[科普中國(guó)]-水力蓄能

簡(jiǎn)介

利用電力系統(tǒng)用電負(fù)荷低谷時(shí)多余的電量，通過(guò)水泵電動(dòng)機(jī)將下庫(kù)較低的水抽到上庫(kù)較高的水庫(kù)中，消耗電能以水能形式儲(chǔ)存起來(lái)，待到電力系統(tǒng)用電負(fù)荷高，需要電能補(bǔ)充時(shí)，將上庫(kù)的水通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組放回下庫(kù)，將水能轉(zhuǎn)化成電能送回電網(wǎng)，以補(bǔ)充不足的用電量，滿足系統(tǒng)的調(diào)峰要求。2

背景及目的隨著社會(huì)的發(fā)展，電力工業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量越來(lái)越大。但是人們生活用電和生產(chǎn)用電的時(shí)間與發(fā)電設(shè)備平穩(wěn)發(fā)電的矛盾越來(lái)越突出，即：人們生活用電和生產(chǎn)用電集中在白天和晚上，這段時(shí)間電廠電力負(fù)荷較大，發(fā)電機(jī)必須滿發(fā)電或加大發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量以滿足人們?cè)诖硕螘r(shí)間的用電的需要，在夜間人們用電和生產(chǎn)用電較少，發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量較大而發(fā)電機(jī)不能滿發(fā)電，嚴(yán)重威脅著發(fā)電設(shè)備運(yùn)行安全和影響著發(fā)供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。3

因此，利用電網(wǎng)中負(fù)荷低谷時(shí)的電力，由下級(jí)水庫(kù)抽水到上級(jí)水庫(kù)蓄能，待電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，上級(jí)水庫(kù)放水發(fā)電。1

抽水蓄能電站利用電力系統(tǒng)低谷負(fù)荷時(shí)的剩余電力抽水到高處蓄存，在高峰負(fù)荷時(shí)放水發(fā)電的水電站。

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)唯一的填谷調(diào)峰電源。在負(fù)荷低谷時(shí)，吸收電力系統(tǒng)的有功功率抽水，這時(shí)它是用戶。在負(fù)荷高峰時(shí)，向電力系統(tǒng)送電，這時(shí)它是發(fā)電廠。常規(guī)水電機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組也是調(diào)峰性能較好的電源，但都沒(méi)有填谷作用。抽水蓄能電站抽水是把電能轉(zhuǎn)換為水能的過(guò)程；發(fā)電是把水能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。在每一次抽水發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換循環(huán)中，都有能量損失，使發(fā)電量小于抽水的耗電量，二者之比是抽水蓄能電站循環(huán)效率，或稱抽水蓄能電站綜合效率，一般為0.7～0.75。

20世紀(jì)50年代以后，抽水蓄能電站發(fā)展很快。1950年世界各國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量總計(jì)1600 MW，1960年為3420MW，1970年為16640 MW，1980年為46520 MW，1990年為80680 MW。每10年內(nèi)的平均年遞增率分別為7.89%，17.14%，10.8%和10.6%。4

優(yōu)點(diǎn)抽水蓄能電站與火電、核電配合運(yùn)行，因其填谷作用，可節(jié)省火電機(jī)組低出力運(yùn)行的高燃料耗費(fèi)和機(jī)組起停的額外燃料耗費(fèi)，減少火電機(jī)組開(kāi)停機(jī)次數(shù)，使核電站平穩(wěn)運(yùn)行，因而增長(zhǎng)火電和核電機(jī)組運(yùn)行壽命。在以火電、核電為主的電力系統(tǒng)中，修建適當(dāng)比例的抽水蓄能電站是經(jīng)濟(jì)的。抽水蓄能電站有起停靈活、增減工作出力快的優(yōu)點(diǎn)，從全停到滿載發(fā)電約5 min，從全停到滿載抽水約8 min，從滿載發(fā)電或滿載抽水到與電網(wǎng)解列約1min。此外，抽水蓄能電站還可承擔(dān)電力系統(tǒng)的負(fù)荷備用、事故備用和調(diào)頻、調(diào)相任務(wù)。抽水蓄能電站不但可提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，且有助于降低系統(tǒng)事故率、提高供電可靠性。4

開(kāi)發(fā)方式分類按可分為純抽水蓄能電站、混合式抽水蓄能電站和調(diào)水式抽水蓄能電站3類。

純抽水蓄能電站其發(fā)電量絕大部分來(lái)自抽水蓄存的水能。發(fā)電的水量基本上等于抽水蓄存的水量，重復(fù)循環(huán)使用。僅需少量天然徑流，補(bǔ)充蒸發(fā)和滲漏損失。補(bǔ)充水量既可來(lái)自上水庫(kù)的天然徑流來(lái)源，也可來(lái)自下水庫(kù)的天然徑流來(lái)源。如美國(guó)的勒丁頓(Ludington)抽水蓄能電站，裝機(jī)容量1872 MW，其上水庫(kù)在密執(zhí)安湖東岸不遠(yuǎn)處的山頂上，用高52m，長(zhǎng)9.6 km的土堤圍成，下水庫(kù)為密執(zhí)安湖。4

