中國儲能網(wǎng)訊：抽水蓄能電站的基本原理及組成
一、
概述
抽水蓄能電站是水電站的另一種形式，是一種特殊形式的水電站，由上水庫、下水庫、輸水道、廠房及開關(guān)站等部分組成，是一種儲存電的倉庫。抽水蓄能電站利用的是可以兼具水泵和水輪機兩種工作方式的抽水蓄能機組，當(dāng)夜間因部分用戶用電停止，而各種大型火電、水電、核電不能大幅度停機或少發(fā)電，電力系統(tǒng)出現(xiàn)剩余電量時，抽水蓄能電站可以利用這些剩余電量，開動設(shè)備把低處的水抽到高處蓄存起來，等到電力系統(tǒng)用電高峰時，再把高處的水放下來，帶動水輪發(fā)電機組發(fā)電，把電力送回電網(wǎng)，供給用戶用電，發(fā)電后的水仍回到低處。如此循環(huán)往復(fù)的操作運用，促使整個電網(wǎng)運行靈活可靠、安全經(jīng)濟。
二、
基本原理
抽水蓄能電站是根據(jù)電能轉(zhuǎn)換原理工作的，如圖1-1所示。它利用午夜系統(tǒng)電力負(fù)荷低谷時的多余容量和電量，通過電動機水泵將低處從下水庫的水抽到高處上水庫中，以水為載體將這部分低谷電能轉(zhuǎn)換成水的勢能蓄存起來，待到次日電力系統(tǒng)用電負(fù)荷回升時，再將上水庫的水通過水輪發(fā)電機組放回下水庫，將水的勢能轉(zhuǎn)換成電能送回電網(wǎng)，以補充不足的尖峰容量和電量，滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。如此不斷循環(huán)工作。這樣，既避免了火電機組反復(fù)改變出力運行所帶來的弊端，又增加了電力系統(tǒng)峰荷供電能力；既解決了電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題，又提高了電力系統(tǒng)的運行安全性和經(jīng)濟性。從這個意義上說，抽水蓄能電站實際上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，利用水為載體，將電力系統(tǒng)的電能在時間上重新分配，以協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的發(fā)電出力與用電負(fù)荷在時間分配上的不一致，從而使電力系統(tǒng)達到安全、經(jīng)濟運行的目的。這種轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代電力系統(tǒng)不可或缺的，雖然在轉(zhuǎn)換過程中不可避免地要產(chǎn)生能量損失，但給整個電力系統(tǒng)帶來了許多好處。
三、
抽水蓄能電站的組成
任一抽水蓄能電站的組成都包括上、下水庫和廠房，至于輸水系統(tǒng)的具體組成建筑物則因條件不同有較大的差異。一般來講，抽水蓄能電站的主要組成建筑物由上游開始依次是：①上水庫；②進（出）水口；③引水道和調(diào)壓室；④壓力管道；⑤廠房；⑥尾水道和調(diào)壓室；⑦出（進）水口；⑧下水庫。
如果壓力水道是直接從上水庫取水，則引水隧道、調(diào)壓室都可以省掉；如果廠房布置在地下，尾水隧洞又很長，則要設(shè)尾水調(diào)壓室。
圖1-1 抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化過程示意圖
（一） 上、下水庫
混合式抽水蓄能電站的上水庫一般為已建成的水庫，下水庫可能是下一級電站的水庫或為用堤壩修建起來的新水庫。純抽水蓄能電站多數(shù)是利用現(xiàn)有水庫為下水庫，而在高地上或山間筑壩建成上水庫。人工修筑的水庫，其容量除應(yīng)滿足全天發(fā)電所需的水量外，另有一定的備用庫容，以抵消蒸發(fā)量和滲漏量。據(jù)估計，大型抽水蓄能電站每年損耗水量可達100萬～200萬m3。上水庫的修筑工程量巨大，庫容寶貴，庫底及邊壁都應(yīng)有防滲保護措施，國內(nèi)外廣泛使用瀝青混凝土全面覆蓋或混凝土板防護。
（二） 引水系統(tǒng)（高壓部分）
與常規(guī)水電站一樣，抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的高壓部分包括上下庫的進水口、引水隧洞、壓力管道和調(diào)壓室。上水庫的進水口在發(fā)電時是進水口，但在抽水時是出水口，故稱為進出水口。為滿足雙向水流的要求，進出水口應(yīng)按兩種工況的最不利條件設(shè)計。常規(guī)水電站在進水口都裝有攔污柵。
