海中液压蓄能发电装置设计开题报告

（1）利用图书馆的公共资源，到知网等网站查阅相关资料。

（2）根据相关的参考书进行参数计算。

（3）使用SolidWorks进行三维造型设计，使用AutoCAD绘制结构装配图与主要零件图。

四、设计工作进度

课题研究工作进度如下表2所示：

表2工作进度表

五、主要参考文献：

[1]张娜 董化宏 何学铭 我国抽水蓄能电站建设必要性和前景 中国三峡 2016： 9-20

[2]晏志勇，翟国寿. 我国抽水蓄能电站发展历程及前景展望[J]. 水力发电，2004，30（12）：73－76．

[3]张滇生.抽水蓄能在南方电网中的作用研究[J].水力发电，2010(9)：1-3.

[4]罗莎莎，刘云,刘国中，聂金峰 国外抽水蓄能电站发展概况及相关启示 中外能源 2013:5-6

[5]程路，白建华 新时期中国抽水蓄能电站发展定位及前景展望 中国电力2013: 14-16

[6]林焕森 国外大型抽水蓄能电站 华东电力 1989:1-2

[7]白宏坤,李千生 蓄能电站的多种形式 能源研究与利用 1999:1-2

[8] 李国栋，何永秀，于忠政 丰宁抽水蓄能电站周调节性能在京津唐电网中的作用 中国会议 2005

[9]崔继纯,刘殿海,梁维列,谢枫,陈宏宇 抽水蓄能电站经济环保效益分析 中国电力 2007:23-24

[10]张文泉 何永秀 海水抽水蓄能发电技术 中国电力 1998（11）:1-2

[11]白宏坤,李千生 蓄能电站的多种形式 能源研究与利用 1999:1-2

[12] KANEDA Takeshi, YONEYAMA Naoto. Sea-water pumped-storage power station: JP 1991089819[P]. 1991-04-15.

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

[14] 孟祥科. 冲绳海水抽水蓄能电站[J]. 山东电力技术, 1999, 106(2): 77-79.

[15] 关存良. 海水抽水蓄能技术及其展望[J]. 水利水电技术, 2002, 33(1): 71-73.

[16] FUJIHARA T, IMANO H, OSHIMA K. Development of pump turbine for seawater pumped storage power plant[J]. Hitachi Review, 1998, 47(5): 199-202.

[17]赵旺初 抽水蓄能电站的一些技术问题的探讨 发电设备 1996

[18]Margheritini L, Vicinanza D, Frigaard P.SSG wave energy converter: Design, reliability and hydraulic performance of an innovative overtopping device[J].Renewable Energy, 2009,34:1371-1380.

[19]陈永华，李思忍. 有效吸收和传递波浪能的锚泊系统的设计制作. 海洋科学，2012，36（4）：95-98。

[20]周学志,徐玉杰，陈海生 海水抽水蓄能技术发展现状及应用前景 储能科学与技术2017（6）：2

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1.1、研究背景

根据现今科技发展状况，今后相当长时间内的电力建设仍将以煤火电为主，风电、核电、太阳能发电为辅。火电机组调峰方式主要是常规的出力调峰方式和非常规的开停机调峰方式，满足不了系统负荷急剧变化的要求，易发生设备事故，对电网的安全运行有一定影响，而且调峰运行时发电煤耗上升、厂用电率高、设备损耗加大、检修费用增加，发电成本高^[1]。而新能源中核电站主要依靠频繁的启停机来应对用电高峰和低谷，对发电机组的寿命和安全造成极大影响，还会导致核原料使用效率降低增加核废料的产生。而太阳能无法应对日落以后出现的用电高峰，风力和潮汐发电更是极不稳定导致电力需求和供应无法实时匹配。所以迫切需要电力系统具备更灵活的调峰、调频、调相和事故备用能力， 以保证电力系统的安全稳定运行。抽水蓄能电站具备调峰填谷、调频、事故备用、调压（调相）等多种功能，在系统中发挥着重要的作用，可配合风电、核电等电源并网运行，亦可作为受端负荷中心的支撑电源^[2]。

