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抽水蓄能技术pumped-storagepowerstation主要内容一．概念和基本原理二．基本组成三．类型、适用和效益四．发展历程及前景电力的生产、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(其中最高时段称为高峰)；下半夜大幅度地下跌(其中最低时段称为低谷)，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。一．概念和基本原理一、概念和基本原理抽水蓄能电站的运行原理是利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时（夜间）做水泵运行，用基荷火电机组发出的多余电能将上水库的水抽到上水库存储起来，在电力负荷出现高峰（下午及晚间）做水轮机运行，将水放下来发电。一．概念和基本原理发电工况工作原理示意图抽水工况工作原理示意图1、离心泵工作原理动力机带动转轴，转轴带动叶轮在泵壳内高速旋转，泵内水体被迫随叶轮转动而产生离心力。离心力迫使液体自叶轮周边抛出，汇成高速高压水流经泵壳排出泵外，形成水的势能。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。离心力：由于物体旋转而产生脱离旋转中心的力。离心泵的一般特点（1）水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入，垂直于轴向流出，即进出水流方向互成90°。（2）由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水，因此在起动前必须向泵内和吸水管内灌注引水，或用真空泵抽气，以排出空气形成真空，而且泵壳和吸水管路必须严格密封，不得漏气，否则形不成真空，也就吸不上水来。（3）由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。如安装过高，则不吸水；此外，由于山区比平原大气压力低，因此同一台水泵在山区，特别是在高山区安装时，其安装高度应降低，否则也不能吸上水来。轴流泵是一种利用叶轮旋转对水体产生推力(升力)工作的大流量低扬程的水泵，主要是靠叶片的升力将流体引到出口，是轴向进，轴向出，具有流量大等优点。轴流泵输送液体不是依靠叶轮对液体的离心力，而是利用旋转叶轮叶片的推力使被输送的液体沿泵轴方向流动。当泵轴由电动机带动旋转后，由于叶片与泵轴轴线有一定的螺旋角，所以对液体产生推力(或叫升力)，将液体推出从而沿排出管排出。这和电风扇运行的道理相似，靠近风扇叶片前方的空气被叶片推向前面，使空气流动。当液体被推出后，原来位置便形成局部真空，外面的液体在大气压的作用下，将沿进口管被吸入叶轮中。只要叶轮不断旋转，泵便能不断地吸入和排出液体。轴流泵的工作是以空气动力学中机翼的升力理论为基础的。其叶片与飞机机翼具有相以形状的剖面，一般称叶片剖面为翼形。翼形的前端圆钝，后端尖锐，前表面(工作面)曲率小，下表面(背面)曲率大。当叶轮旋转时，水流在翼形的前端分成两股水流，它们经过翼形的上、下表面，然后同时在翼形的末端汇合。由于上表面的路径短，下表面的路径长，沿翼形下表面的流速要比沿翼形上表面的流速大，相应的翼形下表面的压力要比上表面小，因而水流对翼形产生方向向下的作用力R，同样，翼形对水流产生一个反作用力R＇，其大小与R相等、方向相反，作用在水流上，在此力的作用下，水沿泵轴方向上升。叶轮不停地旋转，水就不断地被捍升。轴流泵的特点：①轴流泵的优点a．流量大、结构简单、重量轻、外形尺寸小，它的形体为管状，因此占地面积小。b．立式轴流泵工作时叶轮全部浸没在水中，启动时不必灌泵，操作简单方便。c．对调节式轴流泵，当工作条件变化时，只要改变叶片角度，仍然可保持在较高效率下工作。②轴流泵主要缺点扬程太低，因此应用范围受到限制。