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抽水蓄能电站的基本原理与站址选择

 kenu 2022-08-03 发布于上海

水电专栏

·洞见

抽水蓄能电站的基本原理及组成

   一、 

概述

抽水蓄能电站是水电站的另一种形式,是一种特殊形式的水电站,由上水库、下水库、输水道、厂房及开关站等部分组成,是一种储存电的仓库。抽水蓄能电站利用的是可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的抽水蓄能机组,当夜间因部分用户用电停止,而各种大型火电、水电、核电不能大幅度停机或少发电,电力系统出现剩余电量时,抽水蓄能电站可以利用这些剩余电量,开动设备把低处的水抽到高处蓄存起来,等到电力系统用电高峰时,再把高处的水放下来,带动水轮发电机组发电,把电力送回电网,供给用户用电,发电后的水仍回到低处。如此循环往复的操作运用,促使整个电网运行灵活可靠、安全经济。

   二、 

基本原理

抽水蓄能电站是根据电能转换原理工作的,如图1-1所示。它利用午夜系统电力负荷低谷时的多余容量和电量,通过电动机水泵将低处从下水库的水抽到高处上水库中,以水为载体将这部分低谷电能转换成水的势能蓄存起来,待到次日电力系统用电负荷回升时,再将上水库的水通过水轮发电机组放回下水库,将水的势能转换成电能送回电网,以补充不足的尖峰容量和电量,满足系统调峰需求。如此不断循环工作。这样,既避免了火电机组反复改变出力运行所带来的弊端,又增加了电力系统峰荷供电能力;既解决了电力系统的调峰问题,又提高了电力系统的运行安全性和经济性。从这个意义上说,抽水蓄能电站实际上是一种能量转换装置,利用水为载体,将电力系统的电能在时间上重新分配,以协调电力系统的发电出力与用电负荷在时间分配上的不一致,从而使电力系统达到安全、经济运行的目的。这种转换是现代电力系统不可或缺的,虽然在转换过程中不可避免地要产生能量损失,但给整个电力系统带来了许多好处。

  三、 

抽水蓄能电站的组成

任一抽水蓄能电站的组成都包括上、下水库和厂房,至于输水系统的具体组成建筑物则因条件不同有较大的差异。一般来讲,抽水蓄能电站的主要组成建筑物由上游开始依次是:①上水库;②进(出)水口;③引水道和调压室;④压力管道;⑤厂房;⑥尾水道和调压室;⑦出(进)水口;⑧下水库。

如果压力水道是直接从上水库取水,则引水隧道、调压室都可以省掉;如果厂房布置在地下,尾水隧洞又很长,则要设尾水调压室。

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图1-1 抽水蓄能电站能量转化过程示意图

(一) 上、下水库

混合式抽水蓄能电站的上水库一般为已建成的水库,下水库可能是下一级电站的水库或为用堤坝修建起来的新水库。纯抽水蓄能电站多数是利用现有水库为下水库,而在高地上或山间筑坝建成上水库。人工修筑的水库,其容量除应满足全天发电所需的水量外,另有一定的备用库容,以抵消蒸发量和渗漏量。据估计,大型抽水蓄能电站每年损耗水量可达100万~200万m3。上水库的修筑工程量巨大,库容宝贵,库底及边壁都应有防渗保护措施,国内外广泛使用沥青混凝土全面覆盖或混凝土板防护。

(二) 引水系统(高压部分)

与常规水电站一样,抽水蓄能电站引水系统的高压部分包括上下库的进水口、引水隧洞、压力管道和调压室。上水库的进水口在发电时是进水口,但在抽水时是出水口,故称为进出水口。为满足双向水流的要求,进出水口应按两种工况的最不利条件设计。常规水电站在进水口都装有拦污栅。

(三) 引水系统(低压部分)

地下电站的尾水部分(低压部分)是有压的,通常也做成圆断面的隧洞,如隧洞较长,一般需在机组下游修建尾水调压井。因为引水系统高压部分的造价一般比低压部分高,故现在趋向于将厂房向上游移动,也就是尾水隧洞将会更长,产生负压的可能性也就更大。

(四) 电站厂房

中低水头抽水蓄能电站或为坝后式或为引水式,都可使用地面厂房。水轮机工况的排水和水泵工况的吸水都直接连通到尾水渠。由于水泵的空化性能比水轮机要差,机组中心必须安放在比常规水轮机更低的高程。高水头抽水蓄能电站几乎没有例外地都采用地下厂房,不少中低水头的抽水蓄能电站也使用地下厂房。现在高水头抽水蓄能电站机组中心已达尾水面以下70~80m,厂房内所有管道都要承受很大的压力。多数的地下电站都将变压器安装在地下,故需专门开挖一个洞室放置变压器。如电站需要修建尾水调压井,则常常将几台机组的尾水闸门连通,形成第三个洞室。由于既接近负荷中心又具有很高水头的站址不太好寻找,选址的一个出路就是向地下发展。