（三） 引水系統(tǒng)（低壓部分）
地下電站的尾水部分（低壓部分）是有壓的，通常也做成圓斷面的隧洞，如隧洞較長，一般需在機組下游修建尾水調(diào)壓井。因為引水系統(tǒng)高壓部分的造價一般比低壓部分高，故現(xiàn)在趨向于將廠房向上游移動，也就是尾水隧洞將會更長，產(chǎn)生負(fù)壓的可能性也就更大。
（四） 電站廠房
中低水頭抽水蓄能電站或為壩后式或為引水式，都可使用地面廠房。水輪機工況的排水和水泵工況的吸水都直接連通到尾水渠。由于水泵的空化性能比水輪機要差，機組中心必須安放在比常規(guī)水輪機更低的高程。高水頭抽水蓄能電站幾乎沒有例外地都采用地下廠房，不少中低水頭的抽水蓄能電站也使用地下廠房?，F(xiàn)在高水頭抽水蓄能電站機組中心已達尾水面以下70～80m，廠房內(nèi)所有管道都要承受很大的壓力。多數(shù)的地下電站都將變壓器安裝在地下，故需專門開挖一個洞室放置變壓器。如電站需要修建尾水調(diào)壓井，則常常將幾臺機組的尾水閘門連通，形成第三個洞室。由于既接近負(fù)荷中心又具有很高水頭的站址不太好尋找，選址的一個出路就是向地下發(fā)展。
抽水蓄能電站的站址選擇
一、
站址選擇的基本原則
（一） 站址布局合理
抽水蓄能電站的布局要因地制宜，不要強求一律。一般而言，在一個大電網(wǎng)內(nèi)應(yīng)適當(dāng)集中，盡可能修建高水頭大容量的抽水蓄能電站，以降低單位千瓦造價和加強電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度。適當(dāng)分散布置站址，以滿足地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰的要求，盡可能做到就地平衡，避免大范圍內(nèi)大進大出的電力交流；同時容易發(fā)揮地方的積極性，有利于早日集資興建。
（二） 地形條件好
對于抽水蓄能電站的站址，地形條件好是首要條件。衡量地形條件好壞的一個主要指標(biāo)是距高比，即L/H值。L是指上下水庫的水平距離，習(xí)慣上常以輸水道的總長度來表示；H是指上、下水庫的高差，習(xí)慣上常以電站水頭表示。距高比L/H小的站址，是經(jīng)濟合理的站址。這是因為一方面H越高，單位水體所能轉(zhuǎn)換的能量越大，在蓄能總量相同條件下，上、下水庫間循環(huán)流量就越小。因而水庫規(guī)模、輸水道直徑、廠房和機組尺寸都小。另一方面，L越小，輸水道長度越短。這兩方面因素組合在一起，會使抽水蓄能電站投資大大下降，根據(jù)統(tǒng)計資料，多數(shù)抽水蓄能電站的距高比L/H為4～10。我國現(xiàn)階段宜建高水頭大容量的抽水蓄能電站,應(yīng)以水頭H=300～600m和L<3.5km為宜。水頭太高，就得選用多級可逆式蓄能機組，技術(shù)較復(fù)雜，對承擔(dān)調(diào)峰也不利。水頭低于100 m的抽水蓄能電站除電網(wǎng)特別需要外最好不建。
良好的地形條件還在于：在所選站址區(qū)內(nèi)，有已建人工水庫或天然湖泊可作為未來新設(shè)計抽水蓄能電站的上水庫或下水庫，以節(jié)省工程投資；或者有寬闊的河谷、凹地可以用來興建上、下水庫，以較小的工程投資取得較大的庫容。
（三） 地質(zhì)條件好
抽水蓄能電站站址地質(zhì)條件的重要性在于它直接影響水庫防滲措施、隧洞、地下廠房的結(jié)構(gòu)形式與施工條件。
庫區(qū)基巖要完整，無集中滲漏通道，水庫蓄水后不會引起嚴(yán)重滲漏，這對上水庫尤為重要，因為抽水蓄能電站上水庫的每一方水，都是消耗電能提升上來的，水庫滲漏不僅造成水量損失，而且也帶來能量損失。
抽水蓄能電站水頭一般都較高，因而機組裝置高程都較低，為了解決布置上的困難，廠房和輸水道一般都位于地下。若這些建筑物處在新鮮而完整的巖石之中，就可減少襯砌或不用襯砌，施工臨時支護省、進度快，因而良好的地址條件可節(jié)約大量投資。
（四） 地理位置好