混合式抽水蓄能電站廠內(nèi)既設(shè)有抽水蓄能機(jī)組，也設(shè)有常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組。上水庫(kù)有天然徑流來(lái)源，既可利用天然徑流發(fā)電，也可從下水庫(kù)抽水蓄能發(fā)電。其上水庫(kù)一般建于河流上，下水庫(kù)按抽水蓄能需要的容積覓址另建。如中國(guó)的潘家口抽水蓄能電站，裝機(jī)容量420 MW，裝有1臺(tái)單機(jī)容量為150MW的常規(guī)機(jī)組和3臺(tái)單機(jī)容量為90 MW的抽水蓄能機(jī)組，平均年發(fā)電量6.2億kW·h.其中3.89億kW·h為天然徑流發(fā)電量，2.31億kW·h為抽水蓄能發(fā)電量。4

調(diào)水式抽水蓄能電站上水庫(kù)建于分水嶺高程較高的地方。在分水嶺某一側(cè)攔截河流建下水庫(kù)，并設(shè)水泵站抽水到上水庫(kù)。在分水嶺另一側(cè)的河流設(shè)常規(guī)水電站從上水庫(kù)引水發(fā)電，尾水流入水面高程最低的河流。這種抽水蓄能電站的特點(diǎn)是：①下水庫(kù)有天然徑流來(lái)源，上水庫(kù)沒(méi)有天然徑流來(lái)源。②調(diào)峰發(fā)電量往往大于填谷的耗電量。如中國(guó)湖南省慈利縣慈利跨流域抽水蓄能工程，見(jiàn)圖3。在沅江支流白洋河上源渠溶溪設(shè)水泵站引水至趙家埡水庫(kù)，年抽水1670萬(wàn)m。趙家埡水庫(kù)后設(shè)3級(jí)水電站共12300 kW，尾水流入澧水支流零溪河。該項(xiàng)工程年抽水用電量340萬(wàn)kW·h，年發(fā)電量1390萬(wàn)kW·h。4

調(diào)節(jié)周期分類季抽水蓄能電站以季為運(yùn)行周期的抽水蓄能電站。將汛期多余水量抽至上庫(kù)供枯水期使用。但不多見(jiàn)。5

周抽水蓄能電站以周為運(yùn)行周期的抽水蓄能電站。除日夜發(fā)電、抽水各一次外，利用假日的剩余電能多抽水供工作日使用。5

日抽水蓄能電站以日為運(yùn)行周期的抽水蓄能電站。夜間抽水蓄能，日間放水發(fā)電。5

電站組成抽水蓄能電站主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、引水系統(tǒng)、廠房、開(kāi)關(guān)站等部分組成。

上水庫(kù)和下水庫(kù)：上水庫(kù)的高程高于下水庫(kù)，其作用在于把提高了高程的水體蓄存起來(lái)，達(dá)到蓄能的目的。下水庫(kù)的作用在于蓄存發(fā)電下放的水量，不使流失，以便再度將其泵入上水庫(kù)進(jìn)行蓄能。上水庫(kù)可以利用已建水庫(kù)或天然湖泊，也可新建。下水庫(kù)除可利用已建水庫(kù)、天然湖泊或新建外，也有利用海洋或河道作下水庫(kù)的情況。中國(guó)臺(tái)灣省的明湖抽水蓄能電站和明潭抽水蓄能電站，都是利用天然湖泊日月潭作為上水庫(kù)。英國(guó)狄諾維克抽水蓄能電站的上下水庫(kù)都是筑壩壅高天然湖泊水位形成的。4

上下水庫(kù)間的高程差愈大，電站水頭愈高，對(duì)同等規(guī)模的電站而言，所需水庫(kù)庫(kù)容愈小，流量愈小，水工建筑物的工程量相應(yīng)減小，造價(jià)降低，機(jī)組設(shè)備的投資也有所降低。上、下水庫(kù)間的輸水道愈短，則輸水系統(tǒng)工程量和水頭損失愈小，工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都會(huì)降低?？捎幂斔篱L(zhǎng)度(L)與水頭(H)之比來(lái)粗略衡量其經(jīng)濟(jì)性，許多抽水蓄能電站的L/H都小于10。對(duì)于新建的上水庫(kù)或下水庫(kù)，防滲漏是一個(gè)重要問(wèn)題，需妥善處理。4

輸水系統(tǒng)：包括兩部分：在上水庫(kù)和廠房之間的為引水部分;在廠房和下水庫(kù)之間的為尾水部分。引水部分包括進(jìn)(出)水口、引水道，引水道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，須設(shè)引水調(diào)壓室。引水道和調(diào)壓室的構(gòu)造均與常規(guī)水電站相同。進(jìn)(出)水口，發(fā)電時(shí)為進(jìn)水口，抽水時(shí)為出水口，應(yīng)按雙向水流設(shè)計(jì)，既要防止出流時(shí)流速過(guò)大，分布不勻，引起攔污柵振動(dòng)破壞，又要防止進(jìn)流時(shí)產(chǎn)生吸氣漩渦。壓力管道的岔管，也要考慮雙向水流，使水頭損失最小。尾水部分如果較長(zhǎng)，須設(shè)尾水調(diào)壓室，其進(jìn)(出)水口也應(yīng)按雙向水流設(shè)計(jì)。4

