抽水蓄能電機(jī)

抽水蓄能電站主講人：Contents抽水蓄能電站簡介1抽水蓄能機(jī)組原理結(jié)構(gòu)2抽水蓄能電站事故5抽水蓄能發(fā)展前景6抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行及故障4抽水蓄能機(jī)組啟動問題31.抽水蓄能電站簡介抽水蓄能電站是利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網(wǎng)負(fù)荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統(tǒng)中火電站和核電站的效率。抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)簡圖抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、安裝有機(jī)組的廠房和下水庫等建筑物組成。抽水蓄能電站的上水庫是蓄存水量的工程設(shè)施，電網(wǎng)負(fù)荷低谷時段可將抽上來的水儲存在庫內(nèi)，負(fù)荷高峰時段由水庫放下來發(fā)電。輸水系統(tǒng)是輸送水量的工程設(shè)施，在水泵工況(抽水)把下水庫的水量輸送到上水庫，在水輪機(jī)工況(發(fā)電)將上水庫放出的水量通過廠房輸送到下水庫。廠房是放置蓄能機(jī)組和電氣設(shè)備等重要機(jī)電設(shè)備的場所，也是電廠生產(chǎn)的中心。抽水蓄能電站無論是完成抽水、發(fā)電等基本功能，還是發(fā)揮調(diào)頻、調(diào)相、升荷爬坡和緊急事故備用等重要作用，都是通過廠房中的機(jī)電設(shè)備來完成的。抽水蓄能電站的下水庫也是蓄存水量的工程設(shè)施，負(fù)荷低谷時段可滿足抽水的需要，負(fù)荷高峰時段可蓄存發(fā)電放水的水量。工程設(shè)施抽水蓄能電站的分類

一、按電站有無天然徑流分1、純抽水蓄能電站2、混合式抽水蓄能電站二、按水庫調(diào)節(jié)性能分1、日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站2、周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站3、季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站三、按站內(nèi)安裝的抽水蓄能機(jī)組類型分1、四機(jī)分置式2、三機(jī)串聯(lián)式3、二機(jī)可逆式四、按布置特點(diǎn)分1、首部式2、中部式3、尾部式五、抽水蓄能電站的運(yùn)行工況1、靜止2、發(fā)電工況3、抽水工況4、發(fā)電調(diào)相工況5、抽水調(diào)相工況我國抽水蓄能電站的建設(shè)狀況

我國在上世紀(jì)60年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發(fā)，于1968年和1973年先后建成崗南和密云兩座小型混合式抽水蓄能電站，裝機(jī)容量分別為11MW和22MW，與歐美、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國抽水蓄能電站的建設(shè)起步較晚。上世紀(jì)90年代，隨著改革開放的深入，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，抽水蓄能電站建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展期。先后興建了廣蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等幾座大型抽水蓄能電站。“十五”期間，又相繼開工了張河灣、西龍池、白蓮河等一批大型抽水蓄能電站。[1]

以廣州抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站，世界最大的抽水蓄能電站，位于廣州市從化區(qū)呂田鎮(zhèn)深山大谷中，它是大亞灣核電站的配套工程。電站樞紐由上、下水水庫的攔河壩、引水系統(tǒng)和地下廠房等組成?？傃b機(jī)容量240萬千瓦，裝備8臺30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力的機(jī)組，在同類型電站中也是世界上規(guī)模最大的。

2.抽水蓄能機(jī)組原理結(jié)構(gòu)

