1、抽水蓄能電站電站內(nèi)部培訓教材1抽蓄能電站的作用抽水蓄能電站是水力發(fā)電站的一種特殊形式。它兼具有發(fā)電及蓄能功能。抽水蓄能電站有上、下兩個水庫(池).當上庫的水流向下庫時，就如常規(guī)的水力發(fā)電站，消耗水的位能轉換為電能；相反，將下庫的水輸?shù)缴蠋鞎r就是抽水蓄能，消耗電能轉換為水的位能。由于 機械效率和各種損耗的原因，在同樣水位差和同樣水流量的條件下，抽水時所消耗的電能總是大于發(fā)電時產(chǎn)生的電能。那末，建設抽水 蓄能電站的經(jīng)濟效益表現(xiàn)在哪里呢 ？ 眾所周知，隨著工業(yè)化水平的發(fā)展和 人民生活用電的增加， 電網(wǎng)用電負荷的峰谷 差愈大。圖1是典型的日負荷曲線.在上午 8:0。左右開始和晚上 19: 00左右開始

2、為兩 個高峰負荷，此期間電網(wǎng)的發(fā)電出力必須滿 足Pmax的要求；晚上23： 0 0以后為低谷負荷 電網(wǎng)的發(fā)電出力又必須限制在Pmin。也就是說，發(fā)電出力必須滿足調峰要求。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，大機組在電網(wǎng)中的比重將 增加，用高壓高溫高效率的大機組來調節(jié)負荷不僅在經(jīng)濟上是不合算的，而且對設備的安全和壽命也有影響。今后核電機組更要求帶固定負荷。 因此，電網(wǎng)調峰將更為困難.抽水蓄能電 站的作用就是在低谷負荷期間吸取電網(wǎng)中的電能將水抽至上庫，積蓄能量；而在高峰負荷期間再將上庫的水發(fā)電。亦即在圖l中增加了 “V”部分的用電負荷，使常規(guī)機組負荷不必降到P mi n。而在高峰負荷時，P ”部分的負荷由抽水蓄能機組

3、承擔，使常規(guī)機組的負荷不需要升高到Pmax塞。V的面積必然是大于 P的面積，在電能平衡上是要虧損的，：然而卻減小了大 機組的調峰幅度，降低了大機組由于帶峰荷而引起的額外的燃料消耗，提高了大機組的利用率.從全電網(wǎng)來衡量經(jīng)濟效益是顯著的。抽水蓄能電站的綜合效率一般在6575%這一數(shù)字包括了抽水和發(fā)電時所損耗的機械效率.然而，大火電機組利用率的提高即意味著煤耗的降低。如火電廠在3 0 -4 0哪額定工況遠行時，其煤耗約比額定工況增加35% ,而且低負荷遠行可能要用油助燃，廠用電率也要比正常增加1-2個百分點。煤耗和廠用電的減少也可認為是在同樣的能耗時發(fā)電量的增 加.此外，常規(guī)水力發(fā)電站雖然也具備調峰

4、功能，但其發(fā)電出力往往與灌溉、防洪等矛盾。因為常規(guī)水電站的水庫調度是一個綜合的系統(tǒng)工程。而抽水蓄能電站的發(fā)電量及蓄水量是可 TOC o 1-5 h z 以按日調節(jié)的，可以做到按日平衡，不影響水庫的中長期調度綜上所述，抽水蓄能電站的優(yōu)越性可以歸納為以下幾點：(1 )對電網(wǎng)起到調峰作用，降低火電機組的燃料消耗、廠用電和運行費用。(2)提高火電機組的利用率，火電裝機容量可有所降低(3)避免水電站發(fā)電與農(nóng)業(yè)的矛盾，有條件按電網(wǎng)要求進行調度(4)作為事故備用起動快，抽水工況與發(fā)電工況可以迅速轉變，并可以調相，調頻.(5)無環(huán)境污染。因此，國際上已經(jīng)廣泛地采用抽水蓄能站，并向大容量發(fā)展.抽水蓄能電站的容量

5、有的國家已經(jīng)占裝機容量的 7 1 0 %，占常規(guī)水電站裝機容量的203 0%2抽水蓄能電站的構成 TOC o 1-5 h z 抽水蓄能電站應有上水庫 (池)、高壓引水系統(tǒng)、主廠房、低壓尾水系統(tǒng)和下水庫？：池)。其構成如圖2。按水文條件來看，如果上庫沒有流域 面積或流域面積甚小，沒有天然入流量，則這 一類抽水蓄能電站稱為“純抽水蓄能電站”，廠房內(nèi)安裝流量基本相同的水輪機和(或)水泵。如果上庫有天然入流量，則這一類抽水蓄 能電站稱為“混合式抽水蓄能電站”廠房內(nèi)除安裝抽水蓄能機組外，尚可增裝常規(guī)的水 輪發(fā)電機，其容量與來水量相匹配。此外，下庫還可另安裝常規(guī)逕流水輪發(fā)電機，其容量與上、下水庫總來水量相

