抽水蓄能電站技術(shù)概況簡(jiǎn)介概要(共6頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上抽水蓄能電站技術(shù)概況簡(jiǎn)介安徽省電力試驗(yàn)研究所 倪安華1989年7月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(gè)水庫(kù)(池)。當(dāng)上庫(kù)的水流向下庫(kù)時(shí)，就如常規(guī)的水力發(fā)電站，消耗水的位能轉(zhuǎn)換為電能；相反，將下庫(kù)的水輸?shù)缴蠋?kù)時(shí)就是抽水蓄能，消耗電能轉(zhuǎn)換為水的位能。由于機(jī)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(shí)所消耗的電能總是大于發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的電能。那末，建設(shè)抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)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(fù)荷的峰谷差愈大。圖1是典型的日負(fù)荷曲線。在

2、上午8：00左右開(kāi)始和晚上19：00左右開(kāi)始為兩個(gè)高峰負(fù)荷，此期間電網(wǎng)的發(fā)電出力必須滿足Pmax的要求；晚上23：00以后為低谷負(fù)荷，電網(wǎng)的發(fā)電出力又必須限制在Pmin。也就是說(shuō)，發(fā)電出力必須滿足調(diào)峰要求。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，大機(jī)組在電網(wǎng)中的比重將增加，用高壓高溫高效率的大機(jī)組來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷不僅在經(jīng)濟(jì)上是不合算的，而且對(duì)設(shè)備的安全和壽命也有影響。今后核電機(jī)組更要求帶固定負(fù)荷。因此，電網(wǎng)調(diào)峰將更為困難。抽水蓄能電站的作用就是在低谷負(fù)荷期間吸取電網(wǎng)中的電能將水抽至上庫(kù)，積蓄能量；而在高峰負(fù)荷期間再將上庫(kù)的水發(fā)電。亦即在圖l中增加了“V”部分的用電負(fù)荷，使常規(guī)機(jī)組負(fù)荷不必降到Pmin。而在高峰負(fù)荷時(shí)，“P”

3、部分的負(fù)荷由抽水蓄能機(jī)組承擔(dān)，使常規(guī)機(jī)組的負(fù)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(jī)組的調(diào)峰幅度，降低了大機(jī)組由于帶峰荷而引起的額外的燃料消耗，提高了大機(jī)組的利用率。從全電網(wǎng)來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。抽水蓄能電站的綜合效率一般在6575，這數(shù)字包括了抽水和發(fā)電時(shí)所損耗的機(jī)械效率。然而，大火電機(jī)組利用率的提高即意味著煤耗的降低。如火電廠在3040酌額定工況遠(yuǎn)行時(shí)，其煤耗約比額定工況增加35，而且低負(fù)荷遠(yuǎn)行可能要用油助燃，廠用電率也要比正常增加12個(gè)百分點(diǎn)。煤耗和廠用電的減少也可認(rèn)為是在同樣的能耗時(shí)發(fā)電量的增加。此外，常規(guī)水力發(fā)電站雖然也具備調(diào)

4、峰功能，但其發(fā)電出力往往與灌溉、防洪等矛盾。因?yàn)槌Ｒ?guī)水電站的水庫(kù)調(diào)度是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程。而抽水蓄能電站的發(fā)電量及蓄水量是可以按日調(diào)節(jié)的，可以做到按日平衡，不影響水庫(kù)的中長(zhǎng)期調(diào)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(diǎn)：(1)對(duì)電網(wǎng)起到調(diào)峰作用，降低火電機(jī)組的燃料消耗、廠用電和運(yùn)行費(fèi)用。(2)提高火電機(jī)組的利用率，火電裝機(jī)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(jìn)行調(diào)度。(4)作為事故備用起動(dòng)快，抽水工況與發(fā)電工況可以迅速轉(zhuǎn)變，并可以調(diào)相，調(diào)頻。(5)無(wú)環(huán)境污染。因此，國(guó)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有的國(guó)家已經(jīng)占裝機(jī)容量的