在小型抽水蓄能電站中，抽水蓄能電機(jī)可采用同時與水輪機(jī)和水泵相聯(lián)結(jié)的形式，稱作串聯(lián)式機(jī)組。這種抽水蓄能電機(jī)與一般的同步電機(jī)無大的差別。在大型抽水蓄能電站中，抽水蓄能電機(jī)往往只和一種水力機(jī)械相聯(lián)接，稱為可逆式機(jī)組。這種水力機(jī)械在作水輪機(jī)和水泵運(yùn)行時，不但其旋轉(zhuǎn)方向不同，而且為了提高作水泵運(yùn)行時的效率，轉(zhuǎn)速應(yīng)比作水輪機(jī)時適當(dāng)提高，因此要求抽水蓄能電機(jī)不僅能正反旋轉(zhuǎn)，而且能根據(jù)其運(yùn)行情況相應(yīng)地改變電機(jī)的極數(shù)以改變轉(zhuǎn)速。以可逆式抽水蓄能機(jī)組為例：和常規(guī)水輪機(jī)相比較，可逆式水泵水輪機(jī)在水力性能上有一些明顯的特點(diǎn)：(一)可逆式轉(zhuǎn)輪要能適應(yīng)兩個方向水流的要求。由于水泵工況的水流條件較難滿足，故可逆轉(zhuǎn)輪一般都做成和離心泵一樣的形狀，而與常規(guī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)狀相差較多。(二)由于水泵水輪機(jī)雙向運(yùn)行的特性，水泵工況和水輪機(jī)工況的最高效率區(qū)并不重合，在選擇水泵水輪機(jī)的工作點(diǎn)時，一般先照顧水泵工況，因而水輪機(jī)工況就不能在最高效率點(diǎn)或其附近運(yùn)行，在水力設(shè)計上，這種情況稱為效率不匹配。(三)由于可逆式轉(zhuǎn)輪的特有形狀，在高水頭運(yùn)行時很容易產(chǎn)生葉片脫流而引起壓力脈動。水泵工況時水流出口對導(dǎo)葉及固定槳葉的撞擊也會形成很大的壓力脈動，在轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉之間的壓力脈動要比常規(guī)水輪機(jī)高?？偟目磥?，可逆式水泵水輪機(jī)的水力振動特性要略差于常規(guī)水輪機(jī)。在抽水蓄能電站中應(yīng)用最多的是可逆式水泵水輪機(jī)，與之配套的是可逆式電機(jī)。這種電機(jī)向一個方向旋轉(zhuǎn)為電動機(jī)，向另一方向旋轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)，故稱為可逆式電動發(fā)電機(jī)。從電氣原理上看，同步發(fā)電機(jī)本身是可以正反旋轉(zhuǎn)的。但與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)相比較，在結(jié)構(gòu)上還有以下不同的特點(diǎn)：(一)雙向旋轉(zhuǎn)。由于可逆式水泵水輪機(jī)作水輪機(jī)和水泵運(yùn)行時的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此電動發(fā)電機(jī)也需按雙向運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計。在電氣上要求電源相序隨發(fā)電工況和驅(qū)動工況而轉(zhuǎn)換；同時電機(jī)本身的通風(fēng)、冷卻系統(tǒng)和軸承結(jié)構(gòu)都應(yīng)能適應(yīng)雙向旋轉(zhuǎn)工作。(二)頻繁啟停。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任填谷調(diào)峰、調(diào)頻的作用，一般每天要啟停數(shù)次，如英國迪諾威克抽水蓄能電站是近年建設(shè)的蓄能電站中啟停頻繁、操作要求很高的一個實例，設(shè)計每天啟停40次。電動發(fā)電機(jī)功率調(diào)整幅度要求很大，調(diào)整也很頻繁，大型機(jī)組要求有每秒鐘增減10MW負(fù)荷的能力。(三)需有專門啟動設(shè)施。可逆式電動發(fā)電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行時，不能象組合式機(jī)組那樣利用水輪機(jī)來啟動，而必須采用專門的啟動設(shè)備，從電網(wǎng)上啟動，或采用“背靠背”方式各臺機(jī)組間同步啟動。在采用異步啟動方法時需在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)啟動用阻尼繞組或使用實心磁極，當(dāng)采用其他啟動方法時均需增加專門的電氣設(shè)備和相應(yīng)的電站接線。這些措施都增加設(shè)備造價，并使操作復(fù)雜。(四)過渡過程復(fù)雜。抽水蓄能機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種復(fù)雜的水力、機(jī)械和電氣瞬態(tài)過程。在這些瞬態(tài)過程中會發(fā)生比常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組大得多的受力和振動，因此對于整個機(jī)組和水道設(shè)計都提出了更嚴(yán)格的要求?？赡媸剑▋蓹C(jī)式）抽水蓄能電站由一臺水泵水輪機(jī)與一臺電動發(fā)電機(jī)組成，組成的機(jī)組稱為二機(jī)可逆式水泵水輪機(jī)機(jī)組，電動發(fā)電機(jī)在上方，水泵水輪機(jī)在下方，二機(jī)軸通過聯(lián)軸器連。3.抽水蓄能機(jī)組啟動問題

