抽水蓄能电站技术概况简介.doc

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抽水蓄能电站技术概况简介

安徽省电力试验研究所倪安华

1989年7月

1抽蓄能电站的作用

抽水蓄能电站是水力发电站的一种特殊形式。

它兼具有发电及蓄能功能。

抽水蓄能电站有上、下两个水库（池）。

当上库的水流向下库时，就如常规的水力发电站，消耗水的位能转换为电能；相反，将下库的水输到上库时就是抽水蓄能，消耗电能转换为水的位能。

由于机械效率和各种损耗的原因，在同样水位差和同样水流量的条件下，抽水时所消耗的电能总是大于发电时产生的电能。

那末，建设抽水蓄能电站的经济效益表现在哪里呢?

众所周知，随着工业化水平的发展和人民生活用电的增加，电网用电负荷的峰谷差愈大。

图1是典型的日负荷曲线。

在上午8：

00左右开始和晚上19：

00左右开始为两个高峰负荷，此期间电网的发电出力必须满足Pmax的要求；晚上23：

00以后为低谷负荷，电网的发电出力又必须限制在Pmin。

也就是说，发电出力必须满足调峰要求。

随着电网的发展，大机组在电网中的比重将增加，用高压高温高效率的大机组来调节负荷不仅在经济上是不合算的，而且对设备的安全和寿命也有影响。

今后核电机组更要求带固定负荷。

因此，电网调峰将更为困难。

抽水蓄能电站的作用就是在低谷负荷期间吸取电网中的电能将水抽至上库，积蓄能量；而在高峰负荷期间再将上库的水发电。

亦即在图l中增加了“V”部分的用电负荷，使常规机组负荷不必降到Pmin。

而在高峰负荷时，“P”部分的负荷由抽水蓄能机组承担，使常规机组的负荷不需要升高到Pmax塞。

V的面积必然是大于P的面积，在电能平衡上是要亏损的，：

然而却减小了大机组的调峰幅度，降低了大机组由于带峰荷而引起的额外的燃料消耗，提高了大机组的利用率。

从全电网来衡量经济效益是显著的。

抽水蓄能电站的综合效率一般在65—75％，这—数字包括了抽水和发电时所损耗的机械效率。

然而，大火电机组利用率的提高即意味着煤耗的降低。

如火电厂在30—40％酌额定工况远行时，其煤耗约比额定工况增加35％，而且低负荷远行可能要用油助燃，厂用电率也要比正常增加1—2个百分点。

煤耗和厂用电的减少也可认为是在同样的能耗时发电量的增加。

此外，常规水力发电站虽然也具备调峰功能，但其发电出力往往与灌溉、防洪等矛盾。

因为常规水电站的水库调度是一个综合的系统工程。

而抽水蓄能电站的发电量及蓄水量是可以按日调节的，可以做到按日平衡，不影响水库的中长期调度。

综上所述，抽水蓄能电站的优越性可以归纳为以下几点：

（1）对电网起到调峰作用，降低火电机组的燃料消耗、厂用电和运行费用。

（2）提高火电机组的利用率，火电装机容量可有所降低。

（3）避免水电站发电与农业的矛盾，有条件按电网要求进行调度。

（4）作为事故备用起动快，抽水工况与发电工况可以迅速转变，并可以调相，调频。

（5）无环境污染。

因此，国际上已经广泛地采用抽水蓄能站，并向大容量发展。

抽水蓄能电站的容量有的国家已经占装机容量的7一10％，占常规水电站装机容量的20—30％。

2抽水蓄能电站的构成

抽水蓄能电站应有上水库（池）、高压引水系统、主厂房、低压尾水系统和下水库?

