抽水蓄能結(jié)課論文

抽水蓄能電廠讀書報告一、國內(nèi)外抽水蓄能電站的發(fā)展及思考抽水蓄能電站是具有削峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及“黑啟動”等多種作用的特殊電力裝置，是電力系統(tǒng)運行管理的重要工具。抽水蓄能電站已有100多年的發(fā)展歷史，世界各國尤其是美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)，都曾大力開發(fā)抽水蓄能電站，在建設和運營中積累了大量經(jīng)驗。我國當前正處于工業(yè)化初期，電力需求增長旺盛，核電、風電等新能源發(fā)展較快，電源結(jié)構(gòu)日趨復雜，大型儲能設施需求迫切，抽水蓄能電站的發(fā)展面臨著機遇和挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，1960年全球抽水蓄能電站總裝機容量僅為350萬kW?h，至2010年已增至13500萬kW?h（圖1），5O年內(nèi)增加了近40倍，而同期全球發(fā)電總裝機已建成的抽水蓄能電站主要分布在日本、美國、中國、意大利、西班牙、德國、法國等國家，近8成分布在歐洲、美國、日本及中國（圖2）。■中國.歐洲.美國日本■其他圖22010年全球抽水蓄能電站分布目前全球抽水蓄能在建項目主要分布在亞洲，“中、日、印、韓、泰”5國的在建規(guī)模合計2465萬kW?h，中國最多(約1000萬kW.h)。從抽水蓄能裝機容量絕對值看，我國抽水蓄能電站的發(fā)展并不落后，然而從抽水蓄能占本國發(fā)電總裝機比重、設備國產(chǎn)化程度、投資管理體制等方面看，我國仍然與國外發(fā)達國家存在差距。2抽水蓄能電站的發(fā)展背景早期的抽蓄電站以蓄水為主要目標，隨著工業(yè)化發(fā)展和家用電器的普及，負荷率不斷下降，電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐漸凸顯；20世紀7O年代以來，隨著大容量機組及核電、風電等新能源的快速發(fā)展，系統(tǒng)運行風險增大，抽蓄電站逐漸承擔起調(diào)峰調(diào)頻和事故備用等重要功能。此外，抽蓄電站在優(yōu)化系統(tǒng)運行方式、促進系統(tǒng)節(jié)能減排方面的作用也越來越受重視。從發(fā)達國家的抽蓄發(fā)展規(guī)律看，抽蓄的建設受當?shù)亟?jīng)濟水平、能源結(jié)構(gòu)、資源稟賦及開發(fā)情況等相關(guān)因素的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：2.1與地區(qū)經(jīng)濟水平相關(guān)從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，全球抽蓄電站主要分布在美、日、歐等經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)，這些國家對電能質(zhì)量要求較高、電網(wǎng)調(diào)峰需求大。發(fā)達國家的工業(yè)自動化水平較高，精密儀器對電能質(zhì)量的要求高：發(fā)達國家的生活水平較高，家用電器普及率高，且具有“時段性”使用的特點，易造成負荷的大幅波動；隨著低端制造業(yè)的外遷，發(fā)達國家的工作從“三班制”到“兩班制’，甚至“全日班”，電網(wǎng)調(diào)峰難度增加。2.2與區(qū)域內(nèi)電源結(jié)構(gòu)有關(guān)不同類型機組的性能差異較大，就調(diào)峰而言，常規(guī)水電、燃油、燃氣機組及煤電機組等都具有調(diào)峰功能，但是抽蓄機組調(diào)峰幅度更大。對于一個互聯(lián)電網(wǎng)，區(qū)域內(nèi)的電源結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)對抽蓄的需求。2.3與核電、風電等新能源的開發(fā)進程有關(guān)7O年代前后，石油危機背景下的核電事業(yè)發(fā)展迅速，然而核電卻不能參與系統(tǒng)調(diào)峰，因此抽蓄電站的建設隨之加快。80年代后，三里島、切爾諾貝利事故以及9?11事件等，加大了人們對核電安全的擔憂，核電發(fā)展陷入低潮，抽蓄發(fā)展也因此停滯不前。近幾年，隨著風電、太陽能等清潔新能源的快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰需求增大，抽蓄發(fā)展又出現(xiàn)回暖跡象。