抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

抽水蓄能電站可逆式水泵水輪機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望摘要：抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、事故備用等功能，是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，而調(diào)速器是水電站運(yùn)行設(shè)備中的核心部件，其可靠性直接影響著整臺(tái)水輪一發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，乃至整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；水泵水輪機(jī)；發(fā)展引言抽水蓄能電站可逆式機(jī)組在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，不僅有調(diào)峰填谷、季節(jié)性調(diào)蓄等靜態(tài)功能，更具有調(diào)頻、負(fù)荷調(diào)整、同步調(diào)相運(yùn)行、同步旋轉(zhuǎn)備用、滿足負(fù)荷突變的要求等動(dòng)態(tài)效益，這些優(yōu)勢(shì)是其他調(diào)峰方式所不能比擬的。電站建設(shè)的必要性由于風(fēng)力發(fā)電是間歇性發(fā)電，其不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和電力供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性都帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。與其他儲(chǔ)能方式相比，抽水蓄能是當(dāng)今世界上技術(shù)最成熟、最經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模儲(chǔ)存電能的方式，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75％。抽水蓄能的比例也是一個(gè)國(guó)家能源使用效率和提高清潔能源使用率的重要指標(biāo)，發(fā)達(dá)國(guó)家的抽水蓄能與總裝機(jī)的比重在3%?10%之間，其中英國(guó)和日本分別達(dá)到了4%和10%，我國(guó)僅為1.6％。所以，在風(fēng)電集中和即將進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的建設(shè)抽水蓄能電站，從而把隨機(jī)的、質(zhì)量不高的風(fēng)電電量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、高質(zhì)量的峰荷電量。這不但能夠解決大比例風(fēng)電入網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響并減少低谷期風(fēng)電棄風(fēng)的問(wèn)題，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)清潔能源發(fā)展和保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的目標(biāo)，將對(duì)促進(jìn)甘肅新能源利用，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用?？赡媸剿盟啓C(jī)水泵水輪機(jī)的型式抽水蓄能電站首先于1882年在瑞士的蘇黎世誕生，至今已有100多年的歷史了。抽水蓄能電站的主要設(shè)備是抽水蓄能機(jī)組，最早使用的蓄能機(jī)組是四機(jī)式機(jī)組,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了可以雙向運(yùn)行的水力機(jī)組，它向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)抽水，向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)發(fā)電，這樣的機(jī)組稱為可逆式水泵水輪機(jī)（又稱為兩機(jī)式機(jī)組）。分析國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站的現(xiàn)狀表明，由于可逆式蓄能機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、土建工程量小等特點(diǎn)，從1970年后建成的和當(dāng)前正在施工建設(shè)的所有抽水蓄能電站，在水頭范圍4?600m內(nèi)，全部采用可逆式水泵水輪機(jī)組?？赡媸剿盟啓C(jī)的工作水頭范圍與反擊式水輪機(jī)的工作水頭范圍一致，隨著相應(yīng)水頭的不同，可以做成混流可逆式、斜流可逆式及貫流可逆式機(jī)組。其中混流可逆式水泵水輪機(jī)在可逆式水泵水輪機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。例如，在我國(guó)已經(jīng)投入使用的天荒坪抽水蓄能電站和廣州抽水蓄能電站均采用300MW單機(jī)混流可逆式水泵水輪機(jī)組?？赡媸剿盟啓C(jī)的發(fā)展隨著新技術(shù)和新設(shè)計(jì)理念在抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)計(jì)與制造中的廣泛應(yīng)用，可逆式水泵水輪機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有：（1）高水頭化隨著技術(shù)的發(fā)展，單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)的使用水頭越來(lái)越高，目前單級(jí)可逆式機(jī)組的應(yīng)用水頭已超過(guò)常規(guī)水輪機(jī).目前世界上單級(jí)可逆水泵水輪機(jī)水泵揚(yáng)程最高的是日本的葛野川抽水蓄能電站，最大毛水頭751m，水泵工況最大揚(yáng)程778m；（2）大容量化采用更大的單機(jī)容量,水電機(jī)組所需要的金屬材料和機(jī)械加工量并不隨容量增高而成比例上升。相反，隨單機(jī)容量增大，機(jī)組臺(tái)數(shù)減少，機(jī)電設(shè)備的成本就隨之降低了。另外，機(jī)組臺(tái)數(shù)少可以簡(jiǎn)化電站控制系統(tǒng)，降低費(fèi)用，在一定范圍內(nèi)，單機(jī)容量的增大能帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益；（3）高轉(zhuǎn)速化水泵水輪機(jī)的工作水頭大小決定于轉(zhuǎn)輪的線速度，為了達(dá)到此線速度可以使用較大的轉(zhuǎn)輪直徑或較高的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是保持一定范圍的轉(zhuǎn)輪直徑而采用盡量高的比轉(zhuǎn)速。存在問(wèn)題（1）在高水頭化過(guò)程中，高水頭單級(jí)水泵水輪機(jī)的水力效率比中、低水頭機(jī)組降低；水泵水輪機(jī)過(guò)流部件所承受的水壓增大；引水系統(tǒng)承受的壓力增大，過(guò)渡工況不穩(wěn)定性增加；使水泵水輪機(jī)的汽蝕性能下降。