水深;S海水为不出现吸气漩涡的最小淹没水深;D为孔口高度;V为流速进行确定;h为有效波高,其设计限值可参考相关规范、工程经验选定;C为参数,进水口设计良好和水流对称时C取0.55,边界复杂和为侧向水流时C取0.73。
如图5所示,进/出水口的底高程应根据孔口高度D和最小淹没水深值S海水进行设计,但在海洋下库中需考虑潮差所引起的水位(潮水位)变动对自由水面的影响,即在满足取水安全的前提下,确定图5中自由水面的最小高程。
图5 进水口淹没深度示意
3 结论与展望
通过对海水抽水蓄能电站下库尾水区海洋水动力环境、主要构筑物等调研,并结合相关工程与试验经验,分析得出:
(1)电站运行时下库尾水区受潮差和波浪的影响显著,一方面大潮差可直接导致机组有效电力输出变化,水力机械受到影响;另一方面波浪及海流可能引起泥沙或漂浮物堆积,掩埋尾水口、阻塞拦污网等。
(2)尾水防护区重要布置原则包括,应满足电站过流(流量)、消波要求,保障进、出水流流态稳定及取水安全;透水段的走向与外侧海流主向尽量保持同向,以适应取水工况时防沙、防漂浮物和海生物等要求;避免外海波浪在围护结构周缘形成波能集中区,防止其被水流冲刷破坏。
(3)参照海洋环境抽水蓄能电站下库尾水防护系统特点,从实用性和经济性角度出发,提出“梯形”和“圆弧形”两种围护结构形式设计理念,在辅助一定的导流、消能设施后均可满足电站抽水、排水等需求。
海水抽水蓄能电站是常规淡水抽水蓄能电站开发建设的延伸,国内基本尚未开展该类工程项目的实质性研发工作,各环节研究进度相对滞后。今后,可针对我国海水抽水蓄能站点资源,结合具体地形特征、工程建设条件,借助物理模型或数值模拟方法,进一步对电站下库尾水构筑物的设计等关键工程技术问题,进行探索与优化验证。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。