5、7一10，占常規(guī)水電站裝機(jī)容量的2030。2抽水蓄能電站的構(gòu)成抽水蓄能電站應(yīng)有上水庫(kù)(池)、高壓引水系統(tǒng)、主廠房、低壓尾水系統(tǒng)和下水庫(kù)?：池)。其構(gòu)成如圖2。按水文條件來(lái)看，如果上庫(kù)沒(méi)有流域面積或流域面積甚小，沒(méi)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?jī)?nèi)安裝流量基本相同的水輪機(jī)和(或)水泵。如果上庫(kù)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?jī)?nèi)除安裝抽水蓄能機(jī)組外，尚可增裝常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)，其容量與來(lái)水量相匹配。此外，下庫(kù)還可另安裝常規(guī)逕流水輪發(fā)電機(jī)，其容量與上、下水庫(kù)總來(lái)水量相匹配。此類電站可獲得較佳的經(jīng)濟(jì)效果。水庫(kù)的開(kāi)發(fā)方式主要取決于站址的自然條件

6、?？梢杂袔追N方式：(1)上、下兩庫(kù)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(shè)合適庫(kù)容和站址距電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)距離。水文條件是次要的。上庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容量一般考慮5一l0小時(shí)的蓄放水量，而水位變化輻度不超過(guò)水輪機(jī)工作水頭的10一20。(2)上庫(kù)由人工圍建，下庫(kù)則利用天然河道、湖泊、海彎或利用已經(jīng)建成的水庫(kù)。此種開(kāi)發(fā)條件與(1)相同。(3)人工圍建下庫(kù)，而上庫(kù)則為已建成的水庫(kù)。即對(duì)原有的常規(guī)水電站進(jìn)行改造，成為混合式抽水蓄能電站。建站規(guī)模主要由下庫(kù)的地形和庫(kù)容來(lái)決定。(4)上、下兩庫(kù)均利用相近的天然河道或湖泊。這種站址比較難選，而且上、下庫(kù)之間的水位差也不會(huì)很大。(5)在地形比

7、較平坦的場(chǎng)合，只有上水庫(kù)是露天的，而下水庫(kù)、電站廠房及管道全部設(shè)在地下，也可利用報(bào)廢的礦井。這種蓄能電站的水頭可達(dá)1000米以上，可安裝大容量、高水頭、高效率的水輪機(jī)。抽水蓄電站一般采用高水頭以達(dá)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(jìn)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(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)可將部份內(nèi)水壓力傳遞至周圍巖石上，以減少鋼板用量及工程費(fèi)用。為增強(qiáng)襯砌剛度，防止壓曲，對(duì)襯砌鋼板再加焊勁環(huán)或勁帶。為了防止水錘的發(fā)生，調(diào)壓井的設(shè)置與常規(guī)水電站相同，特別要考慮過(guò)渡工況下的負(fù)水錘和涌流。如調(diào)壓井的

8、位置選擇困難，亦可采用氣墊式調(diào)壓室，它與常規(guī)調(diào)壓井起到同樣的作用。抽水蓄能的水泵需要有正的吸入揚(yáng)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(jìn)水口有攔污柵。抽水蓄能電站的進(jìn)水口又是蓄能工況時(shí)的出水口。因此欄污柵的設(shè)計(jì)是一個(gè)專門問(wèn)題。抽水蓄能電站的廠房一般采用地下式。廠房的標(biāo)高應(yīng)低于下庫(kù)最低水位以下3050米，以保證抽水工況時(shí)有一定的吸水揚(yáng)程，防止氣蝕。近年來(lái)各種高效施工機(jī)械的發(fā)展，以及隧洞施工方法的改進(jìn)，突破了在惡劣地質(zhì)條件下修建地下洞室的困難，地下廠房最大斷面積可達(dá)1500m2以上，能滿足大型機(jī)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