抽水蓄能电站的站址选择

 一、

站址选择的基本原则

(一) 站址布局合理

抽水蓄能电站的布局要因地制宜,不要强求一律。一般而言,在一个大电网内应适当集中,尽可能修建高水头大容量的抽水蓄能电站,以降低单位千瓦造价和加强电网统一调度。适当分散布置站址,以满足地区电网调峰的要求,尽可能做到就地平衡,避免大范围内大进大出的电力交流;同时容易发挥地方的积极性,有利于早日集资兴建。

(二) 地形条件好

对于抽水蓄能电站的站址,地形条件好是首要条件。衡量地形条件好坏的一个主要指标是距高比,即L/H值。L是指上下水库的水平距离,习惯上常以输水道的总长度来表示;H是指上、下水库的高差,习惯上常以电站水头表示。距高比L/H小的站址,是经济合理的站址。这是因为一方面H越高,单位水体所能转换的能量越大,在蓄能总量相同条件下,上、下水库间循环流量就越小。因而水库规模、输水道直径、厂房和机组尺寸都小。另一方面,L越小,输水道长度越短。这两方面因素组合在一起,会使抽水蓄能电站投资大大下降,根据统计资料,多数抽水蓄能电站的距高比L/H为4~10。我国现阶段宜建高水头大容量的抽水蓄能电站,应以水头H=300~600m和L<3.5km为宜。水头太高,就得选用多级可逆式蓄能机组,技术较复杂,对承担调峰也不利。水头低于100 m的抽水蓄能电站除电网特别需要外最好不建。

良好的地形条件还在于:在所选站址区内,有已建人工水库或天然湖泊可作为未来新设计抽水蓄能电站的上水库或下水库,以节省工程投资;或者有宽阔的河谷、凹地可以用来兴建上、下水库,以较小的工程投资取得较大的库容。

(三) 地质条件好

抽水蓄能电站站址地质条件的重要性在于它直接影响水库防渗措施、隧洞、地下厂房的结构形式与施工条件。

库区基岩要完整,无集中渗漏通道,水库蓄水后不会引起严重渗漏,这对上水库尤为重要,因为抽水蓄能电站上水库的每一方水,都是消耗电能提升上来的,水库渗漏不仅造成水量损失,而且也带来能量损失。

抽水蓄能电站水头一般都较高,因而机组装置高程都较低,为了解决布置上的困难,厂房和输水道一般都位于地下。若这些建筑物处在新鲜而完整的岩石之中,就可减少衬砌或不用衬砌,施工临时支护省、进度快,因而良好的地址条件可节约大量投资。

(四) 地理位置好

抽水蓄能电站的站址,一般应选择在距负荷中心近或靠近受电电源点(即提供抽水电能的基荷电站)的地区,这样不仅减少输电线路的投资,而且减少电站在送电和受电时的线路电能损失。大城市负荷中心附近或已有主要输电干线附近是抽水蓄能电站理想的地理位置。

(五) 水源应有保证

抽水蓄能电站本身虽不消耗水量,但需要一定的水量作为能量的载体进行能量转换,同时需要一定的水源以补充蒸发、渗漏等损失,所以抽水蓄能电站的站址应选在河流、湖泊或现有人工水库的附近,以便有足够的水量来进行首次蓄水和以后运行期间长期的水量补充。

(六) 应有廉价的抽水电源

抽水蓄能电站在深夜负荷低谷时抽水,消耗大量电能。巨型火电站和核电站,电能生产成本低,能给抽水蓄能电站提供廉价的电能,而抽水蓄能电站的投人,又改善了火电站和核电站的运行条件,所以抽水蓄能电站常与核电站甚至巨型火电站配套建设。

(七) 对外交通方便

所选站址要靠近现有公路、铁路,或有良好的水运条件,可加快前期工作进,减少施工准备工程量,同时方便物资运输和人员往来。

应该指出的是,要同时符合以上七个条件的站址是比较少的,有时为了满足某一条件,不得不放弃另一条件。例如,有少数抽水蓄能电站的距高比L/H>10多半是为了利用已有人工水库或天然湖泊之故。在这种情况下,上、下水库的距离和高差已经给定,但如果上、下水库的投资节约足以补偿输水道较长而增加的投资,则在经济上仍然是合算的。所以,选择抽水蓄能电站的站址时,不能孤立地考虑每个条件,而应综合分析论证,力求总体评价最佳。

  二、 

站址选择的基本程序

抽水蓄能电站的站址选择,必须在抽水蓄能电站资源普查的基础上进行。这是因为抽水蓄能电站的站址,不受天然水源和自然落差的限制,因而其资源普查范围,不是像常规水电站那样局限于沿河流一条狭长地带,而是电力系统覆盖的整个地区,需要普查的面很广,可供选择的站址较多,而不同站址由于建设条件的差别引起的电站规模、投资、作用和效益的差异可能是相当大的。因此,选择站址必须首先开展区域性资源普查工作,只有通过资源普查,摸清所有可能开发站址的基本建设条件,才有可能经过比较,从中选出较好站址;否则,如果只看到局部地区的个别站址,就急于开展前期工作,便会白白浪费了时间和经费。在实际工作中,这方面经验教训也不少,所以一定要在资源普查基础上选择抽水蓄能电站的站址。