2.4與水資源開發(fā)程度有關(guān)20世紀9O年代后，發(fā)達國家的水電資源開發(fā)率基本在50%以上，法國、日本、瑞士等國甚至接近90?/o。隨著常規(guī)水電資源開發(fā)殆盡，改造或新建對廠址要求不高的抽蓄電站，已成為提高系統(tǒng)調(diào)峰能力的最好選擇。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國已將8座裝機容量大于1000Mw的大型抽水蓄能電站進行了更新改造，機組出力提高10O/O~20%。二、抽水蓄能電站經(jīng)濟效益識別1抽水蓄能電站的靜態(tài)效益抽水蓄能電站在電網(wǎng)中由調(diào)峰填谷作用而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，稱為靜態(tài)效益。具體來講靜態(tài)效益包括容量效益、能量轉(zhuǎn)換效益(又稱為節(jié)煤效益)以及環(huán)保效益等。這部分效益一般可以通過直接或間接計算進行量化評價。（1）容量效益抽水蓄能電站的容量效益是指調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷曲線高峰和低谷之間的差距從而產(chǎn)生的效益。負荷高峰時段，它可以作為水電站發(fā)電，擔負電網(wǎng)尖峰容量；用電低谷時段，則可作為電網(wǎng)用戶，吸收低谷電量抽水蓄能，減少負荷峰谷差[i7]o因此抽水蓄能電站可減少火電機組的日出力變幅，使其在高效區(qū)運行，增加發(fā)電量，并使核電和大型火電機組穩(wěn)定經(jīng)濟運行。抽水蓄能電站一般無防洪、灌溉、航運等綜合利用要求，建設周期比常規(guī)水電站要短，運行費用比火電站要低。在電網(wǎng)中缺少調(diào)峰電源時，建設抽水蓄能電站可減少火電或其它類型電源的裝機容量，改變能源結(jié)構(gòu)，減少總的電力建設投資。（2）能量轉(zhuǎn)換效益能量轉(zhuǎn)換效益是指抽水蓄能電站通過能量轉(zhuǎn)換，將成本低的低谷電能轉(zhuǎn)換為價值高的峰荷電能。抽水蓄能機組的投入，使電網(wǎng)負荷分配得到調(diào)整，火電盡量擔負基荷和腰荷，從而使火電總平均煤耗下降。抽水蓄能機組能源節(jié)約效益的大小與系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)和機組運行方式密切相關(guān)，該效益的計算不能僅局限于抽水蓄能電站本身，必須從其所在電力系統(tǒng)整體出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)的長期電源擴展方案，進行綜合計算分析。（3）環(huán)境效益抽水蓄能電站本身是個清潔能源，基本不產(chǎn)生污染。由于抽水蓄能電站的運行可避免一部分火電廠燃煤產(chǎn)生的煙塵排放，建設抽水蓄能電站的環(huán)境效益，主要體現(xiàn)在機會成本的節(jié)約。在節(jié)約煤炭資源的同時，也避免了一定的火電廠燃煤煙塵的排放。同時，抽水蓄能電站在一定程度上還能夠起到美化環(huán)境、提供旅游資源的作用并產(chǎn)生相應的效益。例如，我國廣東省惠州市就提出以惠州抽水蓄能電站、南昆山、羅浮山、象頭山、古田保護區(qū)等為主體的度假休閑游，構(gòu)建區(qū)域性特色旅游，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。因而由此產(chǎn)生的效益都可以成為抽水蓄能電站的環(huán)境效益。2抽水蓄能電站的動態(tài)效益隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，經(jīng)濟社會對供電質(zhì)量的要求越來越高，停電造成的損失越來越大。因此，電網(wǎng)更需要抽水蓄能電站發(fā)揮保證供電可靠性的功能，而不只是削峰填谷的功能。所以，抽水蓄能電站動態(tài)效益比靜態(tài)效益更大，其動態(tài)功能日益被看重，且已被當作電網(wǎng)運行管理的有效工具之一。抽水蓄能電站的調(diào)峰、調(diào)頻、負荷跟隨、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等作用產(chǎn)生的動態(tài)效益要遠遠高于其靜態(tài)效益。抽水蓄能電站的動態(tài)效益己經(jīng)被人們廣泛認可，但是對這部分效益的量化測算卻始終沒有達成共識，一直受到國內(nèi)外學者的關(guān)注，并且迄今為止是困擾人們的一個難點和重點。