9、了修建的可行性。對(duì)環(huán)境及旅游也是一種保護(hù)。3抽水蓄能電站的機(jī)電設(shè)備機(jī)電設(shè)備是抽水蓄能電站的核心設(shè)備。早期的抽水蓄能電站分別選用水輪機(jī)一一發(fā)電機(jī)組和水泵一一電動(dòng)機(jī)組。即所謂“四機(jī)式”這種方式設(shè)備投資大，廠房面積大?，F(xiàn)今抽水蓄能電站的機(jī)電設(shè)備有兩種方式：即“三機(jī)式”和“兩機(jī)式”?！叭龣C(jī)式”是一臺(tái)水輪機(jī)，一臺(tái)水泵和一臺(tái)兼作發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的三相同步電機(jī)。這三臺(tái)機(jī)又可分為橫鈾串聯(lián)TUH(Tanden unit With Horizontal shaft)和豎軸串聯(lián)TUV(Tanden Unit With Vertical Shaft)?！皟蓹C(jī)式”是一臺(tái)兼作水泵又作水輪機(jī)的水力機(jī)和一臺(tái)兼作發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的

10、三相同步電機(jī)，又稱為可逆式水泵水輪機(jī)PT(PumpTurbine)?！叭龣C(jī)式”因?yàn)樗煤退啓C(jī)的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)可以按各自的運(yùn)行工況來(lái)決定，在發(fā)電工況和抽水工況都能保證有最高的效率。由于泵和水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，簡(jiǎn)化了電氣接線，便于操作，又可利用水輪機(jī)來(lái)起動(dòng)水泵機(jī)組，工況轉(zhuǎn)變和反應(yīng)時(shí)間較快等優(yōu)點(diǎn)。但泵和水輪機(jī)有各自的渦殼，設(shè)備尺寸較大，管道閥門投資大，土建工程大，且泵或水輪機(jī)在空轉(zhuǎn)時(shí)有一定損耗。這類機(jī)組最大出力在300MW左右。其橫斷面見(jiàn)圖3：“兩機(jī)式”機(jī)組只有一套水力機(jī)械，水泵和水輪機(jī)合二為一。有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)它以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則作為電動(dòng)機(jī)和水泵用，而向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則作為水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)

11、用。這種可逆機(jī)組設(shè)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(jiǎn)化。但機(jī)組效率受同一機(jī)械的限制，不能兩者兼顧，此外機(jī)組運(yùn)行中受多次重復(fù)應(yīng)力的作用，造成一些電器和機(jī)械設(shè)備問(wèn)題?？赡鏅C(jī)組又分為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)的單級(jí)機(jī)組和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能調(diào)節(jié)的多級(jí)機(jī)組。單級(jí)機(jī)組的應(yīng)用受到運(yùn)行水頭的限制，最大水頭約為600700米，單機(jī)容量300-400MW。多級(jí)機(jī)組運(yùn)行水頭可達(dá)1200米，由于不能調(diào)節(jié)，單機(jī)容量都不超過(guò)160MW。多級(jí)可逆機(jī)組的斷面見(jiàn)圖4：近年來(lái)，水力機(jī)械已向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。高水頭具有很多優(yōu)點(diǎn)，一般說(shuō)來(lái)水頭愈高，則：可使用較高的轉(zhuǎn)速，減小外形尺寸，

12、增大單機(jī)容量，減小工程投資；減小引用水量，使上下庫(kù)容減小，采用較小的管道直徑；由于引用水量小，減小庫(kù)內(nèi)水位波動(dòng)，使機(jī)組可在高效點(diǎn)運(yùn)行。采用高轉(zhuǎn)速可提高機(jī)械效率，泵的比轉(zhuǎn)速已向q30-50方向發(fā)展。由于高的比轉(zhuǎn)速會(huì)加速汽蝕，因此要求有較大的淹沒(méi)深度。采用大的單機(jī)容量，可減小臺(tái)數(shù)；降低基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。目前國(guó)外已開(kāi)始設(shè)計(jì)l000一1500米水頭的可調(diào)式抽水蓄能機(jī)組。單機(jī)容量達(dá)600700MW，在技術(shù)上認(rèn)為是可行的。抽水蓄能電站的電氣設(shè)備與常規(guī)電站基本相同。對(duì)電機(jī)而言，三相同步發(fā)電機(jī)兼作三相同步電動(dòng)機(jī)在原理上和技術(shù)上都是可行的。蓄能電站對(duì)電機(jī)的特殊要求是起動(dòng)頻繁，增減負(fù)荷速度要求高。如電站水頭變化