抽水蓄能電站的站址，一般應(yīng)選擇在距負(fù)荷中心近或靠近受電電源點(即提供抽水電能的基荷電站)的地區(qū)，這樣不僅減少輸電線路的投資，而且減少電站在送電和受電時的線路電能損失。大城市負(fù)荷中心附近或已有主要輸電干線附近是抽水蓄能電站理想的地理位置。
（五） 水源應(yīng)有保證
抽水蓄能電站本身雖不消耗水量，但需要一定的水量作為能量的載體進行能量轉(zhuǎn)換，同時需要一定的水源以補充蒸發(fā)、滲漏等損失，所以抽水蓄能電站的站址應(yīng)選在河流、湖泊或現(xiàn)有人工水庫的附近，以便有足夠的水量來進行首次蓄水和以后運行期間長期的水量補充。
（六） 應(yīng)有廉價的抽水電源
抽水蓄能電站在深夜負(fù)荷低谷時抽水，消耗大量電能。巨型火電站和核電站，電能生產(chǎn)成本低，能給抽水蓄能電站提供廉價的電能，而抽水蓄能電站的投人，又改善了火電站和核電站的運行條件，所以抽水蓄能電站常與核電站甚至巨型火電站配套建設(shè)。
（七） 對外交通方便
所選站址要靠近現(xiàn)有公路、鐵路，或有良好的水運條件，可加快前期工作進，減少施工準(zhǔn)備工程量，同時方便物資運輸和人員往來。
應(yīng)該指出的是,要同時符合以上七個條件的站址是比較少的，有時為了滿足某一條件,不得不放棄另一條件。例如,有少數(shù)抽水蓄能電站的距高比L/H>10多半是為了利用已有人工水庫或天然湖泊之故。在這種情況下，上、下水庫的距離和高差已經(jīng)給定，但如果上、下水庫的投資節(jié)約足以補償輸水道較長而增加的投資，則在經(jīng)濟上仍然是合算的。所以，選擇抽水蓄能電站的站址時，不能孤立地考慮每個條件，而應(yīng)綜合分析論證，力求總體評價最佳。
二、
站址選擇的基本程序
抽水蓄能電站的站址選擇,必須在抽水蓄能電站資源普查的基礎(chǔ)上進行。這是因為抽水蓄能電站的站址，不受天然水源和自然落差的限制，因而其資源普查范圍，不是像常規(guī)水電站那樣局限于沿河流一條狹長地帶，而是電力系統(tǒng)覆蓋的整個地區(qū)，需要普查的面很廣，可供選擇的站址較多，而不同站址由于建設(shè)條件的差別引起的電站規(guī)模、投資、作用和效益的差異可能是相當(dāng)大的。因此，選擇站址必須首先開展區(qū)域性資源普查工作，只有通過資源普查，摸清所有可能開發(fā)站址的基本建設(shè)條件，才有可能經(jīng)過比較，從中選出較好站址；否則，如果只看到局部地區(qū)的個別站址，就急于開展前期工作，便會白白浪費了時間和經(jīng)費。在實際工作中，這方面經(jīng)驗教訓(xùn)也不少，所以一定要在資源普查基礎(chǔ)上選擇抽水蓄能電站的站址。
抽水蓄能電站站址的選擇，至今尚未制訂統(tǒng)一的程序，大致可分為以下幾個步驟。
(一) 室內(nèi)作業(yè)
室內(nèi)作業(yè)主要是在1:50000或1:10000的地圖上找出地形較好、落差較大、工程布署較集中，并有一定水源條件的可能開發(fā)的站點，在圖上量測其庫容、水頭等主要指標(biāo)，進而估算可能的裝機規(guī)模，經(jīng)定性分析和初步篩選后，留下較好的站點作為現(xiàn)場調(diào)查的對象。
在室內(nèi)作業(yè)中，應(yīng)充分利用航天和航空遙感資料進行選點定位工作，使外業(yè)調(diào)查對象更明確、更具體。
(二) 外業(yè)調(diào)查
外業(yè)調(diào)查主要是對已選定的較好的站點收集或?qū)崪y地質(zhì)、地形、地勢地貌、水文、交通以及社會經(jīng)濟、環(huán)境等各方面必要的原始資料與數(shù)據(jù)。在外業(yè)調(diào)查過程中，特別要注意查明那些對站點具有顛覆性的因素，如地質(zhì)條件差、區(qū)域地質(zhì)不穩(wěn)定、地震烈度高、坐落在自然保護區(qū)內(nèi)等。具有這些不良因素的站點，在現(xiàn)場即可加以排除，沒有必要再作深一步的調(diào)查與研究?，F(xiàn)將各工程部位在規(guī)劃階段的查勘重點內(nèi)容說明如下：
(1)庫區(qū)。上水庫的查勘重點是水庫蓄水后的可能滲漏情況及由于滲漏可能引起的庫岸和山體的失穩(wěn)、輸水道和廠房等地下建筑物外水壓力的提高，已有建筑物的失事和低凹地區(qū)的浸沒等對生態(tài)環(huán)境的影響。下水庫的查勘重點是水庫蓄水后可能引起的庫岸坍滑、淹沒、淤積和生態(tài)等問題。