（1）調(diào)峰調(diào)頻效益調(diào)峰效益是指抽水蓄能機組因為結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可以隨需要增加功率或減少功率，因而有效地減輕了火電機組（包括燃氣輪機機組）的調(diào)峰負擔而產(chǎn)生的效益。調(diào)頻效益是指抽水蓄能電站保持頻率和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來的效益，抽水蓄能機組調(diào)節(jié)靈活，出力變化可以從0到100%，可以快速起動，隨時增荷或減荷，起到調(diào)整周波的作用，成為應付突發(fā)事故和穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的有效工具。例如，京津唐電網(wǎng)在潘家口和十三陵抽水蓄能電站投產(chǎn)運行前頻率合格率僅為81%左右。由于潘家口和十三陵抽水蓄能機組的投產(chǎn)運行，改變了火電機組頻率調(diào)整時跟不上負荷變化和效率急劇下降的狀態(tài)，使華北電網(wǎng)頻率合格率達到99.99%。負荷跟隨效益負荷跟隨效益是指抽水蓄能機組負荷跟隨快產(chǎn)生的效益，因為電網(wǎng)負荷總是在不斷的變化，當基荷急劇變化時，抽水蓄能機組與火電或其他類型機組相比，其負荷跟隨很快，爬坡能力較強。因而在一系列的重大電網(wǎng)事故中能在短時間內(nèi)從任何工況下轉(zhuǎn)為滿負荷發(fā)電，從而防止事故擴大和系統(tǒng)瓦解，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行以及保證電能質(zhì)量的合格發(fā)揮了重要作用。例如英國迪諾威克抽水蓄能機組(300MW)，從空載到滿負荷發(fā)電只需15s，爬坡速度20MW/s。日本大河內(nèi)400MW機組，發(fā)電工況下，0.2秒內(nèi)出力可改變32MW;水泵工況下，0.2秒內(nèi)輸入功率可改變80MW。從靜止到滿載發(fā)電，十三陵抽水蓄能機組(200MW)只需2min30s，天荒坪抽水蓄能機組(300MW)只需2min，廣蓄一期機組(300MW)5minl0s，廣蓄二期機組(300MW)2min。從空載到滿載發(fā)電所需時間更短，廣州抽水蓄能機組(300MW)只需35s，十三陵只需30s。調(diào)相效益電力系統(tǒng)中無功不足，會造成電網(wǎng)電壓下降，這不僅影響到供電質(zhì)量，還直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。當系統(tǒng)無功不足時，常須裝設調(diào)相機、補償電容器組等無功補償裝置;也有時將同步發(fā)電機改做調(diào)相運行或增發(fā)無功電力，以補償系統(tǒng)無功不足。抽水蓄能機組由于其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，可以方便地做調(diào)相運行。不但在空閑時可供調(diào)相用，在發(fā)電和抽水時也可調(diào)相，既可以發(fā)出無功功率提高電力系統(tǒng)電壓，也可以吸收無功功率降低電力系統(tǒng)電壓，尤其是在抽水工況調(diào)相時，經(jīng)常進相吸收無功功率，有時進相很深，持續(xù)時間很長，這種情況是其他發(fā)電機組達不到的，只有抽水蓄能機組才能做到。另外，抽水蓄能機組在調(diào)相運行完成后可以快速地轉(zhuǎn)為發(fā)電或抽水。從而可以減少設置專門的無功補償裝置，由此避免了專門無功補償裝置投入而取得的效益稱為調(diào)相效益。事故備用效益旋轉(zhuǎn)(事故)備用效益是最能體現(xiàn)抽水蓄能電站動態(tài)效益的，具體指抽水蓄能機組作為水力機組可以方便地處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)，以利快速地承擔事故備用產(chǎn)生的效益。因為假設電網(wǎng)若發(fā)生事故造成停電，將給國民經(jīng)濟帶來巨大損失，給人民生活帶來極大不便。為滿足正常供電需要，除要求電力系統(tǒng)的有足夠的工作容量、選擇高可靠性的發(fā)供電設備和提高電網(wǎng)自動化水平外，還必須預留一定的備用容量。備用容量一般分為負荷備用、事故備用和檢修備用三類。為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，負荷備用、事故備用容量的一部分必須經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以稱為旋轉(zhuǎn)備用容量。