由于轴流泵是低扬程、大流量的泵，故通常用于农业大面积灌溉和排涝、城市排水、输送需要冷却水量很大的热电站循环水以及船坞升降水位等。混流泵混流泵从外形、结构都是介于离心泵和轴流泵之间；混流泵的抽水原理，叶轮的高速旋转，既产生离心泵的离心力，又具有轴流泵的推升力，混流泵靠这两种力的混合作用而抽水。混流泵的使用性能也是介乎于离心泵和轴流泵之间，它和离心泵比较，扬程低一些，而流量大一些；它与轴流泵比较，扬程高一些，但流量又小一些。这对于我国幅员辽阔，地形复杂，多了一种泵型因地制宜的选用。抽水蓄能电站受两次能量转换的影响，运行效率较低，但在电力系统调峰、调频中能起着重大作用。可减少火电机组开停机次数，使核电站平稳运行，节省火电机组低出力运行的高燃料耗费和机组起停的额外燃料耗费，增长火电和核电机组运行寿命。在以火电、核电为主的电力系统中，修建适当比例的抽水蓄能电站还是经济的。一．概念和基本原理二、抽水蓄能电站的结构组成1—上水库；2—进（出）水口；3—输水道；4—输水道调压井；5—厂房；6—主变洞；7—尾闸室；8—尾水道；9—尾水调压室；10—出（进）水口；11—下水库8311107654219电站枢纽布置1.上水库。抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时段由水库放下来发电。二、抽水蓄能电站的结构组成2.输水系统是输送水量的工程设施，在水泵工况(抽水)把下水库的水量输送到上水库，在水轮机工况(发电)将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。二、抽水蓄能电站的结构组成3.地下厂房。地下厂房包括主、副厂房、主变洞、母线洞等洞室。厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所，也是电厂生产的中心。抽水蓄能电站无论是完成抽水、发电等基本功能，还是发挥调频、调相、升荷爬坡和紧急事故备用等重要作用，都是通过厂房中的机电设备来完成的。主厂房主变室尾水闸门洞地下厂房洞室群4.开关站及出线场有开关设备，通常还包括母线，但没有电力变压器的变电站。其作用就是分配高、中压电能。•5.下水库。抽水蓄能电站的下水库也是蓄存水量的工程设施，负荷低谷时段可满足抽水水源的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水的水量。天荒坪抽水蓄能电站工程示意图广州从化抽水蓄能电站1、抽水蓄能电站的特点•1）需要水但基本上不耗水，故其规模不象常规水电那样取决于所在站址的来水流量和落差，而主要取决于上下池容积和落差，更主要的是取决于所在电网可供低谷时抽水的电量。•2）电站型式很多，适应性强，可视情况选定，在山区、江河梯级、平原均可修建抽水蓄能电站，关键在于因地制宜择优选择。三、抽水蓄能电站的特点、类型、适用及效益抽水蓄能电站和常规水电站的不同点•一从电站的枢纽布置来看，抽水蓄能电站有上、下两个水库。常规水电站一般仅有一个水库。•二从安装的机组来说，抽水蓄能电站有四机分置式(装有水泵和电动机、水轮机和发电机)、三机串联式(即电动发电机，与水轮机、水泵连结在一个直轴上)和二机可逆式(一台水泵水轮机和一台电动发电机联结)。而常规水电站仅装有水轮机和发电机。•三从静态功能来说，抽水蓄能电站既能发电调峰，又能抽水填谷，而常规水电站仅能发电调峰。从动态功能来说，抽水蓄能电站和常规水电站均能承担调频、调相和事故备用等任务。但抽水蓄能电站在发电或抽水过程中，均可进行调频、调相，尤其是在抽水工况调相时，经常进相吸收无功功率。•四从投资构成来看，由于大型抽水蓄能电站的机组目前主要依靠国外技术或从国外进口，机电设备价格较高，往往机电设备的投资占总投资的一半或更多；而常规水电站的机组一般国内都能自已制造，机电设备投资大约占总投资的四分之一左右。•五从在电网中的地位来看，由于抽水蓄能电站具有多种功能，电网常把它作为综合管理的工具，往往在负荷中心附近寻找有条件的站址建设抽水蓄能电站。