：

池）。

其构成如图2。

按水文条件来看，如果上库没有流域面积或流域面积甚小，没有天然入流量，则这一类抽水蓄能电站称为“纯抽水蓄能电站”，厂房内安装流量基本相同的水轮机和（或）水泵。

如果上库有天然入流量，则这一类抽水蓄能电站称为“混合式抽水蓄能电站”’厂房内除安装抽水蓄能机组外，尚可增装常规的水轮发电机，其容量与来水量相匹配。

此外，下库还可另安装常规迳流水轮发电机，其容量与上、下水库总来水量相匹配。

此类电站可获得较佳的经济效果。

水库的开发方式主要取决于站址的自然条件。

可以有几种方式：

（1）上、下两库均由人工围建。

此种方式是只能建纯抽水蓄能电站。

自然条件主要是地形上能建设合适库容和站址距电网的经济距离。

水文条件是次要的。

上库的调节库容量一般考虑5一l0小时的蓄放水量，而水位变化辐度不超过水轮机工作水头的10一20％。

（2）上库由人工围建，下库则利用天然河道、湖泊、海弯或利用已经建成的水库。

此种开发条件与

（1）相同。

（3）人工围建下库，而上库则为已建成的水库。

即对原有的常规水电站进行改造，成为混合式抽水蓄能电站。

建站规模主要由下库的地形和库容来决定。

（4）上、下两库均利用相近的天然河道或湖泊。

这种站址比较难选，而且上、下库之间的水位差也不会很大。

（5）在地形比较平坦的场合，只有上水库是露天的，而下水库、电站厂房及管道全部设在地下，也可利用报废的矿井。

这种蓄能电站的水头可达1000米以上，可安装大容量、高水头、高效率的水轮机。

抽水蓄电站一般采用高水头以达到高效率低水耗，因此，压力引水管也同样承受高压。

高压管道除了进入厂房部份采用大口径压力钢管外，其余部分均采用隧洞或竖井。

洞的内部衬砌是影响压力的重要因素，一般情况下采用钢板衬砌。

当地质条件较好时可将部份内水压力传递至周围岩石上，以减少—钢板用量及工程费用。

为增强衬砌刚度，防止压曲，对衬砌钢板再加焊劲环或劲带。

为了防止水锤的发生，调压井的设置与常规水电站相同，特别要考虑过渡工况下的负水锤和涌流。

如调压井的位置选择困难，亦可采用气垫式调压室，它与常规调压井起到同样的作用。

抽水蓄能的水泵需要有正的吸入扬程，因此与常规水电站不同，尾水管道也是有压力的。

常规水电站的进水口有拦污栅。

抽水蓄能电站的进水口又是蓄能工况时的出水口。

因此栏污栅的设计是一个专门问题。

抽水蓄能电站的厂房一般采用地下式。

厂房的标高应低于下库最低水位以下30—50米，以保证抽水工况时有一定的吸水扬程，防止气蚀。

近年来各种高效施工机械的发展，以及隧洞施工方法的改进，突破了在恶劣地质条件下修建地下洞室的困难，地下厂房最大断面积可达1500m2以上，能满足大型机组的安装和维修。

此外，采用地下厂房方案，使许多缺少适宜的地面厂房位置的优良站址得到了修建的可行性。

对环境及旅游也是一种保护。

3抽水蓄能电站的机电设备

机电设备是抽水蓄能电站的核心设备。

早期的抽水蓄能电站分别选用水轮机一一发电机组和水泵一一电动机组。

即所谓“四机式”这种方式设备投资大，厂房面积大。

现今抽水蓄能电站的机电设备有两种方式：

即“三机式”和“两机式”。

“三机式”是一台水轮机，一台水泵和一台兼作发电机和电动机的三相同步电机。

这三台机又可分为横铀串联TUH（TandenunitWithHorizontalshaft）和竖轴串联TUV（TandenUnitWithVerticalShaft）。

“两机式”是一台兼作水泵又作水轮机的水力机和一台兼作发电机和电动机的三相同步电机，又称为可逆式水泵水轮机PT（Pump—Turbine）。

“三机式”因为水泵和水轮机的参数选择与设计可以按各自的运行工况来决定，在发电工况和抽水工况都能保证有最高的效率。

由于泵和水轮机旋转方向一致，简化了电气接线，便于操作，又可利用水轮机来起动水泵机组，工况转变和反应时间较快等优点。

但泵和水轮机有各自的涡壳，设备尺寸较大，管道阀门投资大，土建工程大，且泵或水轮机在空转时有一定损耗。

这类机组最大出力在300MW左右。

其横断面见图3：

“两机式”机组只有一套水力机械，水泵和水轮机合二为一。

有两个旋转方向，当它以一个方向旋转时，则作为电动机和水泵用，而向另一个方向旋转时，则作为水轮机和发电机用。

这种可逆机组设备尺寸小，投资降低，更适宜于地下厂房的安装，只需要较小的洞室，节省土建工程量，且管道阀门亦简化。

但机组效率受同一机械的限制，不能两者兼顾，此外机组运行中受多次重复应力的作用，造成一些电器和机械设备问题。

可逆机组又分为导水机构可调节的单级机组和导水机构不能调节的多级机组。

单级机组的应用受到运行水头的限制，最大水头约为600—700米，单机容量300-400MW。

多级机组运行水头可达1200米，由于不能调节，单机容量都不超过160MW。

多级可逆机组的断面见图4：

近年来，水力机械已向高水头、高转速、大容量发展。

高水头具有很多优点，一般说来水头愈高，则：

①可使用较高的转速，减小外形尺寸，增大单机容量，减小工程投资；②减小引用水量，使上下库容减小，采用较小的管道直径；③由于引用水量小，减小库内水位波动，使机组可在高效点运行。