雖然單級(jí)水泵水輪機(jī)水頭的發(fā)展成上升趨勢(shì)，但由于受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，水泵的最大揚(yáng)程800m已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用的上限。（2）提高比轉(zhuǎn)速也會(huì)引起水泵水輪機(jī)的汽蝕特性惡化，從而要求在電站中有更大的掩埋深度，增加電站設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和投資。例如，1980年建成的奧地利庫(kù)泰伊蓄能電站可逆式機(jī)組是一個(gè)典型的用增加掩埋深度來(lái)?yè)Q取高轉(zhuǎn)速的實(shí)例。此機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到600r/min,淹沒(méi)深度48m（最大為78m）。按發(fā)電水頭398m計(jì)算，比轉(zhuǎn)速為128，K值為2550，對(duì)于這一水頭，此機(jī)組的比轉(zhuǎn)速是相當(dāng)高的。（3）隨著單機(jī)容量的增大,在施工建設(shè)中會(huì)遇到一系列的技術(shù)困難。例如,機(jī)組中的部分大尺寸部件、轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、座環(huán)等可能因尺寸過(guò)大而受到運(yùn)輸條件的限制,不得不采用更多的分瓣結(jié)構(gòu)或現(xiàn)場(chǎng)加工,這就造成電站在建設(shè)中的不便,增加了建設(shè)困難。水泵水輪機(jī)的研究現(xiàn)狀國(guó)外水泵水輪機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀國(guó)外水泵水輪機(jī)的研究起步早,目前國(guó)外在水泵水輪機(jī)技術(shù)處于領(lǐng)先的公司有日立公司、東芝公司、三菱集團(tuán)、富士公司、阿爾斯通電力公司、伏依特—西門(mén)子水電公司、VA-Tech水電公司、GE水電公司等。目前國(guó)外低水頭混流式水泵水輪機(jī)技術(shù)成熟,相關(guān)文獻(xiàn)較少；高水頭混流式水泵水輪機(jī)技術(shù)是研究的熱點(diǎn),主要集中在500?700m高水頭水泵水輪機(jī)的研究，涉及的范圍在水力性能、結(jié)構(gòu)性能以及試驗(yàn)等方面。由于西歐國(guó)家蓄能電站開(kāi)發(fā)已接近飽和,而日本的水泵水輪機(jī)技術(shù)始于20世紀(jì)80年代末，目前技術(shù)正處于技術(shù)高峰期，并不斷往高水頭大容量方向發(fā)展，所以可供參考的相關(guān)文獻(xiàn)也較多。在振動(dòng)與應(yīng)力問(wèn)題方面：吉田正博指出600?700m水頭400MW級(jí)大容量水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵是振動(dòng)問(wèn)題，也就是說(shuō)機(jī)組的結(jié)構(gòu)問(wèn)題非常重要，在水力性能研究方面：①Na-KanmmT針對(duì)高水頭高轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部分負(fù)荷下轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)、空化性能惡化的問(wèn)題，借助CFD技術(shù)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)輪出口形狀和下環(huán)形線來(lái)改善壓力脈動(dòng)和空化性能，取得滿意結(jié)果。并用流態(tài)模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證了部分負(fù)荷下的空化、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)性能；②木本欲針對(duì)設(shè)定的真機(jī)規(guī)格參數(shù)的流道形狀進(jìn)行了葉片數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出9個(gè)葉片比7個(gè)葉片的轉(zhuǎn)輪性能好的結(jié)果。國(guó)內(nèi)可逆式水泵水輪機(jī)的研究現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)的研究始于20世紀(jì)70年代初。進(jìn)入21世紀(jì)以后，國(guó)家科研把可逆式水泵水輪機(jī)的研制工作提到重點(diǎn)日程上．從這段時(shí)期的文獻(xiàn)來(lái)看，研究范圍廣泛，涉及過(guò)渡過(guò)程的研究、水泵水輪機(jī)的參數(shù)選擇和優(yōu)化探討、模型試驗(yàn)臺(tái)的建立及模型試驗(yàn)研究、國(guó)外機(jī)組引進(jìn)消化研究、水力性能的模擬研究以及除轉(zhuǎn)輪外的其他水力部件的研究。于治觀等計(jì)算了混流式水泵水輪機(jī)泵工況起動(dòng)過(guò)渡過(guò)程，用內(nèi)特性法推導(dǎo)了考慮導(dǎo)葉漏水轉(zhuǎn)矩泵工況起動(dòng)時(shí)的計(jì)算公式，對(duì)工程有重大的應(yīng)用價(jià)值；另外對(duì)混流式水泵水輪機(jī)裝置泵工況斷電過(guò)渡過(guò)程提出了解析計(jì)算的方法；林宵漢等針對(duì)抽水蓄能電站仿真中Suter法描述水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪特性時(shí)的小開(kāi)度問(wèn)題和多值問(wèn)題提出了水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪特性描述新方法及其工程應(yīng)用；紀(jì)興英等對(duì)混流式水泵水輪機(jī)三維湍流數(shù)值分析對(duì)水泵工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；周嘉元等針對(duì)水輪機(jī)全特性圖上的“S”形特性，從理論上分析了其產(chǎn)生的原因及對(duì)抽水蓄能電站運(yùn)行的影響，并結(jié)合實(shí)際剖析了“S”形特性對(duì)抽水蓄能電站日常運(yùn)行的影響和常用的解決方法等。結(jié)語(yǔ)綜上所述，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)雖然起步較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點(diǎn)卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站技術(shù)已達(dá)到世界水平。可喜的是，隨著國(guó)內(nèi)一些大型抽水蓄能電站的開(kāi)工建設(shè)，抽水蓄能機(jī)組國(guó)產(chǎn)化的步伐將大大加快，機(jī)組制造技術(shù)水平可望迅速提高，屆時(shí)必將促進(jìn)我國(guó)抽水蓄能電站的建設(shè)。參考文獻(xiàn)：[