常规水电站受自然条件影响更大，在负荷中心附近不是到处能找到可以开发的站址的，由于水能资源丰富的地区往往远离负荷中心，电站建成后需远距离输送电能到用电地区。•六设备和运行方面的不同•1、双向旋转。由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因此电动发电机也需按双向运转设计。在电气上要求电源相序随发电工况和驱动工况而转换；同时电机本身的通风、冷却系统和轴承结构都应能适应双向旋转工作。•2、需有专门启动设施。可逆式电动发电机作电动机运行时，而必须采用专门的启动设备(SFC)，从电网上启动，或采用背靠背方式各台机组间同步启动。•3、频繁启停。抽水蓄能电站在电力系统中担任调峰填谷、调频调相及事故备用的作用，一般每天要启停多次。天荒坪抽水蓄能电站每台机组每天启停8—12次，广州蓄能水电厂机组启停则更加频繁。•4、保护配置不同。与常规水力机组相比，蓄能机组多了相序监测、低频保护、低功率保护、逆功率保护和低频过流保护等特有的保护。•5、运行方式不同。常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供电能。蓄能电站不仅可以发电，还可在电网用电低谷时进行抽水，把多余的电能转化为势能储存起来。抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进行，故其运行灵活性更大。此外，蓄能机组如果在抽水时遇电网发生重大事故，则可以由抽水工况快速转换为发电工况，即在一两分钟内，停止抽水并以同样容量转为发电。三、抽水蓄能电站的类型、适用及效益•2、分类•按与常规电站的结合情况分：纯抽水蓄能、混合式抽水蓄能•按调节性能分：日调节、周调节、季调节•按水头分：600m单级可逆式；600m多级或三机式•按布置特点分：地面式、地下式•按机组类型分：四机式、三机式、两机式纯抽水蓄能电站：专为电网调节修建的，与径流发电无关。如图所示。其上池没有水源或天然水流量很小，需将水由下池抽到上池储存，用于电力系统负荷处于高峰时发电。水在上池、下池循环使用，抽水和发电的水量基本相等。流量和历时按电力系统调峰填谷的需要来确定。纯抽水蓄能电站，一般没有综合利用的要求，仅用于调峰、调频，故不能作为独立电源存在，必须与电力系统中承担基本负荷的火电厂、核电厂等电厂协调运行。纯抽水蓄能电站混合式抽水蓄能电站，如图所示。其上水库有一定的天然水流量，下水库按抽水蓄能需要的容积在河道下游修建。在混合式抽水蓄能电站内，既安装有普通水轮发电机组，利用江河径流调节发电；又安装有抽水蓄能机组，可从下水库抽水蓄能发电，进行蓄能发电，承担调峰、调频、调相任务。混合式抽水蓄能电站三、抽水蓄能电站的类型、适用及效益按调节规律分：日调节：每日中午、夜间抽水，上、下午、晚上负荷期发电，水库的库容量按每日调峰的发电量决定。如图所示，在电力系统低谷负荷时抽水蓄能电站利用系统多余电能由机组把下水库的水抽到上水库储存，上水库处于高水位。如图所示，在白天电力系统尖峰负荷时将上水库的水放下由机组发电供给系统，上水库处于低水位。周调节：周一---周五每个工作日均有一定次数的抽水及发电，但每日的发电量大于抽水量，故上库的水量逐日减少，到周末时上库基本接近于防空。但周末工业负荷小，利用此时间段抽水，至周一，水库又蓄满水。按周调节设计水库的库容量比日调节水库的库容量大。三、抽水蓄能电站的类型、适用及效益季调节：利用径流式水电站丰水期季节性电能抽到另一个水库中蓄起来，到枯水期再放下来发电。年调节：多为混合式电站。按厂房形式分：地面式、地下式、半地下式。按水头高低分：低水头（100m以下），中水头(100m-700m),高水头（700m以上）。三、抽水蓄能电站的类型、适用及效益按机组形式分：分置式（四机式）、串联式（三机式）和可逆式（两机式）、多级可逆式水轮机抽水蓄能电站。早期的发展是以蓄水