[科普中国]-水力蓄能

简介

利用电力系统用电负荷低谷时多余的电量，通过水泵电动机将下库较低的水抽到上库较高的水库中，消耗电能以水能形式储存起来，待到电力系统用电负荷高，需要电能补充时，将上库的水通过水轮发电机组放回下库，将水能转化成电能送回电网，以补充不足的用电量，满足系统的调峰要求。2

背景及目的随着社会的发展，电力工业发展迅速，发电设备装机容量越来越大。但是人们生活用电和生产用电的时间与发电设备平稳发电的矛盾越来越突出，即：人们生活用电和生产用电集中在白天和晚上，这段时间电厂电力负荷较大，发电机必须满发电或加大发电设备的装机容量以满足人们在此段时间的用电的需要，在夜间人们用电和生产用电较少，发电设备装机容量较大而发电机不能满发电，严重威胁着发电设备运行安全和影响着发供电企业经济效益。3

因此，利用电网中负荷低谷时的电力，由下级水库抽水到上级水库蓄能，待电网负荷高峰时，上级水库放水发电。1

抽水蓄能电站利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄存，在高峰负荷时放水发电的水电站。

抽水蓄能电站是电力系统唯一的填谷调峰电源。在负荷低谷时，吸收电力系统的有功功率抽水，这时它是用户。在负荷高峰时，向电力系统送电，这时它是发电厂。常规水电机组和燃气轮机组也是调峰性能较好的电源，但都没有填谷作用。抽水蓄能电站抽水是把电能转换为水能的过程；发电是把水能转换为电能的过程。在每一次抽水发电的能量转换循环中，都有能量损失，使发电量小于抽水的耗电量，二者之比是抽水蓄能电站循环效率，或称抽水蓄能电站综合效率，一般为0.7～0.75。

20世纪50年代以后，抽水蓄能电站发展很快。1950年世界各国抽水蓄能电站装机容量总计1600 MW，1960年为3420MW，1970年为16640 MW，1980年为46520 MW，1990年为80680 MW。每10年内的平均年递增率分别为7.89%，17.14%，10.8%和10.6%。4

优点抽水蓄能电站与火电、核电配合运行，因其填谷作用，可节省火电机组低出力运行的高燃料耗费和机组起停的额外燃料耗费，减少火电机组开停机次数，使核电站平稳运行，因而增长火电和核电机组运行寿命。在以火电、核电为主的电力系统中，修建适当比例的抽水蓄能电站是经济的。抽水蓄能电站有起停灵活、增减工作出力快的优点，从全停到满载发电约5 min，从全停到满载抽水约8 min，从满载发电或满载抽水到与电网解列约1min。此外，抽水蓄能电站还可承担电力系统的负荷备用、事故备用和调频、调相任务。抽水蓄能电站不但可提高电力系统运行的经济性，且有助于降低系统事故率、提高供电可靠性。4

开发方式分类按可分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站和调水式抽水蓄能电站3类。

纯抽水蓄能电站其发电量绝大部分来自抽水蓄存的水能。发电的水量基本上等于抽水蓄存的水量，重复循环使用。仅需少量天然径流，补充蒸发和渗漏损失。补充水量既可来自上水库的天然径流来源，也可来自下水库的天然径流来源。如美国的勒丁顿(Ludington)抽水蓄能电站，装机容量1872 MW，其上水库在密执安湖东岸不远处的山顶上，用高52m，长9.6 km的土堤围成，下水库为密执安湖。4

混合式抽水蓄能电站厂内既设有抽水蓄能机组，也设有常规水轮发电机组。上水库有天然径流来源，既可利用天然径流发电，也可从下水库抽水蓄能发电。其上水库一般建于河流上，下水库按抽水蓄能需要的容积觅址另建。如中国的潘家口抽水蓄能电站，装机容量420 MW，装有1台单机容量为150MW的常规机组和3台单机容量为90 MW的抽水蓄能机组，平均年发电量6.2亿kW·h.其中3.89亿kW·h为天然径流发电量，2.31亿kW·h为抽水蓄能发电量。4

调水式抽水蓄能电站上水库建于分水岭高程较高的地方。在分水岭某一侧拦截河流建下水库，并设水泵站抽水到上水库。在分水岭另一侧的河流设常规水电站从上水库引水发电，尾水流入水面高程最低的河流。这种抽水蓄能电站的特点是：①下水库有天然径流来源，上水库没有天然径流来源。②调峰发电量往往大于填谷的耗电量。如中国湖南省慈利县慈利跨流域抽水蓄能工程，见图3。在沅江支流白洋河上源渠溶溪设水泵站引水至赵家垭水库，年抽水1670万m。赵家垭水库后设3级水电站共12300 kW，尾水流入澧水支流零溪河。该项工程年抽水用电量340万kW·h，年发电量1390万kW·h。4

调节周期分类季抽水蓄能电站以季为运行周期的抽水蓄能电站。将汛期多余水量抽至上库供枯水期使用。但不多见。5

周抽水蓄能电站以周为运行周期的抽水蓄能电站。除日夜发电、抽水各一次外，利用假日的剩余电能多抽水供工作日使用。5

日抽水蓄能电站以日为运行周期的抽水蓄能电站。夜间抽水蓄能，日间放水发电。5

电站组成抽水蓄能电站主要由上水库、下水库、引水系统、厂房、开关站等部分组成。

上水库和下水库：上水库的高程高于下水库，其作用在于把提高了高程的水体蓄存起来，达到蓄能的目的。下水库的作用在于蓄存发电下放的水量，不使流失，以便再度将其泵入上水库进行蓄能。上水库可以利用已建水库或天然湖泊，也可新建。下水库除可利用已建水库、天然湖泊或新建外，也有利用海洋或河道作下水库的情况。中国台湾省的明湖抽水蓄能电站和明潭抽水蓄能电站，都是利用天然湖泊日月潭作为上水库。英国狄诺维克抽水蓄能电站的上下水库都是筑坝壅高天然湖泊水位形成的。4

