抽水蓄能电站技术概况简介

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6575%，这一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3040%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1一2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2030 %。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 3050 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。K - 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(Tanden unit With Horizontal shaft)和竖轴串 联TUV(Tanden Unit With Vertical Shaft)。“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一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，贝可使用较高 的转速，减小外形尺寸，增大单机容量，减小工程投资；减小引用水量，使上下 库容减小，采用较小的管道直径；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nq = 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1000 1500米 水头的可调式抽水蓄能机组。单机容量达600700MW，在技术上认为是可行的。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 68 %。起动时间约需58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1520，起动时间约需24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404004.3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同工况 同时运行。至于混合式抽水蓄能电站，则调度的任务是分别决定常规水轮发电机开 机的台数和抽水蓄能机组发电的台数。对于抽水蓄能电站调度的依据也是多方面的。如高峰时的功率、高峰持续时 间，高峰电量；低谷时的功率、低谷持续时间；基荷向各电厂的分配、系统中的旋 转备用量；各抽水蓄能电站上下库的水位；各火电机组的微增煤耗值；系统负荷潮流；峰谷的电价；次日是否节假日或星期日这么多因子一般是非常难于全面考 虑的。使用电子计算机实现优化调度，达到系统的最经济运行是研究的方向。5我国抽水蓄能近况我国抽水蓄能电站的建设起步较晚，技术储备不多。已经选点的有广东的从 化，北京的十三陵，浙江的天荒坪，安徽的琅那山和响洪甸。这些项目有的已经开 工，有的已开始初设，有的已通过可行性研究。现将华东地区的三个点简单介绍如 下。华东地区目前峰谷差已达3000MW，大机组比重较高，秦山核电站即将投产， 调峰任务艰巨，抽水蓄能电站的建设巳很迫切。天荒坪位于浙江北部的安吉县，它 是一个人工围建上、下库的纯抽水蓄能电站，能承担 3600MW 的调峰能力。琅琊山 位于安徽东部的滁州市，它是利用已有的城西水库作为下库，人工修建上库的纯抽 水蓄能电站，能承担900MW的调峰能力。响洪甸位于皖西的金寨县，它是利用已建 成的响洪甸水电站的水库作为上库，人工修建下库，改造后成为混合式的抽水蓄能 电站，包括原有40MW的水轮发电机在内，其调峰能力有200MW。三个点的主要参 数如下：参数天荒坪琅琊山响洪甸装机容量台数X容 量 MW6X3006X752X40调峰能力MW3600900200上库调节库容万m3744900260000下库调节库容万m37444075440工作水头m56612162主厂房型式地下式地下式地下式洞室尺寸长X宽X 高m214X24X51146X20.5X41.4574.8X21X46.4引 水 管型式隧洞隧洞隧洞截面长X直径 m1004X巾6X3285X4.3X6750X巾8L/H2.611.412机型式可逆竖轴混流式可逆竖轴混流式可逆竖轴混流式转速r/min429214/250107组效率%70 (综合)90/92.590/92吸入水头 m-54-22-14抽水年小时数200816601590发电年小时数140812902174起动方式可控硅变频冋轴起动电机背靠背出线电压kV5002201106法国大屋抽水蓄能电站简介笔者考察过法国大屋(GRAND MAISON)抽水蓄能电站。该站主要技术概况如 下：该站位于法国东南部阿尔卑斯山脉西麓，是一座混合式抽水蓄能电站。装机 容量1800MW，接在400kV电网上。上库有效库容为1.32亿立方，流域面积50km2,年入流水量1.0；亿立方。下库有效库容为0.14亿立方，流域面积115km2，年入流水量1.4亿立方。正常工作水头927m。压力引水管是7100m隧 洞，直径7.7m。主厂房分为上室和下室。上室比下库水位高出20m，安装四台l50MW 冲击式水轮发电机，为半地下厂房；下室位于上室正下方，比下库水位低 60m，安装八台150MW可逆式四级水泵水轮机，为地下式厂房。下库坝下另有一台 10.75MW 水轮发电机组。该站年发电量为13.4 亿千瓦时，抽水年耗电量为 17，2 亿千瓦时。发电最大出力为1800MW，填谷为1200MW,调峰能力为3000MW。由于八 台可逆式机组不能调节，起动时对电网影响较大，因此采用背靠背同步起动。该站 已于1985年投入运行。