抽水蓄能电站

抽水蓄能电站

抽水蓄能电站

Pumped Storage Power Station

抽水蓄能电站的分类

抽水蓄能电站的分类方法很多，下面介绍主要的分类方法。

1.按建设类型分：

（1）纯抽水蓄能电站：

其上水库没有水源或天然水流量很小，需将水由下水库抽到上水库储存，抽水蓄能运行所需要的水是在上、下水库间循环使用，上、下水库要有足够的容量，见图1。电站不能作为独立电源，必须配合电网中其他电站协调运行。

图1 纯抽水蓄能电站

（2）混合式抽水蓄能电站：

混合式抽水蓄能电站的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，并在下水库出口建筑一个小坝，以保证下水库的库容，见图2。在混合式抽水蓄能电站内，既安装有普通水轮发电机组，利用江河径流发电；又安装有抽水蓄能机组，可从下水库抽水蓄能发电，承担调峰、调频、调相任务。

图2 混合式抽水蓄能电站

2.按机组形式分：

（1）分置式（四机式）抽水蓄能电站

电站由水轮机与发电机组成的水轮发电机组与电动机与水泵机组成的水泵机组组成，共有4台机，输水系统与输、变电系统共有。由于发电与抽水机组分开，两机组都可设计与运行在最佳工作状态，效率高，但系统复杂，占地大，投资大，现很少采用。

（2）串联式（三机式）抽水蓄能电站

水泵、水轮机共用一台电动发电机，水泵、水轮机、电动发电机三者同轴运转。通常水轮机与水泵旋转方向相同，这样在抽水工况与发电工况间切换迅速快捷，由于水轮机与

水泵各按最佳状态设计，所以效率也很高。一些超高水头的抽水蓄能机组常采用这种方式，因为冲击式水轮机仍是超高水头的首选，多级高压水泵技术也很成熟，见图3。

图3 三机式抽水蓄能机组（立式）

空化会严重影响水泵的抽水性能，为了防止空化，机组必须安装在下水库水平线以下较深的地方，水轮机转轮室会充满水，由于冲击式水轮机的水轮浸没在水中会受到很大的阻力，必须注入压缩空气把转轮室的水压到转轮以下。

在水轮机与水泵通往水水库的管道都装有阀门（球阀），在水轮机转轴与水泵转轴间有离合器。机组在发电运行工况时，关闭水泵的阀门防止水流出，离合器分离使水泵不跟随水轮机旋转，避免能量损失，打开水轮机阀门，水轮机带动电动发电机发电；机组在抽水运行工况时，关闭水轮机阀门，离合器接合，打开水泵阀门，电动发电机带动水泵旋转

抽水，虽然水轮机转轮跟着旋转，但在空气中旋转阻力很小。

三机串连式机组使机轴太长，厂房高度加大，进出水需两套设备，投资大，这是它的缺点。

在三机串连式机组的电动发电机与水轮机之间也安装离合器，可以在抽水时水轮机不跟着旋转，水轮室内也不用充气，效率更高，但必须把电机安装在中间，图4是有两个离合器的三机串连式机组，这是一个卧式机组。这种机组作为立式安装会有更多困难，把电机放在中层，不但安装非常麻烦，混凝土结构也很复杂，投资更大。

图4 三机式抽水蓄能机组（卧式）

（3）可逆式（两机式）抽水蓄能电站

机组的水轮机同时具备水泵功能（称为水泵水轮机），发电机又可以作电动机使用（称为电动发电机），两者连在一根轴上，其水泵水轮机采用混流式水轮机，因为混流式

水轮机既可以作水轮机使用又可以作水泵使用，使用水头范围也很宽。这种机组结构简单、总造价低，土建工程量小，是现代抽水蓄能电站的主要机组形式，具体介绍见“可逆式抽水蓄能电站”章节。

抽水蓄能电站的选址

在什么地方建抽水蓄能电站首先根据电网的需要，例如珠三角地区用电量大，负荷变化大，发电厂基本都是燃煤电厂与核电厂，只适宜于基荷运行，调峰非常重要，仅靠燃机电厂调峰非常不够，建抽水蓄能电站非常必要，目前已建成广州抽水蓄能电站与惠州抽水蓄能电站。

抽水蓄能电站具体建在什么地方需要认真选址，选址主要满足以下几个条件。

（1） 抽水蓄能用的是水的势能，对于一定的蓄能量，上、下水库的高度差（水头）越大，所需的库容越小，输水道截面越小，机组直径越小，厂房也可小些，可大大减小投资。目前许多大型抽水蓄能电站的上、下水库的平均高度差在500m以上，有的已达1000m以上。但过高的高度差不但很难找到合适的地址，而且设备能承受的压力也有限，目前单级的水泵水轮机最大工作水头为600至700m，超过这个高度就要采用多级水泵水轮机，若用冲击式水轮机与多级水泵虽然可运行在更高的水头，但要采用三机串连式机组。上、下水库的平均高度差H是选址时首要条件。

