抽水蓄能電機

抽水蓄能電站主講人：Contents抽水蓄能電站簡介1抽水蓄能機組原理結(jié)構(gòu)2抽水蓄能電站事故5抽水蓄能發(fā)展前景6抽水蓄能機組運行及故障4抽水蓄能機組啟動問題31.抽水蓄能電站簡介抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負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)負荷低谷時段可將抽上來的水儲存在庫內(nèi)，負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。廠房是放置蓄能機組和電氣設(shè)備等重要機電設(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，負荷低谷時段可滿足抽水的需要，負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)安裝的抽水蓄能機組類型分1、四機分置式2、三機串聯(lián)式3、二機可逆式四、按布置特點分1、首部式2、中部式3、尾部式五、抽水蓄能電站的運行工況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，裝機容量分別為11MW和22MW，與歐美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國抽水蓄能電站的建設(shè)起步較晚。上世紀90年代，隨著改革開放的深入，國民經(jīng)濟快速發(fā)展，抽水蓄能電站建設(shè)也進入了快速發(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?！笆濉逼陂g，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.抽水蓄能機組原理結(jié)構(gòu)

在小型抽水蓄能電站中，抽水蓄能電機可采用同時與水輪機和水泵相聯(lián)結(jié)的形式，稱作串聯(lián)式機組。這種抽水蓄能電機與一般的同步電機無大的差別。在大型抽水蓄能電站中，抽水蓄能電機往往只和一種水力機械相聯(lián)接，稱為可逆式機組。這種水力機械在作水輪機和水泵運行時，不但其旋轉(zhuǎn)方向不同，而且為了提高作水泵運行時的效率，轉(zhuǎn)速應(yīng)比作水輪機時適當提高，因此要求抽水蓄能電機不僅能正反旋轉(zhuǎn)，而且能根據(jù)其運行情況相應(yīng)地改變電機的極數(shù)以改變轉(zhuǎn)速。以可逆式抽水蓄能機組為例：和常規(guī)水輪機相比較，可逆式水泵水輪機在水力性能上有一些明顯的特點：(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)水輪機轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)狀相差較多。(二)由于水泵水輪機雙向運行的特性，水泵工況和水輪機工況的最高效率區(qū)并不重合，在選擇水泵水輪機的工作點時，一般先照顧水泵工況，因而水輪機工況就不能在最高效率點或其附近運行，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)水輪機高?？偟目磥恚赡媸剿盟啓C的水力振動特性要略差于常規(guī)水輪機。在抽水蓄能電站中應(yīng)用最多的是可逆式水泵水輪機，與之配套的是可逆式電機。這種電機向一個方向旋轉(zhuǎn)為電動機，向另一方向旋轉(zhuǎn)為發(fā)電機，故稱為可逆式電動發(fā)電機。從電氣原理上看，同步發(fā)電機本身是可以正反旋轉(zhuǎn)的。但與常規(guī)水輪發(fā)電機相比較，在結(jié)構(gòu)上還有以下不同的特點：(一)雙向旋轉(zhuǎn)。由于可逆式水泵水輪機作水輪機和水泵運行時的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此電動發(fā)電機也需按雙向運轉(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；同時電機本身的通風、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)電機功率調(diào)整幅度要求很大，調(diào)整也很頻繁，大型機組要求有每秒鐘增減10MW負荷的能力。(三)需有專門啟動設(shè)施?？赡媸诫妱影l(fā)電機作電動機運行時，不能象組合式機組那樣利用水輪機來啟動，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。抽水蓄能機組在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種復(fù)雜的水力、機械和電氣瞬態(tài)過程。在這些瞬態(tài)過程中會發(fā)生比常規(guī)水輪發(fā)電機組大得多的受力和振動，因此對于整個機組和水道設(shè)計都提出了更嚴格的要求?？赡媸剑▋蓹C式）抽水蓄能電站由一臺水泵水輪機與一臺電動發(fā)電機組成，組成的機組稱為二機可逆式水泵水輪機機組，電動發(fā)電機在上方，水泵水輪機在下方，二機軸通過聯(lián)軸器連。3.抽水蓄能機組啟動問題