6、匹配。 此類電站可獲得較佳的經(jīng)濟效果。水庫的開發(fā)方式主要取決于站址的自然條件.可以有幾種方式：(1)上、下兩庫均由人工圍建。此種方式是只能建純抽水蓄能電站。自然條件主要 是地形上能建設合適庫容和站址距電網(wǎng)的經(jīng)濟距離。水文條件是次要的。 上庫的調節(jié)庫容量一般考慮5 l。小時的蓄放水量，而水位變化輻度不超過水輪機工作水頭的10 2 0%(2)上庫由人工圍建，下庫則利用天然河道、湖泊、海彎或利用已經(jīng)建成的水庫。此 種開發(fā)條件與(1)相同。(3)人工圍建下庫，而上庫則為已建成的水庫。即對原有的常規(guī)水電站進行改造，成為混合式抽水蓄能電站。建站規(guī)模主要由下庫的地形和庫容來決定。(4)上、下兩庫均利用相近的

7、天然河道或湖泊。這種站址比較難選，而且上、下庫之間的水位差也不會很大。(5 )在地形比較平坦的場合，只有上水庫是露天的，而下水庫、電站廠房及管道全部設在地下，也可利用報廢的礦井。 這種蓄能電站的水頭可達 1 0 00米以上，可安裝大容量、高 水頭、高效率的水輪機.抽水蓄電站一般采用高水頭以達到高效率低水耗，因此，壓力引水管也同樣承受高壓。高壓管道除了進入廠房部份采用大口徑壓力鋼管外，其余部分均采用隧洞或豎井。洞的內(nèi)部襯砌是影響壓力的重要因素，一般情況下采用鋼板襯砌。 當?shù)刭|條件較好時可將部份內(nèi)水壓力傳遞至周圍巖石上，以減少一鋼板用量及工程費用。為增強襯砌剛度，防止壓曲，對襯砌鋼板再加焊勁環(huán)或勁

8、帶。 為了防止水錘的發(fā)生， 調壓井的設置與常規(guī)水電站相同，特別要考慮過渡工況下的負水錘和涌流。如調壓井的位置選擇困難，亦可采用氣墊式調壓室，它與常規(guī) 調壓井起到同樣的作用。抽水蓄能的水泵需要有正的吸入揚程，因此與常規(guī)水電站不同，尾水管道也是有壓力的。常規(guī)水電站的進水口有攔污柵。抽水蓄能電站的進水口又是蓄能工況時的出水口。因 此欄污柵的設計是一個專門問題。抽水蓄能電站的廠房一般采用地下式。廠房的標高應低于下庫最低水位以下305 0米，以保證抽水工況時有一定的吸水揚程，防止氣蝕。近年來各種高效施工機械的發(fā)展，以及隧洞施工方法的改進，突破了在惡劣地質條件下修建地下洞室的困難，地下廠房最大斷面積可達1

9、50 0 m 2以上，能滿足大型機組的安裝和維修。此外，采用地下廠房方案，使許多缺少適宜的地面廠房位置的優(yōu)良站址得到了修建的可行性.對環(huán)境及旅游也是一種保護。3抽水蓄能電站的機電設備機電設備是抽水蓄能電站的核心設備。早期的抽水蓄能電站分別選用水輪機一一發(fā)電機組和水泵一一電動機組。即所謂“四機式這種方式設備投資大，廠房面積大.現(xiàn)今抽水蓄能電站的機電設備有兩種方式：即“三機式和“兩機式”?！叭龣C式”是一臺水輪機，一臺水泵和一臺兼作發(fā)電機和電動機的三相同步電機.這三臺機又可分為橫鈾串聯(lián) TUH ( T anden unit With H orizon t a l shaft )和豎軸串聯(lián) TU V(