抽水蓄能電站機(jī)組的單機(jī)容量往往比較大，當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時，若采用一般同步電機(jī)的異步起動方式直接起動，對電網(wǎng)的擾動較大。通常采用同步起動方式或用專門的起動電動機(jī)起動的辦法。起動電動機(jī)一般用繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。其容量約為被起動主機(jī)的5～8％。其極數(shù)比主機(jī)少2～4極，以使機(jī)組有可能升速到主機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，然后并入電網(wǎng)。同步起動方法是利用同一電站的一套機(jī)組作為水輪發(fā)電機(jī)，供電給另一臺待起動的電機(jī)。在這二臺電機(jī)開始起動以前先分別加上適當(dāng)?shù)膭畲牛缓缶徛饎铀啺l(fā)電機(jī)組，使它饋電給被起動的電動機(jī)，將它也慢慢地起動起來，并與發(fā)電機(jī)進(jìn)入同步。以后在兩臺電機(jī)同步運(yùn)行的狀態(tài)下逐漸升速，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后共同并入電網(wǎng)。這種起動方法附加設(shè)備少，但起動時間比較長。工況啟動1、異步啟動2、同步啟動3、半同步啟動4、同軸小電機(jī)啟動5、靜止變頻器啟動SFC啟動靜止變頻器(StaticFrequencvConverter，以下簡稱“SFC”），以SFC拖動方式為例:啟動機(jī)組技術(shù)供水泵、推力軸承高壓注油泵、調(diào)速器壓力油泵,打開調(diào)速器主油閥和發(fā)電機(jī)冷卻水電動閥,退出導(dǎo)葉液壓鎖定、復(fù)位調(diào)速器停機(jī)電磁閥;合機(jī)組換相刀PRD于水泵方向;檢查啟動母線可用,合SFC輸出閘刀;合機(jī)組被拖動刀;投入發(fā)電機(jī)勵磁并設(shè)定其工作于SFC拖動方式,置調(diào)速器和導(dǎo)葉于水泵工況;合上SFC輸出開關(guān),由SFC拖動機(jī)組轉(zhuǎn)動(抽水方向);機(jī)組轉(zhuǎn)速至15寫額定轉(zhuǎn)速時,打開蝸殼減壓閥和水環(huán)排水閥,并打開主壓水閥和補(bǔ)氣閥,開始壓水,延時155,關(guān)閉主壓水閥、打開迷宮環(huán)供水閥,然后利用尾水位浮子來控制補(bǔ)氣閥開關(guān)使機(jī)組尾水水位在允許范圍內(nèi):高于控制水位則打開補(bǔ)氣閥開始壓水,低于控制水位則關(guān)閉補(bǔ)氣閥停止壓水,如果尾水位高于控制水位并繼續(xù)升高到報警水位,則發(fā)命令釋放一中間繼電器,由尾水水位高保護(hù)動作跳機(jī);當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速至90%額定轉(zhuǎn)速時,退出高壓注油泵,檢查機(jī)組轉(zhuǎn)向(逆時針),相序正確,投人同期裝置;同期條件滿足,同期裝置發(fā)命令合發(fā)電機(jī)開關(guān)GCB;停下SFC,拉開SFC輸出開關(guān);拉開SFC輸出閘刀,檢查發(fā)電機(jī)開關(guān)在合閘狀態(tài),機(jī)組到達(dá)SCP穩(wěn)態(tài)。背靠背啟動背靠背方式即以一臺機(jī)作為拖動機(jī),另一臺機(jī)作為被拖動機(jī),其中拖動機(jī)的換相刀在打開狀態(tài),被拖動機(jī)的換相刀合在抽水方向。兩者之間通過拖動機(jī)的發(fā)電機(jī)開關(guān)一拖動機(jī)的拖動刀一被拖動機(jī)的被拖動刀建立電氣連接。兩臺機(jī)分別加勵磁,拖動機(jī)發(fā)電方向旋轉(zhuǎn),帶動被拖動機(jī)反向旋轉(zhuǎn),直至被拖動機(jī)并網(wǎng)抽水調(diào)相,拖動機(jī)自動轉(zhuǎn)停機(jī)。背靠背啟動方式無法跳開。在確認(rèn)出口開關(guān)無法拉開后,只有拉開上級500kV開關(guān)。由于空載跳機(jī)組出口開關(guān),還要檢查導(dǎo)水葉位置在空載開度。若此信號電源也丟失,出口開關(guān)也無法打開?？稍囍謩觿畲欧强蛰d跳閘繼電器Klool。若仍無法拉開,則拉開上級sokov開關(guān)。抽水蓄能機(jī)組調(diào)相運(yùn)行介紹：(1)發(fā)電調(diào)相啟動過程及其運(yùn)行(2)抽水調(diào)相啟動過程及其運(yùn)行