13、大，應(yīng)采用雙速電機(jī)。此外，主機(jī)應(yīng)有專用勵(lì)磁裝置供同步起動(dòng)，或有專用的同軸起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，或變頻起動(dòng)裝置。在主結(jié)線方面，如果是可逆機(jī)組，則應(yīng)設(shè)有相序轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等。圖5抽水蓄能電站典型主結(jié)線T常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)PT可逆式抽水著能機(jī)組S轉(zhuǎn)向倒換開(kāi)關(guān)B同步起動(dòng)母線4抽水蓄能電站的運(yùn)行4.1抽水蓄能機(jī)組的起動(dòng)由于單機(jī)容量大，靜態(tài)起動(dòng)會(huì)使電網(wǎng)波動(dòng)。起動(dòng)有以下幾種方法：4.1。l水力起動(dòng)法適用于“三機(jī)式”機(jī)組。水泵側(cè)用壓縮空氣排水或關(guān)閉進(jìn)出口閥門，水輪機(jī)則用水力起動(dòng)，直到同步轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)后使水泵接帶負(fù)荷，水輪機(jī)壓水充氣。這種方法起動(dòng)時(shí)間約需100秒以上，但對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有沖擊。4.1.2起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)法在主機(jī)同軸安裝一臺(tái)專供起

14、動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)的極數(shù)應(yīng)少于主電機(jī)的極數(shù)，使其轉(zhuǎn)速能高于主機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的功率一般為主機(jī)功率的68。起動(dòng)時(shí)間約需58分鐘。主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)電機(jī)空轉(zhuǎn)。這種起動(dòng)方法適用于各類機(jī)組。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)還可以作制動(dòng)用。4.1.3同步起動(dòng)法即所謂“背靠背起動(dòng)”。適用于混合式抽水蓄能電站。起動(dòng)時(shí)，將待起動(dòng)機(jī)組的定子通過(guò)起動(dòng)母線與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)的定子相聯(lián)結(jié)，然后分別加勵(lì)磁，水輪發(fā)電機(jī)以同步方式帶著起動(dòng)機(jī)組升速，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)用準(zhǔn)同期方式并網(wǎng)。起動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)大于主機(jī)容量的1520，起動(dòng)時(shí)間約需24分鐘。4.1.4變頻起動(dòng)安裝一臺(tái)專供起動(dòng)用的可控硅變額電源，機(jī)組起動(dòng)時(shí)將變頻電源送至主機(jī)的定于。然后調(diào)整頓

15、率使轉(zhuǎn)速逐步上升，到同步轉(zhuǎn)速時(shí)退出變頻電源，用自同期方式并網(wǎng)。4.1.5降壓異步起動(dòng)法用升壓變壓器的抽頭或串接降壓電抗器，以異步電動(dòng)機(jī)方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)80額定轉(zhuǎn)速時(shí)加入勵(lì)磁電流，使主機(jī)拉入同步轉(zhuǎn)速。此種方法對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，適用于小機(jī)組。4.2抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換從抽水工況快速轉(zhuǎn)換為發(fā)電工況，是抽水蓄能機(jī)組的一大特點(diǎn)，以適應(yīng)電網(wǎng)的應(yīng)急需要。為了實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，要求機(jī)組具有制動(dòng)功能，使惰走時(shí)間減小一半以上。電氣制動(dòng)的措施是解列后迅速將定于繞組三相短路或經(jīng)過(guò)外加電阻短路，轉(zhuǎn)子繼續(xù)勵(lì)磁(用專用的勵(lì)磁電源)，使定子產(chǎn)生電流加大有功損耗。另外，如果機(jī)組設(shè)有起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，則將該電機(jī)反接，增加阻力距?！叭龣C(jī)式”