通常占統(tǒng)調(diào)容量的3%左右?；痣姍C組承擔的旋轉(zhuǎn)備用容量，一般分散于系統(tǒng)中若干效率低的機組上，即處于空轉(zhuǎn)或少帶負荷運行狀態(tài)，由于這些機組偏離最優(yōu)運行工況，使系統(tǒng)中火電站的燃料消耗量增加，代價很高。抽水蓄能電站能夠快速啟動機組，迅速轉(zhuǎn)換工況。在發(fā)電工況下，可利用抽水蓄能電站運行中的空閑容量，短時間內(nèi)加大出力；在停機狀況下，亦可緊急啟動，從而達到短時應急事故備用的目的。在水泵工況下，可停止抽水，快速切換至發(fā)電工況。由它承擔系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量，可改善火電機組的運行方式，減少火電機組的備用和火電機組啟停次數(shù)，節(jié)約燃料和啟停費用等運行成本，由此取得的效益稱為旋轉(zhuǎn)備用效益。1994年12月14日美國愛德華州中部345KV電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故，造成美國8個州和加拿大2個省100多萬人斷電，赫爾姆斯抽水蓄能電站10分鐘內(nèi)投入運行，彌補了2160MW核電站跳機的損失［20］；從廣蓄電站一期實際運行情況來看，在發(fā)電工況運行機組平均出力約為21萬千瓦，為額定容量的70%，其余30%是旋轉(zhuǎn)備用容量。1994年5月-1996年底，在大亞灣核電站機組跳機、電網(wǎng)事故等66次事故中，廣蓄電站迅速投入，防止了事故擴大，幫助電網(wǎng)恢復正常供電。以上實例充分體現(xiàn)了抽水蓄能電站反應迅速和承擔緊急事故備用的重要作用。（5）黑啟動效益黑啟動是指電網(wǎng)在運行過程中，由于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性可能會因局部的問題而波及鄰近區(qū)域進而導致重大系統(tǒng)事故，甚至造成整個系統(tǒng)停運，一旦出現(xiàn)整個系統(tǒng)停運，個別機組在不依賴外界幫助的條件下，自動啟動發(fā)電并向系統(tǒng)供電，從而逐漸擴大系統(tǒng)的恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復。提供黑啟動服務的關(guān)鍵是啟動具有黑啟動能力的機組，抽水蓄能電站可在無外界幫助的情況下，迅速自啟動，并通過輸電線路輸送啟動功率帶動其他機組，從而使電力系統(tǒng)在最短時間內(nèi)恢復供電能力。黑啟動已成為電網(wǎng)崩潰后系統(tǒng)恢復正常運行的重要措施之一，我國目前雖然沒有發(fā)生過電力系統(tǒng)大停電事故，因而各抽水蓄能電站在實際運行中也就沒有真正發(fā)揮過黑啟動作用，但抽水蓄能電站機組成功的黑啟動試驗，證明該電站可滿足系統(tǒng)黑啟動的要求，具有在廠用電失去情況下自啟動機組進行生產(chǎn)自救及向無電壓電網(wǎng)輸電的能力，對于減少全網(wǎng)停電事故造成的損失具有重要作用，由此產(chǎn)生的效益稱為抽水蓄能電站的黑啟動效益。（6）抽水蓄能電站效益優(yōu)勢分析在明確了抽水蓄能電站的靜態(tài)效益和動態(tài)效益分類之后，接下來通過表2-1可以清楚的看出抽水蓄能電站在電網(wǎng)中，相對其它不同類型的電站，能更好地提供相應的各種服務，包括調(diào)峰、調(diào)頻、負荷跟隨、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等，因而抽水蓄能電站是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的必然選擇［21］。同時抽水蓄能電站可以與其他類型的電站配套使用，更好的滿足各地區(qū)、各電網(wǎng)的用電負荷需求?？偨Y(jié)歸納可分為以下五種情況［23］：一是在以火電為主的、沒有水電或水電很少的電網(wǎng)，這些電網(wǎng)需要抽水蓄能電站承擔調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用。二是雖然有水電，但水電的調(diào)節(jié)性能較差的電網(wǎng)。有不同比例的水電，但具有年調(diào)節(jié)及以上能力的水電站比例較小，枯水期可利用水電進行調(diào)峰，汛期水電失去調(diào)節(jié)能力，若要利用水電調(diào)峰，則只能被迫采取棄水調(diào)峰方式，在這樣的電網(wǎng)，配備了抽水蓄能電站后，可吸收汛期基荷電，將其轉(zhuǎn)化為峰荷電，從而減少或