采用高转速可提高机械效率，泵的比转速已向ηq＝30-50方向发展。

由于高的比转速会加速汽蚀，因此要求有较大的淹没深度。

采用大的单机容量，可减小台数；降低基建费用和运行费用。

目前国外已开始设计l000一1500米水头的可调式抽水蓄能机组。

单机容量达600—700MW，在技术上认为是可行的。

抽水蓄能电站的电气设备与常规电站基本相同。

对电机而言，三相同步发电机兼作三相同步电动机在原理上和技术上都是可行的。

蓄能电站对电机的特殊要求是起动频繁，增减负荷速度要求高。

如电站水头变化大，应采用双速电机。

此外，主机应有专用励磁装置供同步起动，或有专用的同轴起动电动机，或变频起动装置。

在主结线方面，如果是可逆机组，则应设有相序转换开关等。

图5抽水蓄能电站典型主结线

T常规水轮发电机

PT可逆式抽水着能机组

S转向倒换开关

B同步起动母线

4抽水蓄能电站的运行

4.1抽水蓄能机组的起动

由于单机容量大，静态起动会使电网波动。

起动有以下几种方法：

4.1。

l水力起动法

适用于“三机式”机组。

水泵侧用压缩空气排水或关闭进出口阀门，水轮机则用水力起动，直到同步转速。

并网后使水泵接带负荷，水轮机压水充气。

这种方法起动时间约需100秒以上，但对电网没有冲击。

4.1.2起动电机起动法

在主机同轴安装一台专供起动用的电动机，该电动机的极数应少于主电机的极数，使其转速能高于主机的同步转速，电动机的功率一般为主机功率的6—8％。

起动时间约需5—8分钟。

主机正常运行时，起动电机空转。

这种起动方法适用于各类机组。

起动电动机还可以作制动用。

4.1.3同步起动法

即所谓“背靠背起动”。

适用于混合式抽水蓄能电站。

起动时，将待起动机组的定子通过起动母线与常规水轮发电机的定子相联结，然后分别加励磁，水轮发电机以同步方式带着起动机组升速，达到同步转速时用准同期方式并网。

起动机的容量应大于主机容量的15—20％，起动时间约需2—4分钟。

4.1.4变频起动

安装一台专供起动用的可控硅变额电源，机组起动时将变频电源送至主机的定于。

然后调整顿率使转速逐步上升，到同步转速时退出变频电源，用自同期方式并网。

4.1.5降压异步起动法

用升压变压器的抽头或串接降压电抗器，以异步电动机方式起动，当转速达80％额定转速时加入励磁电流，使主机拉入同步转速。

此种方法对电网冲击较大，适用于小机组。

4.2抽水蓄能机组工况转换

从抽水工况快速转换为发电工况，是抽水蓄能机组的一大特点，以适应电网的应急需要。

为了实现快速转换，要求机组具有制动功能，使惰走时间减小一半以上。

电气制动的措施是解列后迅速将定于绕组三相短路或经过外加电阻短路，转子继续励磁（用专用的励磁电源），使定子产生电流加大有功损耗。

另外，如果机组设有起动电动机，则将该电机反接，增加阻力距。

“三机式”机组及“两机式”机组在运行中进行转变的典型时间（秒）如下：

工况转变三机式两机式

从静止至水轮机满载8080

从水泵满载至水轮机满载60120

从静止至水泵满转120300

从水轮机满载至水泵满载40400

4.3抽水蓄能电站的调度

抽水蓄能电站的调度是牵涉面很广的不统工程。

对抽水蓄能电站的机组来说，调度决定是开机还是停机，是抽水工况还是发电工况，至于机组的负荷—般是固定在额定出力运行，不作调整。

因为额定出力运行效率最高。

对于一个抽水蓄能电站来说调度的任务是决定同一工况下开机的台数，一个站内不可能出现不