啟動常見問題發(fā)電工況啟動過程常見問題分析及對策(1)導(dǎo)葉液壓鎖錠和調(diào)速器停機(jī)電磁閥均為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),可能發(fā)生機(jī)構(gòu)發(fā)卡或出現(xiàn)油回路堵塞、漏油現(xiàn)象,導(dǎo)致導(dǎo)葉液壓鎖定退出不到位或調(diào)速器停機(jī)電磁閥不能完全復(fù)位。另外,由于上述機(jī)構(gòu)的位置開關(guān)故障,不能正確反映其實際位置,監(jiān)控系統(tǒng)收不到反饋信號,也是導(dǎo)致啟動失敗的原因之一。(2)機(jī)械制動裝置(風(fēng)閘)采用0.7MPa氣壓操作,如果機(jī)構(gòu)卡澀,會使制動不能完全退出。特別是機(jī)組因啟動失敗導(dǎo)致程序故障停機(jī)及電氣事故停機(jī)時,由于原設(shè)計閉鎖電氣制動,為縮短停機(jī)時間,機(jī)械制動在20%轉(zhuǎn)速(100轉(zhuǎn))時投入。這樣易導(dǎo)致機(jī)械制動機(jī)構(gòu)輕度錯位,風(fēng)閘落不下,使得機(jī)械制動在機(jī)組啟動時無法完全退出。另外,由于位置開關(guān)故障,不能正確反映其實際位置,致使監(jiān)控系統(tǒng)收不到反饋信號,也將導(dǎo)致順控程序卡在此處,不再繼續(xù)往下執(zhí)行,使轉(zhuǎn)換失敗。為避免機(jī)械制動無法退出,目前已取消20%轉(zhuǎn)速投機(jī)械制動這一功能,改為5%轉(zhuǎn)速投剎車。改造后,機(jī)械制動裝以可逆式抽水蓄能機(jī)組為例：置發(fā)卡現(xiàn)象再也沒有出現(xiàn)過。雖然事故停機(jī)時間加長了,但是提高了機(jī)組再次啟動的成功率,實踐證明是行之有效的。(3)電站運(yùn)行初期,當(dāng)機(jī)組處于低水頭下運(yùn)行時,對于未安裝小導(dǎo)葉(MGV)的機(jī)組,當(dāng)其轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后,轉(zhuǎn)速波動很大,既不能自動并網(wǎng),又影響設(shè)備使用壽命。當(dāng)時應(yīng)急處理方法為將機(jī)組控制權(quán)切換到“現(xiàn)地/手動”,利用機(jī)組現(xiàn)地控制盤上的負(fù)荷增減按鈕控制導(dǎo)葉開度,使其開度變小,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,可以使機(jī)組同期并網(wǎng)。并網(wǎng)后迅速加大導(dǎo)葉開度,增加機(jī)組出力,以避免逆功率保護(hù)動作。在2000年前后,通過論證和試驗,采取在水輪機(jī)第5號和第18號導(dǎo)葉上加裝MGV即小導(dǎo)葉的措施,使其在低水頭時可獨(dú)立于其它導(dǎo)葉動作,獨(dú)立調(diào)節(jié)開度,起到低水頭啟動時穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。實踐證明,安裝了小導(dǎo)葉后,機(jī)組發(fā)電方向啟動成功率大幅提高,在水頭低于530米時仍可實現(xiàn)自動并網(wǎng)。抽水調(diào)相工況啟動過程常見問題及對策(1)與發(fā)電啟動相同,導(dǎo)葉液壓鎖定、調(diào)速器停機(jī)電磁閥及機(jī)械制動等均會導(dǎo)致啟動失敗。(2)啟動母線上閘刀(包括機(jī)組被拖動刀、SFC輸出閘刀和啟動母線分段閘刀)狀態(tài)不對應(yīng),則無法開始拖動,這常由于閘刀輔接點(diǎn)故障,不能反映閘刀實際位置。另外在電站投產(chǎn)初期,由于直流控制電纜絕緣性能不佳,屏蔽不良,在接觸器動作時會導(dǎo)致直流小開關(guān)跳閘,使整個啟動母線閘刀直流控制電源丟失,所有閘刀不能動作,或拉合不到位。(3)在SFC拖動過程中,故障主要表現(xiàn)為:在低轉(zhuǎn)速時,由于SFC處于強(qiáng)迫換相階段,易發(fā)生整流橋或逆變橋故障跳閘,使SFC不能滿足拖動要求。可能的原因有,轉(zhuǎn)子初始位置傳感器安裝位置不佳;SFC中間繼電器故障;SFC控制PLC/PNC邏輯不完善;SFC控制芯線屏蔽不好,受到干擾;SFC冷卻系統(tǒng)故障;SFC控制卡件松動等。4.抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行及故障