10、Tanden U nitWi th Ver ti c a l S h a ft )。“兩機式”是一臺兼作水泵又作水輪機的水力機和一臺兼作發(fā)電機和電動機的三相同步電機，又稱為可逆式水泵水輪機PT ( Pump-T urbin e )?！叭龣C式”因為水泵和水輪機的參數(shù)選擇與設計可以按各自的運行工況來決定，在發(fā)電工況和抽水工況都能保證有最高的效率 便于操作，又可利用水輪機來起動水泵機組,.由于泵和水輪機旋轉方向一致，簡化了電氣接線，工況轉變和反應時間較快等優(yōu)點.但泵和水輪機 有各自的渦殼，設備尺寸較大 ，管道閥門投資大， 土建工程大，且泵或水輪機在空轉時有一定損耗。 這類機組最大出力在 300M小右

11、。其橫斷面見圖3 :“兩機式”機組只有一套水力機械，水泵和水輪機合二為一.有兩個旋轉方向，當它以一個方 向旋轉時，則作為電動機和水泵用，而向另一個 方向旋轉時，則作為水輪機和發(fā)電機用.這種可逆 機組設備尺寸小，投資降低，更適宜于地下廠房的 安裝，只需要較小的洞室，節(jié)省土建工程量，且管 道閥門亦簡化。但機組效率受同一機械的限制，不能兩者兼顧，此外機組運行中受多次重復應力的作用，造成一些電器和機械設備問題。 可逆單級機組的應用受機組又分為導水機構可調節(jié)的單級機組和導水機構不能調節(jié)的多級機組。到運行水頭的限制，最大水頭約為600 7 0 0米，單機容量3 0 0 4 00MW多級 機組運行水頭可達1

12、 200米，由于不能調節(jié)，單機容量都不超過 160MW多級可逆 機組的斷面見圖4 :近年來，水力機械已向高水頭、高 轉速、大容量發(fā)展.高水頭具有很多優(yōu)點， 一般說來水頭愈高，則：可使用較高的 轉速，減小外形尺寸，增大單機容量，減小 工程投資；減小引用水量，使上下庫容 減小，采用較小的管道直徑 ；由于引用 水量小，減小庫內(nèi)水位波動，使機組可在 高效點運行。采用高轉速可提高機械效 率，泵的比轉速已向Y q=3 0 5 0方向發(fā) 展。由于高的比轉速會加速汽蝕，因此要求有較大的淹沒深度。 采用大的單機容量 可減小臺數(shù)；降低基建費用和運行費用。 目前國外已開始設計l000 1500米水頭00的可調式抽水

13、蓄能機組。單機容量達6 70 0 M W,在技術上認為是可行的。抽水蓄能電站的電氣設備與常規(guī)電站 基本相同。對電機而言，三相同步發(fā)電機兼 作三相同步電動機在原理上和技術上都是 可行的。蓄能電站對電機的特殊要求是起動 頻繁，增減負荷速度要求高。如電站水頭變 化大，應采用雙速電機。此外，主機應有專用 勵磁裝置供同步起動，或有專用的同軸起動 電動機，或變頻起動裝置.在主結線方面，如 果是可逆機組，則應設有相序轉換開關等。圖5抽水蓄能電站典型主結線T常規(guī)水輪發(fā)電機PT可逆式抽水著能機組S轉向倒換開關B同步起動母線4抽水蓄能電站的運行4.1抽水蓄能機組的起動由于單機容量大，靜態(tài)起動會使電網(wǎng)波動.起動有以

14、下幾種方法： 4。1。l水力起動法適用于“三機式機組。水泵側用壓縮空氣排水或關閉進出口閥門，水輪機則用水力起動，直到同步轉速。并網(wǎng)后使水泵接帶負荷，水輪機壓水充氣。這種方法起動時間約需1 0 0秒以上，但對電網(wǎng)沒有沖擊。4。1. 2起動電機起動法在主機同軸安裝一臺專供起動用的電動機，該電動機的極數(shù)應少于主電機的極數(shù)，使其轉速能高于主機的同步轉速，電動機的功率一般為主機功率的68%。起動時間約需5-8分鐘.主機正常運行時，起動電機空轉。這種起動方法適用于各類機組。起動電動機還可以 作制動用。4。1。3同步起動法即所謂“背靠背起動”。適用于混合式抽水蓄能電站。起動時，將待起動機組的定子通過起動母線

15、與常規(guī)水輪發(fā)電機的定子相聯(lián)結，然后分別加勵磁，水輪發(fā)電機以同步方式帶著起動機組升速，達到同步轉速時用準同期方式并網(wǎng).起動機的容量應大于主機容量的1520%起動時間約需2 4分鐘。 4 . 1.4變頻起動安裝一臺專供起動用的可控硅變額電源，機組起動時將變頻電源送至主機的定于.然后調整頓率使轉速逐步上升 ，到同步轉速時退出變頻電源，用自同期方式并網(wǎng). 4。1. 5降壓異步起動法用升壓變壓器的抽頭或串接降壓電抗器，以異步電動機方式起動，當轉速達8 0 %額定轉速時加入勵磁電流，使主機拉入同步轉速。此種方法對電網(wǎng)沖擊較大，適用于小機組。4。2抽水蓄能機組工況轉換從抽水工況快速轉換為發(fā)電工況，是抽水蓄能