图1抽水蓄能电站原理图

世界上第一座抽水蓄能电站于1882年在瑞士苏黎士建成（原理如图1），但直到20世纪50年代，抽水蓄能的发展仍然十分缓慢，主要集中在西欧少数国家。从20世纪50年代开始，抽水蓄能电站的发展进入起步阶段，年均新增装机容量约30×104kW，至1960年，抽水蓄能装机容量达到350×104kW，约占总装机容量的0.62%。20世纪60年代以后，抽水蓄能电站得到了快速发展，至1990年装机容量达到8300×104kW，占总装机容量的3.15%，30年内装机容量增长近23倍，占总装机容量的比例增长了4倍。2010年，全球抽水蓄能装机容量约13500×104kW，继续保持较快增长。据中国储能研究院预测，2015 年全球抽水蓄能装机容量将达到18800×104kW^[3]。作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷、优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相和黑启动等 动态功能，从而起到提高供电质量、保障供电安全、减少停电时间、降低环境污染等作用^[4]。建设合理规模的抽水蓄能电站，是解决电网调峰问题、保障电网运行安全、促进各类电源经济运行的重要手段。

截至2012年年底，我国已建抽水蓄能电站26座，装机容量2034.5万kW，全国在建抽水蓄能电站8座，装机容量924万 kW，如表1所示。各区域电网均有一定规模的已建和在建抽水蓄能电站，这些电站主要在中东部负荷中心地区。近年来，中国抽水蓄能装机有了较快的增长，总规模由2008年的1069.5万kW增加到2012年的2034.5万kW，占电力系统装机的比重由1.3％提高到1.8％^[5]。

英国的狄诺维克地下式抽水蓄能电站（图2），总共装备6台可逆机组，单机容量300MW在1984年全部投运。每台机组容量是360MVA、电压400/l8kV的主变压器组成单元接线接入网。可以预料，在今后40一80年内，狄诺维克电站—西欧装机容量最大的抽水蓄能电站(1800MW)在英国(包括英格兰和威尔士)电力系统中对每天的负荷曲线都能保证起到削峰填谷的作用。在水轮机(发电机)工况下,如果净水头是536.8m，该电站每台机组可发功率317MW，效率是92.5%；在水泵(电动机)工况下，如果扬程是523m，单机最大消耗功率是318MW，这时的流量是50m/s，效率是91.7%。在上述两种工况下机组的转动方向相反，但转速相同，都是相同的500r/min。该电站机组在力系统里交流频率的允许偏差范围是49～51Hz^[6]，狄诺维克地下式建坝壅高马奇林湖水位做上水库，正常蓄水位633m，死水位600m。另建坝雍高佩里斯湖水位作为下水库，正常蓄水位106m，死水位92m，上下水库各有调节库容670万m³，进行日循环运用，抽水6.5h，蓄满上水库，可供发电5h，两湖之间距离3.2km，利用水头494~541m。上水库建堆石坝，最大坝高68 m，上游用沥青混凝土护面。下水库筑土石坝，最大坝高35m^[7]。当系统中2台660MW大型火电机组同时发生事故时，可在10s内投入1320MW备用容量，减少停电带来的损失。

图3丰宁抽水蓄能电站

2013年5月装机容量360万KW的丰宁抽水蓄能电站（图3）正式破土开工建设。建成后将超越美国巴斯康蒂电站，成为全球最大的抽水蓄能电站，并为2020年的北京冬奥会提供电力保障。并且丰宁抽水蓄能电站将发挥巨大的经济、社会和环境效益。将有力支撑“外电入冀”战略实施，破解“三北”地区弃风、弃光困局，更好地消纳跨区清洁能源。预计2020年“三北”风电将超过1.6亿千瓦、光伏发电4000万千瓦，需要外送1亿千瓦以上。在电网稳定性方面，抽水蓄能机组启停便捷、反应迅速，是技术成熟、经济合理的系统备用电源，对稳定系统频率、提供事故支援、提高电力系统稳定性具有重要作用^[8]。以180万千瓦规模的抽水蓄能为例，可以在5分钟内由满负荷抽水转变为满负荷发电，提供360万千瓦的事故支援能力。同时，抽蓄电站具有良好调节性能，可以有效提高系统调峰能力，满足河北风电快速增长所增加的部分调峰需求，保障本地新能源的就近高效消纳，为当地大规模发展新能源提供有利条件，可大大促进节能减排和大气污染防治。每年可节约原煤消耗48万吨，减排二氧化碳114万吨^[9]。