抽水蓄能电站站址的选择,至今尚未制订统一的程序,大致可分为以下几个步骤。

(一)  室内作业

室内作业主要是在1:50000或1:10000的地图上找出地形较好、落差较大、工程布署较集中,并有一定水源条件的可能开发的站点,在图上量测其库容、水头等主要指标,进而估算可能的装机规模,经定性分析和初步筛选后,留下较好的站点作为现场调查的对象。

在室内作业中,应充分利用航天和航空遥感资料进行选点定位工作,使外业调查对象更明确、更具体。

(二) 外业调查

外业调查主要是对已选定的较好的站点收集或实测地质、地形、地势地貌、水文、交通以及社会经济、环境等各方面必要的原始资料与数据。在外业调查过程中,特别要注意查明那些对站点具有颠覆性的因素,如地质条件差、区域地质不稳定、地震烈度高、坐落在自然保护区内等。具有这些不良因素的站点,在现场即可加以排除,没有必要再作深一步的调查与研究。现将各工程部位在规划阶段的查勘重点内容说明如下:

(1)库区。上水库的查勘重点是水库蓄水后的可能渗漏情况及由于渗漏可能引起的库岸和山体的失稳、输水道和厂房等地下建筑物外水压力的提高,已有建筑物的失事和低凹地区的浸没等对生态环境的影响。下水库的查勘重点是水库蓄水后可能引起的库岸坍滑、淹没、淤积和生态等问题。

(2)坝址。查助重点是初步查明坝址区的覆盖情况和地质构造、建坝蓄水后坝基和坝肩的渗漏及稳定等问题。

(3)地下厂房和输水道。对初步拟定的厂房和输水道等地下洞室群的工程地质条件作一般性的了解,初步查明洞室的覆盖厚度、地质构造、地下水动态、施工中可能遇到的同题(如坍方、岩爆、断层、溶洞、地应力、地下水等)、洞室轴线的合理方向等。

(三) 规划选点

在普查的基础上,经筛选保留下来较好的站点,可以初步拟定工程布置方案,初估工程量、投资和工期,重新计算各主要参数和主要指标,其中包括装机容量,年发电量,年抽水耗电量,上、下水库正常蓄水位,死水位和蓄能库容,发电水头,抽水扬程等,并对各站点的主要优、缺点加以评述,以备进一步比选。其具体内容如下:

(1)确定抽水蓄能电站的总装机容量

抽水蓄能电站的装机容量根据设计负荷水平年的日负荷图用能量平衡法确定。如抽水蓄能电站同时具有周调节和季调节的功能,则尚须周负荷图和年负荷图。抽水蓄能电站总装机容量的大小取决于系统负荷的大小、负荷图的形状和系统中是否有可调节的水电站等因素。

由于在一个抽发循环中有能量损失(总效率约为0.7),抽水所吸收的电能总是大于发电时所提供的电能。抽水所需的装机容量与发电所需的装机容量之比(抽发比)还与负荷图的形状有关,但一般均大于1.0。由于抽水工况只承担抽水蓄能的功能,而发电工况除向系统提供电能外还能担负旋转备用和调频等任务,故水泵工况装机容量选得过大是不经济的。近代的抽水蓄能电站多采用可逆式机组,抽水工况的装机容量与发电工况的装机容量之比基本上都接近1.0。

(2)初步选择抽水蓄能电站站址

根据上述的抽水蓄能电站总装机容量,在小比例尺的地形图上初步选择一个或几个抽水蓄能电站站址。站址的位置应接近大的负荷中心和大的基荷电站(如核电站或大火电站)以及系统的主要输电线路。站址应具有较大的落差,有已建水库和天然湖泊可以利用或有合适的地形可建造水库。

若有几个站址,可根据水头与库容初步确定各电站的装机容量,进行枢纽布置,根据初步确定的建筑物尺寸,估算工程量和投资,通过技术经济比较,选择第一期开发的工程。由于系统负荷是逐步增长的,且实际的增长过程可能和规划的增长过程有很大的出入,故抽水蓄能电站应根据系统负荷的实际增长过程逐个加以开发。

(3)选择抽水蓄能电站的特性参数

根据电力系统的要求和选定站址的自然条件,通过技术经济比较,最后选定抽水蓄能电站的特性参数。在各特性参数中,最主要的是装机容量。在水头已定的条件下,装机容量的大小取决于库容的大小,亦即取决于挡水建筑物的高低。对于利用已有水库和天然湖泊的情况,有的还可根据需要与可能考虑加高建筑物以增加调蓄库容。这些都应通过全面的技术经济比较来确定。

(四) 推荐近期开发站址

从已经选定的、具有较好建设条件的站址中,根据电网调峰的需求和各站址的具体建设条件,遵照站址选择的基本原则,通过进一步的比较、分析、论证工作,好中择优,推荐出具有近期开发价值的抽水蓄能电站的站址,进行电站规划设计的前期工作。

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