廠房：抽水蓄能電站的廠房有地面廠房和地下廠房。由于水泵和可逆式機(jī)組的吸出高度為較大的負(fù)值，一般可達(dá)-25～-70 m，因而多數(shù)大中型純抽水蓄能電站都是地下廠房?；旌鲜匠樗钅茈娬?，裝有兩種機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組的安裝高程低于常規(guī)機(jī)組很多，故布置上較為復(fù)雜。也有把抽水蓄能機(jī)組和常規(guī)機(jī)組分別布置在兩個(gè)廠房里的，如法國(guó)的大屋抽水蓄能電站把4臺(tái)常規(guī)機(jī)組布置在地面廠房?jī)?nèi)，把8臺(tái)可逆式機(jī)組布置在地下廠房?jī)?nèi)。4

開(kāi)關(guān)站：抽水蓄能電站一般具有輸電回路較少、距負(fù)荷中心近的特點(diǎn)。俄羅斯扎戈?duì)査箍顺樗钅茈娬?，總裝機(jī)1200 MW，用500 kV超高壓輸電線路接入莫斯科地區(qū)電力系統(tǒng)，所需線路長(zhǎng)度只有15 km。又如中國(guó)廣州抽水蓄能電站，一期裝機(jī)1200 MW，距廣州90 km，用2回500 kV輸電線路接入系統(tǒng)。超高壓開(kāi)關(guān)站一般為屋外式或氣體絕緣金屬封閉電器。4

發(fā)展簡(jiǎn)史瑞士蘇黎世的奈特拉抽水蓄能電站建于1882年，是世界上最早的抽水蓄能電站。該電站抽水揚(yáng)程153 m，容量515 kW，是一座年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。20世紀(jì)50年代以后，隨著核電站和大容量火電機(jī)組大批投產(chǎn)，為提高電力系統(tǒng)電源的調(diào)峰能力和減少調(diào)峰費(fèi)用，興建了許多抽水蓄能電站。電站的技術(shù)水平也不斷提高。機(jī)組由四機(jī)式發(fā)展到二機(jī)式(可逆式)。單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)組可適用的水頭逐漸增大，如日本的葛野川抽水蓄能電站的單級(jí)混流可逆式機(jī)組的抽水揚(yáng)程已達(dá)778 m，發(fā)電最大水頭728 m。該電站單機(jī)最大輸出功率412 MW。利用水頭最高的是奧地利的賴斯采克(Reiszeek)抽水蓄能電站，采用四機(jī)式機(jī)組，水頭1773 m。單站規(guī)模也不斷增大。80年代單站規(guī)模最大的是美國(guó)的巴斯康蒂(Bath-County)抽水蓄能電站，裝機(jī)容量6×350 MW。中國(guó)廣州抽水蓄能電站一期、二期合計(jì)總裝機(jī)2400 MW，1999年全部投產(chǎn)后，為單站最大的抽水蓄能電站。4

中國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)起步較晚。1968年在崗南水庫(kù)安裝了第一臺(tái)斜流可逆式機(jī)組，由日本制造，單機(jī)11 MW。1975年在密云水庫(kù)安裝了2臺(tái)中國(guó)制造的單機(jī)11 MW的可逆式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑2.5 m，最大水頭64 m。1989年潘家口抽水蓄能電站的第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，單機(jī)90 MW。全電站共安裝3臺(tái)可逆式機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)150 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。廣州抽水蓄能電站一期(4×300 MW)、十三陵抽水蓄能電站(4×200MW)、天荒坪抽水蓄能電站(6×300 MW)和廣州抽水蓄能電站二期(4×300 MW)等大型抽水蓄能電站均已投產(chǎn)發(fā)電。臺(tái)灣省已投運(yùn)的有明湖抽水蓄能電站(4×250 MW)和明潭抽水蓄能電站(6×267 MW)。4

其它蓄能方式機(jī)械能量蓄能它包括：①對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能進(jìn)行存貯的飛輪蓄能技術(shù)；②存貯位能的揚(yáng)水蓄能發(fā)電站；③存貯彈性能量的彈簧蓄能技術(shù)；④存貯壓力能量的壓縮空氣蓄能發(fā)電站。

熱能蓄能它包括：①存貯顯熱的顯熱蓄能技術(shù)；②存貯潛熱的(如蒸發(fā)、熔解、升華等)潛熱蓄能技術(shù)。

電磁能量蓄能它包括：①用于存貯電能的電容器；②用于電磁能量存貯的超導(dǎo)蓄能發(fā)電站。

化學(xué)能量蓄能它包括：①存貯電氣化學(xué)能量的蓄電池；②存貯化學(xué)能量的合成然料、化學(xué)蓄能技術(shù)等；③存貯物理化學(xué)能量(如熔解、稀釋、混合等)的濃度差發(fā)電機(jī)。6