上下水库间的高程差愈大，电站水头愈高，对同等规模的电站而言，所需水库库容愈小，流量愈小，水工建筑物的工程量相应减小，造价降低，机组设备的投资也有所降低。上、下水库间的输水道愈短，则输水系统工程量和水头损失愈小，工程造价和运行费用都会降低。可用输水道长度(L)与水头(H)之比来粗略衡量其经济性，许多抽水蓄能电站的L/H都小于10。对于新建的上水库或下水库，防渗漏是一个重要问题，需妥善处理。4

输水系统：包括两部分：在上水库和厂房之间的为引水部分;在厂房和下水库之间的为尾水部分。引水部分包括进(出)水口、引水道，引水道长度较长时，须设引水调压室。引水道和调压室的构造均与常规水电站相同。进(出)水口，发电时为进水口，抽水时为出水口，应按双向水流设计，既要防止出流时流速过大，分布不匀，引起拦污栅振动破坏，又要防止进流时产生吸气漩涡。压力管道的岔管，也要考虑双向水流，使水头损失最小。尾水部分如果较长，须设尾水调压室，其进(出)水口也应按双向水流设计。4

厂房：抽水蓄能电站的厂房有地面厂房和地下厂房。由于水泵和可逆式机组的吸出高度为较大的负值，一般可达-25～-70 m，因而多数大中型纯抽水蓄能电站都是地下厂房。混合式抽水蓄能电站，装有两种机组，抽水蓄能机组的安装高程低于常规机组很多，故布置上较为复杂。也有把抽水蓄能机组和常规机组分别布置在两个厂房里的，如法国的大屋抽水蓄能电站把4台常规机组布置在地面厂房内，把8台可逆式机组布置在地下厂房内。4

开关站：抽水蓄能电站一般具有输电回路较少、距负荷中心近的特点。俄罗斯扎戈尔斯克抽水蓄能电站，总装机1200 MW，用500 kV超高压输电线路接入莫斯科地区电力系统，所需线路长度只有15 km。又如中国广州抽水蓄能电站，一期装机1200 MW，距广州90 km，用2回500 kV输电线路接入系统。超高压开关站一般为屋外式或气体绝缘金属封闭电器。4

发展简史瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站建于1882年，是世界上最早的抽水蓄能电站。该电站抽水扬程153 m，容量515 kW，是一座年调节抽水蓄能电站。20世纪50年代以后，随着核电站和大容量火电机组大批投产，为提高电力系统电源的调峰能力和减少调峰费用，兴建了许多抽水蓄能电站。电站的技术水平也不断提高。机组由四机式发展到二机式(可逆式)。单级混流式水泵水轮机组可适用的水头逐渐增大，如日本的葛野川抽水蓄能电站的单级混流可逆式机组的抽水扬程已达778 m，发电最大水头728 m。该电站单机最大输出功率412 MW。利用水头最高的是奥地利的赖斯采克(Reiszeek)抽水蓄能电站，采用四机式机组，水头1773 m。单站规模也不断增大。80年代单站规模最大的是美国的巴斯康蒂(Bath-County)抽水蓄能电站，装机容量6×350 MW。中国广州抽水蓄能电站一期、二期合计总装机2400 MW，1999年全部投产后，为单站最大的抽水蓄能电站。4

中国抽水蓄能电站建设起步较晚。1968年在岗南水库安装了第一台斜流可逆式机组，由日本制造，单机11 MW。1975年在密云水库安装了2台中国制造的单机11 MW的可逆式机组，转轮直径2.5 m，最大水头64 m。1989年潘家口抽水蓄能电站的第一台机组投产，单机90 MW。全电站共安装3台可逆式机组和1台单机150 MW的水轮发电机组。广州抽水蓄能电站一期(4×300 MW)、十三陵抽水蓄能电站(4×200MW)、天荒坪抽水蓄能电站(6×300 MW)和广州抽水蓄能电站二期(4×300 MW)等大型抽水蓄能电站均已投产发电。台湾省已投运的有明湖抽水蓄能电站(4×250 MW)和明潭抽水蓄能电站(6×267 MW)。4

其它蓄能方式机械能量蓄能它包括：①对转动动能进行存贮的飞轮蓄能技术；②存贮位能的扬水蓄能发电站；③存贮弹性能量的弹簧蓄能技术；④存贮压力能量的压缩空气蓄能发电站。

热能蓄能它包括：①存贮显热的显热蓄能技术；②存贮潜热的(如蒸发、熔解、升华等)潜热蓄能技术。

电磁能量蓄能它包括：①用于存贮电能的电容器；②用于电磁能量存贮的超导蓄能发电站。

化学能量蓄能它包括：①存贮电气化学能量的蓄电池；②存贮化学能量的合成然料、化学蓄能技术等；③存贮物理化学能量(如熔解、稀释、混合等)的浓度差发电机。6