（2） 上水库与下水库之间的水平距离L决定了修筑输水道的长度，输水道太长不但工程量大，投资大，而且输水的阻力大，直接造成了水头损失。所以上水库与下水库之间的水平距离L是选址时第二重要条件。一般来说L/H（距高比）要小于10。

（3） 所选地址最好有天然的上水库与下水库，可以节省许多投资，这可能很小，但利用天然高山湖泊只需加筑部分堤坝就可以形成水库或利用高山盆地只需筑一部分堤坝就可以蓄水成水库都是好方案。

（4） 抽水蓄能电站虽靠自身水循环工作，但水会蒸发与渗漏，还必须有足够的补充水源。抽水蓄能电站周围要有高于下库最高水位的足够大的流域面积来向水库集水，最好有高于上水库最高水位的大面积流域。

除了这以上主要条件外，地质，地形条件涉及到施工难易与安全，也很重要。

抽水蓄能电站的布置与调压室

抽水蓄能电站的上水库、下水库、厂房、输水管道、交通道等布置要根据地质、地形等条件设计，尽量降低成本、方便施工。在上水库与厂房间的输水管道要承受高水压，尤其是较低段，例如600m水头时水压达60个大气压,这段称为压力管道，造价成本高，要尽量短；厂房与下水库之间的输水管道（尾水道）水压低，造价低，要尽量用造价低的输水管道代替压力管道。

由于抽水蓄能电站的输水管道长，工况切换快而频繁，在输水管道设置调压室是非常重要的。由于管道长，存水量很大，在发电工况时，若停机或切换为抽水工况，上水库流向厂房的水因惯性不能迅速停止流动，使水压升高，管道越长、切换越快，水压上升越剧烈。同样在抽水工况时若停机或切换为发电工况，很长的尾水管同样会产生水压升高现象。解决的方法是在输水管道靠厂房处设置调压室，调压室多为圆筒状，有一定的容量，调压室底部连通输水管道，上部应高于水位线，调压室水位与管道连接的水库基本一致，上部充空气，如果调压室上端离地面不远可直接通向空中。当切换工况时管道中流动的水就流

进调压室缓冲，抑制水压的大幅度上升。调压室也称为调压井或调压塔。

抽水蓄能电站的布置形式有三种，下面结合三张图假设三个例子说明，由于图片限制，图中水平距离较实际大大缩短，所述管道长度仅为假设值。

（1）首部式布置抽水蓄能电站

当上水库与下水库之间山坡是逐渐倾斜，上、下库间水位差不太高（例如水头400m）时可采用首部式布置，高压的引水管道（压力管道）就很短（总共500m），用尾水道代替压力管道（长2500m）,见图5。由于压力管道短，省去上游调压室，仅建尾水调压室，这些可使工程造价大大降低。

图5 首部式布置抽水蓄能电站

（2）中部式布置抽水蓄能电站

当上水库向下水库方向有一段较高地势（水头600m），在上水库向下水库方向建一

段引水道（长1200m），引水道是低压管道造价较低，再用一段压力管道通向厂房（长1000m），厂房到下水库的尾水道采用低压管道（长1500m），这样可降低工程造价。厂房在上水库与下水库之间，称为中部式布置抽水蓄能电站，中部式布置抽水蓄能电站需两个调压室，一个上库调压井建在上水库引水道末端，直通大气；一个尾水调压室建在尾水道靠厂房附近，见图6。中部式布置抽水蓄能电站是目前采用较多的布置方式。

图6 中部式布置抽水蓄能电站

（3）尾部式布置抽水蓄能电站

抽水蓄能电站水头500m，靠上水库向下水库方向的地势都较高，在上水库向下水库方向建一段引水道（长2000m），引水道尾部建调压井，压力管道总长800m，尾水道长300m，由于厂房靠下水库，称为尾部式布置抽水蓄能电站，见图7。这种布置方式造价也较低。

图7 尾部式布置抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站是我国第一个大型抽水蓄能电站，上水库与下水库高差为514至552m，采用中部式布置，一期输水道的总长度3900m，二期输水道的总长度4437m，上、下水库库容超1700万立方米，单台抽水蓄能机组发电与抽水容量均超30万千瓦，8台机组总共240万千瓦。图5是广州抽水蓄能电站的上水库鸟瞰图。

图8 广州抽水蓄能电站上水库鸟瞰图（照片来自网络）

惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站是是世界上一次性建成的最大抽水蓄能电站，上水库与下水库平均高差为532.4m，距高比8.3，采用中部偏后式布置，上、下水库调节库容均超2700万立方米，单台抽水蓄能机组容量超30万千瓦，8台机组总共240万千瓦。图6是惠州抽水蓄能电站的上水库鸟瞰图。

图9 惠州抽水蓄能电站上水库鸟瞰图（照片来自网络）