16、機(jī)組及“兩機(jī)式”機(jī)組在運(yùn)行中進(jìn)行轉(zhuǎn)變的典型時(shí)間(秒)如下：工況轉(zhuǎn)變 三機(jī)式 兩機(jī)式從靜止至水輪機(jī)滿載 80 80從水泵滿載至水輪機(jī)滿載 60 120從靜止至水泵滿轉(zhuǎn) 120 300從水輪機(jī)滿載至水泵滿載 40 4004.3抽水蓄能電站的調(diào)度抽水蓄能電站的調(diào)度是牽涉面很廣的不統(tǒng)工程。對(duì)抽水蓄能電站的機(jī)組來(lái)說(shuō)，調(diào)度決定是開(kāi)機(jī)還是停機(jī)，是抽水工況還是發(fā)電工況，至于機(jī)組的負(fù)荷般是固定在額定出力運(yùn)行，不作調(diào)整。因?yàn)轭~定出力運(yùn)行效率最高。對(duì)于一個(gè)抽水蓄能電站來(lái)說(shuō)調(diào)度的任務(wù)是決定同一工況下開(kāi)機(jī)的臺(tái)數(shù)，一個(gè)站內(nèi)不可能出現(xiàn)不同工況同時(shí)運(yùn)行。至于混合式抽水蓄能電站，則調(diào)度的任務(wù)是分別決定常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)的臺(tái)數(shù)和

17、抽水蓄能機(jī)組發(fā)電的臺(tái)數(shù)。對(duì)于抽水蓄能電站調(diào)度的依據(jù)也是多方面的。如高峰時(shí)的功率、高峰持續(xù)時(shí)間，高峰電量；低谷時(shí)的功率、低谷持續(xù)時(shí)間；基荷向各電廠的分配、系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)備用量；各抽水蓄能電站上下庫(kù)的水位；各火電機(jī)組的微增煤耗值；系統(tǒng)負(fù)荷潮流；峰谷的電價(jià)；次日是否節(jié)假日或星期日這么多因子一般是非常難于全面考慮的。使用電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到系統(tǒng)的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是研究的方向。5我國(guó)抽水蓄能近況我國(guó)抽水蓄能電站的建設(shè)起步較晚，技術(shù)儲(chǔ)備不多。已經(jīng)選點(diǎn)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(xiàng)目有的已經(jīng)開(kāi)工，有的已開(kāi)始初設(shè)，有的已通過(guò)可行性研究。現(xiàn)將華東地區(qū)的三個(gè)點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹如下

18、。華東地區(qū)目前峰谷差已達(dá)3000MW，大機(jī)組比重較高，秦山核電站即將投產(chǎn)，調(diào)峰任務(wù)艱巨，抽水蓄能電站的建設(shè)巳很迫切。天荒坪位于浙江北部的安吉縣，它是一個(gè)人工圍建上、下庫(kù)的純抽水蓄能電站，能承擔(dān)3600MW的調(diào)峰能力?，樼鹕轿挥诎不諙|部的滁州市，它是利用已有的城西水庫(kù)作為下庫(kù)，人工修建上庫(kù)的純抽水蓄能電站，能承擔(dān)900MW的調(diào)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(kù)作為上庫(kù)，人工修建下庫(kù)，改造后成為混合式的抽水蓄能電站，包括原有40MW的水輪發(fā)電機(jī)在內(nèi)，其調(diào)峰能力有200MW。三個(gè)點(diǎn)的主要參數(shù)如下：參 數(shù)天荒坪瑯琊山響洪甸裝機(jī)容量 臺(tái)數(shù)容量 MW6300675240調(diào)峰能力 MW3600900200上庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容 萬(wàn)m3744900下庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容 萬(wàn)m37444075440工作水頭 m56612162主廠房型式地下式地下式地下式洞室尺寸 長(zhǎng)寬高m214245114620.541.4574.82146.4引水管型式隧洞隧洞隧洞截面 長(zhǎng)直徑 m1004632854.367508L/H2.611.