利用江河湖泊的一般抽水蓄能电站，常常会受到自然环境、气候条件、地形地貌等客观条件的限制，而且常规的淡水抽水蓄能电站多建于山区丘陵地带，难免会对动植物保护和森林生态等产生不可估量的负面影响^[10]。 所有这些无疑增加了抽水蓄能电站厂址选择的难度和工程造价。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，不用淡水或少用淡水，以及水源循环利用的新型抽水蓄能发电技术的研究开发日益引起人们的密切关注和高度重视^[11]。为了扩大抽水蓄能技术的选址范围，海中蓄能，是一种全新的思路

1991年，日本的 KANEDA 等^[12]在专利中提出了利用海水抽水蓄能电站，1999 年世界上第一座也是目前唯一一座海水抽水蓄能示范性电站—日本冲绳海水抽水蓄能电站投入运行^[13-15]，该电站最大输出功率为 30 MW，有效水头为136m，最大流量为26 m3/s，其高位水库建在距离海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水库直接利用大海。FUJIHARA 等^[15]对日本冲绳海水抽水蓄能系统中水泵水轮机的设计，材料的选取以及防腐蚀和防微生物附着等技术问题的解决方法进行了介绍和实验验证。日本冲绳海水抽水蓄能电站通过 5年的试运行证实了海水抽水蓄能系统的可靠性、经济性和调峰调频的可能性，同时也对海水抽水蓄能系统在建设运行过程中出现的问题进行了研究并给出了解决方案^[16]，为之后建设大容量、高水头的海水抽水蓄能电站奠定了技术实践基础。

1.3、选题意义

通过对国内外研究动态的比较，发现国内外的抽水蓄能电站虽然规模大小不一，但其建造方式基本一致。都是通过双水库进行电力存储（图3）^[17]。但这种建造方式对选址的要求极高，山水缺一不可。而由于适合修建抽水蓄能电站的地点大多为山区丘陵地带，这类选址往往又不适合建造风力和太阳能等可再生能源电厂^[18]。这意味着，由于其间歇性而最需要储电能力的风力和太阳能电厂无法使用“水力”电池提高其发电的持续性^[19]。该课题将大海作为下水库，降低了抽水蓄能电站对环境的要求^[20]。

二、课题的研究内容，拟解决的主要问题

1.本课题的研究内容

课题的设计思路是使用水轮发电机，当电网在谷期时（夜晚等用电量低的时段）水轮机反转作水泵将水泵到上位水库将电能化为水的势能存储，在用电高峰期打开阀门使水涌入通道带动水轮机发电为电网提供电力，设计预期发电主体可以最高连续发电4小时,每个都可以存储20兆瓦时的电力。

具体研究内容如下：

（1）蓄能发电装置设计

不同于传统的海水蓄能电站，本课题拟通过对发电主体的结构设计使得水轮发电机、水泵与下水池合为一整个发电主体。该发电主体将会被放置在海床上用来创造蓄能电站必备的高度差地势条件，为进一步降低环境要求，采用多个发电主体并联在一起为电网进行供电。

（2）液压部分设计

液压部分即为海水涌入通道带动水轮机发电部分。这一部分包括管道的设计（与发电主体之间的连接）和水轮机的设计。管道的设计主要是海水与发电主体之间的连接部分，水轮机的设计，考虑到设计电量与水量的影响，需选择设计合适的叶片形状与传动轴的形式，以及封装水轮机和发电机的罩体的大小形状等。

2.拟解决的主要问题

（1）蓄能发电主体的主体结构设计

课题涉及的发电主体将会被放置在海床上用来创造蓄能电站必备的高度差地势条件，为进一步降低环境要求，采用多个发电主体并联在一起为电网进行供电，合理的主体排布方式能有效的提高供电效率，降低装置的故障率，因此发电主体的个数和排列方式是设计的关键问题。

（2）水轮机的叶片设计

     在液压部分当中，水轮机叶片的转动是实现电能与水的势能互相转换的关键。再加上课题中预设水轮机的工作环境是海床，长时间处于巨大的压力和海水的腐蚀之下，故毫无疑问叶片的设计将成为本课题的重点和难点。

三、设计步骤、方法及措施

1、课题的研究步骤如下表1所示

表1设计步骤表

2、设计方法

（1）查阅收集资料，主要查阅相关收集装置的期刊、论文等。

（2）按照收集装置的设计要求，进行方案设计，设计计算，以及根据需要进行零部件的选型设计与计算，确定具体结构尺寸。

（3）进行三维建模装配，确定最终结构，检验装置的合理性和可行性。