抽水蓄能電站機組的單機容量往往比較大，當它作電動機運行時，若采用一般同步電機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起動的辦法。起動電動機一般用繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機。其容量約為被起動主機的5～8％。其極數(shù)比主機少2～4極，以使機組有可能升速到主機的同步轉(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組作為水輪發(fā)電機，供電給另一臺待起動的電機。在這二臺電機開始起動以前先分別加上適當?shù)膭畲?，然后緩慢起動水輪發(fā)電機組，使它饋電給被起動的電動機，將它也慢慢地起動起來，并與發(fā)電機進入同步。以后在兩臺電機同步運行的狀態(tài)下逐漸升速，直至達到額定轉(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)電機冷卻水電動閥,退出導(dǎo)葉液壓鎖定、復(fù)位調(diào)速器停機電磁閥;合機組換相刀PRD于水泵方向;檢查啟動母線可用,合SFC輸出閘刀;合機組被拖動刀;投入發(fā)電機勵磁并設(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拖動機組轉(zhuǎn)動(抽水方向);機組轉(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氣閥開關(guān)使機組尾水水位在允許范圍內(nèi):高于控制水位則打開補氣閥開始壓水,低于控制水位則關(guān)閉補氣閥停止壓水,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,由尾水水位高保護動作跳機;當機組轉(zhuǎn)速至90%額定轉(zhuǎn)速時,退出高壓注油泵,檢查機組轉(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)電機開關(guān)在合閘狀態(tài),機組到達SCP穩(wěn)態(tài)。背靠背啟動背靠背方式即以一臺機作為拖動機,另一臺機作為被拖動機,其中拖動機的換相刀在打開狀態(tài),被拖動機的換相刀合在抽水方向。兩者之間通過拖動機的發(fā)電機開關(guān)一拖動機的拖動刀一被拖動機的被拖動刀建立電氣連接。兩臺機分別加勵磁,拖動機發(fā)電方向旋轉(zhuǎn),帶動被拖動機反向旋轉(zhuǎn),直至被拖動機并網(wǎng)抽水調(diào)相,拖動機自動轉(zhuǎn)停機。背靠背啟動方式無法跳開。在確認出口開關(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)。抽水蓄能機組調(diào)相運行介紹：(1)發(fā)電調(diào)相啟動過程及其運行(2)抽水調(diào)相啟動過程及其運行

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)速器停機電磁閥均為液壓執(zhí)行機構(gòu),可能發(fā)生機構(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)速器停機電磁閥不能完全復(fù)位。另外,由于上述機構(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)機械制動裝置(風閘)采用0.7MPa氣壓操作,如果機構(gòu)卡澀,會使制動不能完全退出。特別是機組因啟動失敗導(dǎo)致程序故障停機及電氣事故停機時,由于原設(shè)計閉鎖電氣制動,為縮短停機時間,機械制動在20%轉(zhuǎn)速(100轉(zhuǎn))時投入。這樣易導(dǎo)致機械制動機構(gòu)輕度錯位,風閘落不下,使得機械制動在機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。為避免機械制動無法退出,目前已取消20%轉(zhuǎn)速投機械制動這一功能,改為5%轉(zhuǎn)速投剎車。改造后,機械制動裝以可逆式抽水蓄能機組為例：置發(fā)卡現(xiàn)象再也沒有出現(xiàn)過。雖然事故停機時間加長了,但是提高了機組再次啟動的成功率,實踐證明是行之有效的。(3)電站運行初期,當機組處于低水頭下運行時,對于未安裝小導(dǎo)葉(MGV)的機組,當其轉(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。當時應(yīng)急處理方法為將機組控制權(quán)切換到“現(xiàn)地/手動”,利用機組現(xiàn)地控制盤上的負荷增減按鈕控制導(dǎo)葉開度,使其開度變小,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,可以使機組同期并網(wǎng)。并網(wǎng)后迅速加大導(dǎo)葉開度,增加機組出力,以避免逆功率保護動作。在2000年前后,通過論證和試驗,采取在水輪機第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立于其它導(dǎo)葉動作,獨立調(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)速器停機電磁閥及機械制動等均會導(dǎo)致啟動失敗。(2)啟動母線上閘刀(包括機組被拖動刀、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?？赡艿脑蛴?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.抽水蓄能機組運行及故障

抽水蓄能電站機組故障大多出現(xiàn)在機組的動態(tài)變換和穩(wěn)態(tài)運行過程中。有些故障只報警而不會引起機組跳閘，有些故障則會引起機組停運。根據(jù)機組跳閘時的狀態(tài)不同，可把機組跳閘分為啟動失敗、停機失敗和運行穩(wěn)態(tài)保護跳閘3種。其中啟動失敗和運行穩(wěn)態(tài)保護跳閘是對機組和電網(wǎng)安全運行影響很大的故障。因為啟動失敗會降低抽水蓄能機組的快速響應(yīng)速度，而穩(wěn)態(tài)運行時的保護跳閘則會對電網(wǎng)產(chǎn)生比較大的負荷沖擊。故障查找的一般步驟：1.啟停失敗1.1.1確定機組是在執(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進行故障處理2.穩(wěn)態(tài)運行保護跳閘

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

隨著我國電力裝機規(guī)模增長和聯(lián)網(wǎng)范圍擴大，未來一段時期，保障電力安全可靠供應(yīng)的壓力將進一步加大。同時，隨著風電、太陽能發(fā)電等新能源大規(guī)模發(fā)展，占電力裝機比重逐步提高，電網(wǎng)面臨更嚴峻的調(diào)峰、調(diào)頻等運行壓力。抽水蓄能發(fā)展正當其時，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)電裝機容量將達到約20億千瓦，比2010年翻一番