抽水蓄能电站的原理及工作机制

抽水蓄能电站是一种特殊型式的水电站,它由上水库、下水库、输水道、厂房及开关站等部分组成。抽水蓄能机组,在发展初期,因受设备制造技术水平限制,多采用电机、水泵和水轮机组合,当今的抽水蓄能电站,水头不超过700m 的(目前最高已达800m),已广泛采用单级水泵水轮机,大大降低了电站厂房及输水管道布置的复杂性,减少了工程量和工程投资,促进了抽水蓄能电站的发展。抽水蓄能电站的工程布置如图1.1所示(见插页)。

电力系统的发电设备总装机容量是按最大用电负荷(包括输变电损失)加备用容量设置的,而实际供电出力是由用电负荷决定的。就日运行方式而言,当电力系统出现用电高峰时(一般出现在下午或傍晚),发电设备除检修、冷备用容量及受阻容量外基本满载运行,而在电力系统出现用电低谷时(一般出现在后半夜),由于用电负荷减少,迫使发电系统降低出力运行,以保持电力系统功率平衡。如果电力系统有足够的水电容量或燃气轮机容量,将一部分水电机组或燃气轮机组停运即可满足负荷降低要求。假如电力系统水电容量和燃气轮机容量不足,则必须使一部分火电机组降低出力运行(部分单机容量较小的火电机组也可实行停机运行,但当其容量不足时,必将迫使大容量火电机组降低出力运行),待用电负荷上升时再提高出力运行。这样,用电负荷低谷时段可能产生以下两种情况:

(1)全部在运行的火电机组技术最小出力之和与水电及燃气轮机减出力容量之差小于或等于低谷负荷;

(2)全部在运行的火电机组技术最小出力之和与水电及燃气轮机减出力容量之差大于低谷负荷。

第一种情况系统可通过调整发电出力来保持功力平衡,保持系统稳定运行。而第二种情况将造成发电出力大于用电负荷,产生剩余电力。如不及时处理,必将引起系统频率升高,出现高周波运行。

另外,如果从安全和经济运行角度考虑,用电负荷低谷时段,让火电机组压火幅度小一些,使其保持平稳运行,甚至维持在高效率区运行。这样,将产生更多的剩余电力。

上述情况如图1.2所示。

图1.2　低谷剩余电量示意图(www.xing528.com)

抽水蓄能电站正是利用这部分剩余电力将下水库的水抽到上水库,以水为载体,将这部分低谷电能转换成水的位能储蓄起来,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,将水的位能转换成电能送回电网。这样,既避免了火电机组反复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。从这个意义上来说,抽水蓄能电站实际是一个能量转换装置,它是利用水为载体,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性,从而使电力系统达到安全、经济运行之目的。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。从抽水蓄能电站本身看似乎“4度换3度”不合算,但从整个电力系统考虑却是得大于失,是非常合算的。

电力生产不同于其他生产,它的产品——电力(包括容量和电量)不像一般工农业产品,一时用不完可以储存起来,或者甲地用不掉可以运到乙地去消费(当然,必要时也可实行地区之间电量余缺调剂,但仅限于电网内部或互联电网之间)。电力生产要求及时适量供应,电网送出的电力必须与当时的用电需求相一致,发、供、用3个环节必须同时完成。

然而,任何电力系统的用电需求都是随时变化的,这是由于各个电力用户所拥有的电力设备的用电特性不同及运行状态的变化造成的,例如电车的时开时停、切削车床的刀具与加工件的时合时离、电动吊车的起重量的时大时小等;也由于各个行业的工作性质不同造成电力设备启停时间的差异,使用电负荷在时间分布上不一致,例如茶厂和糖厂属于季节性生产,用电负荷随季节变化,纺织厂一般实行三班制生产,其用电负荷在一日之内比较均匀,多数第三产业却不宜实行三班制,其用电负荷带有很强的间歇性。另外任何电力设备都会因故障而停运,造成用电负荷突变或发电出力锐减,而故障的发生又带有很强的随机性。特别是随着人民生活水平的提高,家用电器数量增加很快,而家用电器的使用与人们的作息时间及气候变化有很大的关系。所有这些都造成用电负荷无时无刻不在变化。

电力生产的及时性和用电负荷的多变性(也可称为动态需求),要求发电设备必须具备可调节性。电力系统不仅要及时满足用电负荷的容量和电量需求(也可称为静态需求),而且要及时满足用电负荷的动态需求。这是电力系统电源配置的基本要求。

各类发电设备的技术经济特性,决定了其在电力系统中所起的作用:有的适宜满足用电负荷的静态需求,例如核电和按基荷设计的煤电;有的适宜满足用电负荷的动态需求,例如抽水蓄能电站;有的既适宜满足用电负荷的静态需求,又适宜满足用电负荷的动态需求,例如调节性能强的常规水电。抽水蓄能机组运行灵活可靠,工况转换迅速,变出力运行性能好,常被用来承担电力系统调峰、调频、调相和旋转备用等任务。其工作原理如图1.3所示。

图1.3　抽水蓄能电站工作原理示意图

(a)抽水工况;(b)发电工况