抽水蓄能電站機(jī)組故障大多出現(xiàn)在機(jī)組的動態(tài)變換和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中。有些故障只報警而不會引起機(jī)組跳閘，有些故障則會引起機(jī)組停運(yùn)。根據(jù)機(jī)組跳閘時的狀態(tài)不同，可把機(jī)組跳閘分為啟動失敗、停機(jī)失敗和運(yùn)行穩(wěn)態(tài)保護(hù)跳閘3種。其中啟動失敗和運(yùn)行穩(wěn)態(tài)保護(hù)跳閘是對機(jī)組和電網(wǎng)安全運(yùn)行影響很大的故障。因為啟動失敗會降低抽水蓄能機(jī)組的快速響應(yīng)速度，而穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的保護(hù)跳閘則會對電網(wǎng)產(chǎn)生比較大的負(fù)荷沖擊。故障查找的一般步驟：1.啟停失敗1.1.1確定機(jī)組是在執(zhí)行哪一步時終止的1.1.2查看是哪個跨步條件不滿足1.1.3查找跨步條件不滿足的根本原因1.1.4進(jìn)行故障處理2.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行保護(hù)跳閘

故障查找的常用方法：倒推法排除法對比法實時監(jiān)測法5.抽水蓄能發(fā)展前景

隨著我國電力裝機(jī)規(guī)模增長和聯(lián)網(wǎng)范圍擴(kuò)大，未來一段時期，保障電力安全可靠供應(yīng)的壓力將進(jìn)一步加大。同時，隨著風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源大規(guī)模發(fā)展，占電力裝機(jī)比重逐步提高，電網(wǎng)面臨更嚴(yán)峻的調(diào)峰、調(diào)頻等運(yùn)行壓力。抽水蓄能發(fā)展正當(dāng)其時，將有廣闊的發(fā)展空間。

從中長期電力發(fā)展需求來看，預(yù)計到2020年，我國發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到約20億千瓦，比2010年翻一番