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1、 中国抽水蓄能水电站的建设 摘要随着国家经济的高速发展，电网规模越来越大，抽水蓄能电站在电网中的作用与地位日趋显著，已从早期的调峰填谷改善电源品质逐步过渡到电力系统不可或缺的管理工具，得到了水电建设部门与运行管理机构的高度重视。抽水蓄能电站，是一种具有启动快、负荷跟踪迅速和快速反应的特殊电站。本文主要介绍抽水蓄能电站的一些基本知识，包括抽水蓄能电站的工作原理及其功能，适用的电力系统，还有它的静态效益和动态效益，以及电站的特点与组成。关键词：抽水蓄能电站；原理；功能；经济效益中国抽水蓄能水电站建设始于20世纪60年代后期，从国外引进第一台抽水蓄能机组(安装在河南省岗南水电站)，至今已有三十多年的
2、历史。近二十年来，中国的抽水蓄能电站有了不较快的发展，最早开始进行前期勘测设计工作的是北京十三陵抽水蓄能电站。当时由于认识上的不同意，对建设抽水蓄能电站存在异议。因此，围绕十三陵抽水蓄能电站建设的必要性，可行性级经济型的重大问题，做了摄入的分析论证工作。为政府部门的决策而提供了科学依据，从而大大的促进了抽水蓄能电站的立项和开工建设。通过多年对抽水蓄能电站所做的大量分析论证工作，目前不管是规划设计部门，还是运行管理部门，主管决策部门，对抽水蓄能电站在电网中的作用于效益都有了了一个比较深入的了解，对修建抽水蓄能电站的必要性与经济性在认识上逐渐统一，在工作过程中逐步形成了一套比较系统的抽水蓄能电站经
3、济效益分析计算与评价方法也被接受。所有这些工作，对推动中国抽水蓄能电站的发展都起到了重要作用个，随着最近几年一批高水头，大容量的抽水蓄能电站相机建成发电，标志着中国的抽水蓄能电站进入了一个新的发展阶段。1抽水蓄能电站工作原理电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高；下半夜大幅度地下跌，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产
4、生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化时流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。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
5、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。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
6、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
7、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
8、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抽水蓄能电站的运行3.1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：3.1.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。3.1.2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
9、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。3.1.3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。3.1.4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
10、期方式并网。3.1.5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。3.2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
11、)如下：工况转变 三机式 两机式从静止至水轮机满载 80 80从水泵满载至水轮机满载 60 120从静止至水泵满转 120 300从水轮机满载至水泵满载 40 4003.3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
12、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。4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
13、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：5中国抽水蓄能水电站发展前景5.1电力工业的迅速发展，电源结构的不断优化，为抽水蓄能电站发展提供了机遇。近年来，随着电力工
14、业的发展与国民经济结构的调整，中国电力供求形势发生了新的变化，电力供求矛盾趋于缓和，绝大部分地区严重缺点的局面整逐步得到缓解，有的地方还出现了电力供大于求的现象。中国的电力发展速度已经有过去主要取决于投资规模逐步转变为市场需求来决定。参 数天荒坪琅琊山响洪甸装机容量 台数容量 MW6300675240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 长宽高m214245114620.541.4574.82146.4引水管型式隧洞隧洞隧洞截面 长直径 m10046
15、32854.367508L/H2.611.412机组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同轴起动电机背靠背出线电压 kV500220110为提高电网供电质量，降低供电成本，在电源结构上需进行调整。由于目前水电占的比重偏低，为此提出了“大力发展水电，优化发展火电，适当发展核电，因地制宜发展新能源发电，开发与节约并重”的建设方针，在沿海缺能省份，要发展核电和燃气蒸汽联合循环机组。在边远地区和有条件的农村，要充分利用当地水力资源，风能资源，因地制宜利用新能源即可再