(2)壩址。查助重點是初步查明壩址區(qū)的覆蓋情況和地質(zhì)構(gòu)造、建壩蓄水后壩基和壩肩的滲漏及穩(wěn)定等問題。
(3)地下廠房和輸水道。對初步擬定的廠房和輸水道等地下洞室群的工程地質(zhì)條件作一般性的了解，初步查明洞室的覆蓋厚度、地質(zhì)構(gòu)造、地下水動態(tài)、施工中可能遇到的同題(如坍方、巖爆、斷層、溶洞、地應(yīng)力、地下水等)、洞室軸線的合理方向等。
(三) 規(guī)劃選點
在普查的基礎(chǔ)上，經(jīng)篩選保留下來較好的站點，可以初步擬定工程布置方案，初估工程量、投資和工期，重新計算各主要參數(shù)和主要指標(biāo),其中包括裝機容量，年發(fā)電量，年抽水耗電量，上、下水庫正常蓄水位，死水位和蓄能庫容，發(fā)電水頭，抽水揚程等，并對各站點的主要優(yōu)、缺點加以評述，以備進一步比選。其具體內(nèi)容如下：
（1）確定抽水蓄能電站的總裝機容量
抽水蓄能電站的裝機容量根據(jù)設(shè)計負(fù)荷水平年的日負(fù)荷圖用能量平衡法確定。如抽水蓄能電站同時具有周調(diào)節(jié)和季調(diào)節(jié)的功能，則尚須周負(fù)荷圖和年負(fù)荷圖。抽水蓄能電站總裝機容量的大小取決于系統(tǒng)負(fù)荷的大小、負(fù)荷圖的形狀和系統(tǒng)中是否有可調(diào)節(jié)的水電站等因素。
由于在一個抽發(fā)循環(huán)中有能量損失(總效率約為0.7)，抽水所吸收的電能總是大于發(fā)電時所提供的電能。抽水所需的裝機容量與發(fā)電所需的裝機容量之比(抽發(fā)比)還與負(fù)荷圖的形狀有關(guān),但一般均大于1.0。由于抽水工況只承擔(dān)抽水蓄能的功能，而發(fā)電工況除向系統(tǒng)提供電能外還能擔(dān)負(fù)旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)頻等任務(wù)，故水泵工況裝機容量選得過大是不經(jīng)濟的。近代的抽水蓄能電站多采用可逆式機組，抽水工況的裝機容量與發(fā)電工況的裝機容量之比基本上都接近1.0。
（2）初步選擇抽水蓄能電站站址
根據(jù)上述的抽水蓄能電站總裝機容量，在小比例尺的地形圖上初步選擇一個或幾個抽水蓄能電站站址。站址的位置應(yīng)接近大的負(fù)荷中心和大的基荷電站(如核電站或大火電站)以及系統(tǒng)的主要輸電線路。站址應(yīng)具有較大的落差，有已建水庫和天然湖泊可以利用或有合適的地形可建造水庫。
若有幾個站址,可根據(jù)水頭與庫容初步確定各電站的裝機容量，進行樞紐布置，根據(jù)初步確定的建筑物尺寸，估算工程量和投資，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇第一期開發(fā)的工程。由于系統(tǒng)負(fù)荷是逐步增長的，且實際的增長過程可能和規(guī)劃的增長過程有很大的出入，故抽水蓄能電站應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的實際增長過程逐個加以開發(fā)。
（3）選擇抽水蓄能電站的特性參數(shù)
根據(jù)電力系統(tǒng)的要求和選定站址的自然條件，通過技術(shù)經(jīng)濟比較,最后選定抽水蓄能電站的特性參數(shù)。在各特性參數(shù)中，最主要的是裝機容量。在水頭已定的條件下，裝機容量的大小取決于庫容的大小，亦即取決于擋水建筑物的高低。對于利用已有水庫和天然湖泊的情況，有的還可根據(jù)需要與可能考慮加高建筑物以增加調(diào)蓄庫容。這些都應(yīng)通過全面的技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。
(四) 推薦近期開發(fā)站址
從已經(jīng)選定的、具有較好建設(shè)條件的站址中，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰的需求和各站址的具體建設(shè)條件,遵照站址選擇的基本原則，通過進一步的比較、分析、論證工作，好中擇優(yōu)，推薦出具有近期開發(fā)價值的抽水蓄能電站的站址，進行電站規(guī)劃設(shè)計的前期工作。