16、機組的一大特點，以適應電網(wǎng)的應急需要。為了實現(xiàn)快速轉換，要求機組具有制動功能， 使惰走時間減小一半以上.電氣制動的措施是解列后迅速將定于繞組三相短路或經(jīng)過外加電阻短路，轉子繼續(xù)勵磁（用專用的勵磁電源）,使定子產(chǎn)生電流加大有功損耗。另外 ，如果機組設有起動電動機，則將該電機反接，增加阻力 距。“三機式”機組及“兩機式”機組在運行中進行轉變的典型時間（秒 ）如下：工況轉變?nèi)龣C式兩機式從靜止至水輪機滿載8 08 0從水泵滿載至水輪機滿載6 01 2 0從靜止至水泵滿轉1 2 0300從水輪機滿載至水泵滿載4 04004.3抽水蓄能電站的調度抽水蓄能電站的調度是牽涉面很廣的不統(tǒng)工程。對抽水蓄能電站的機

17、組來說，調度決 定是開機還是停機，是抽水工況還是發(fā)電工況， 至于機組的負荷一般是固定在額定出力運行， 不作調整。因為額定出力運行效率最高。對于一個抽水蓄能電站來說調度的任務是決定同一 工況下開機的臺數(shù)，一個站內(nèi)不可能出現(xiàn)不同工況同時運行.至于混合式抽水蓄能電站，則調度的任務是分別決定常規(guī)水輪發(fā)電機開機的臺數(shù)和抽水蓄能機組發(fā)電的臺數(shù)。對于抽水蓄能電站調度的依據(jù)也是多方面的。如高峰時的功率、高峰持續(xù)時間，高峰 電量；低谷時的功率、低谷持續(xù)時間；基荷向各電廠的分配、系統(tǒng)中的旋轉備用量；各抽水蓄能電站上下庫的水位；各火電機組的微增煤耗值；系統(tǒng)負荷潮流；峰谷的電價；次日是否節(jié)假日或星期日這么多因子一般是

18、非常難于全面考慮的。使用電子計算機實現(xiàn)優(yōu)化調度達到系統(tǒng)的最經(jīng)濟運行是研究的方向.5我國抽水蓄能近況我國抽水蓄能電站的建設起步較晚，技術儲備不多。已經(jīng)選點的有廣東的從化，北京的十三陵，浙江的天荒坪，安徽的瑯那山和響洪甸。 這些項目有的已經(jīng)開工， 有的已開始初設， 有的已通過可行性研究?，F(xiàn)將華東地區(qū)的三個點簡單介紹如下。華東地區(qū)目前峰谷差已達300 0 MW伏機組比重較高，秦山核電站即將投產(chǎn)，調峰任務艱巨，抽水蓄能電站的建設巳很迫切。天荒坪位于浙江北部的安吉縣，它是一個人工圍建上、下庫的純抽水蓄能電站， 能承擔36 0 0 MW勺調峰能力。瑯哪山位于安徽東部的滁州市 ，它是 利用已有的城西水庫作為

19、下庫 ，人工修建上庫的純抽水蓄能電站 ，能承擔9 0 0MW的調峰能 力。響洪甸位于皖西的金寨縣，它是利用已建成的響洪甸水電站的水庫作為上庫，人工修建下庫，改造后成為混合式的抽水蓄能電站，包括原有40MW勺水輪發(fā)電機在內(nèi)，其調峰能力有200MW 三個點的主要參數(shù)如下：參 數(shù)大荒坪瑯哪山響洪甸裝機容量臺數(shù)x容量 M W6X3006 X752X40調峰能力M W360 09 0 02 00上庫調節(jié)庫容萬吊74490 02 60 0 00卜庫調節(jié)庫容萬m74440 7 5440工作水頭m56 61216 2主 廠 房型式地下式地下式地下式洞室尺寸長x寬x高m21 4X24X5 114 6X2005X41.457 4。8 X2 1 46 .4引型式隧洞隧洞隧洞水 管破回長X直徑m10 0 4X6 6 X3285 X6 4. 3X675 0 X6 8L/H2. 61 1。41 2機 組型式可逆豎軸混流