變速機(jī)組對我國抽水蓄能規(guī)劃選點(diǎn)的影響分析

王婷婷，張正平，趙杰君，王朝陽

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

0 概 述

抽水蓄能變速機(jī)組是指機(jī)組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無級變速運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)水泵工況運(yùn)行下調(diào)節(jié)輸入功率，以滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求。然而，通過對已建變速機(jī)組電站運(yùn)行情況的統(tǒng)計分析，變速機(jī)組的優(yōu)勢遠(yuǎn)不止于電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)這一點(diǎn)。變速機(jī)組通過提高自身調(diào)節(jié)性能，不僅能夠提高機(jī)組自身的運(yùn)行穩(wěn)定性、延長機(jī)組使用壽命，還有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低機(jī)組啟停對局部電網(wǎng)的沖擊、通過提高與可再生能源電源的契合度來提高資源利用率。

在我國推進(jìn)抽水蓄能建設(shè)中研究發(fā)現(xiàn)，變速機(jī)組由于水頭變幅要求放寬，從工程建設(shè)來看，不僅能夠減少工程投資，甚至提高電站裝機(jī)規(guī)模，改善電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而在抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃時，放寬抽水蓄能電站建設(shè)條件，更為廣泛地優(yōu)選靠近負(fù)荷中心的站址提供可能。為此，2014年11月國家發(fā)改委2482號文明確提出我國要積極推進(jìn)變速機(jī)組的國產(chǎn)化，提高主輔設(shè)備的獨(dú)立成套設(shè)計和制造能力。

變速機(jī)組的建設(shè)并不是新生事物，從20世紀(jì)60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了可變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗工作，日本早在1990年就投產(chǎn)了首臺變速機(jī)組(矢木澤抽水蓄能電站)。截止目前，國際上已采用變速機(jī)組的蓄能電站約11座、20臺機(jī)組，在建約7座電站、17臺機(jī)組。而我國變速機(jī)組及其配套的變頻設(shè)備尚未引進(jìn)技術(shù)建設(shè)的工程實(shí)例，與國際上先進(jìn)的國家相比，大容量連續(xù)調(diào)速的變速機(jī)組在中國電網(wǎng)中的應(yīng)用和管理以及設(shè)備技術(shù)自主研發(fā)和制造方面還存在一定的差距，相應(yīng)的科研工作尚在初級階段，尤其變速機(jī)組對蓄能建設(shè)影響的相關(guān)研究更是少之又少。

本文擬通過同一蓄能站址有無選取變速機(jī)組進(jìn)行工程設(shè)計，在分析機(jī)組建設(shè)可行性的基礎(chǔ)上，對比分析各方案在能量指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面的差異，為我國新一輪抽水蓄能選點(diǎn)規(guī)劃和建設(shè)提供新思路。

1 變速機(jī)組在抽水蓄能電站建設(shè)方面的優(yōu)勢

不同的水輪機(jī)/水泵均有一定的適應(yīng)的水頭/揚(yáng)程運(yùn)行范圍，超過該運(yùn)行范圍，將導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行不穩(wěn)定，尤其對可逆式水泵水輪機(jī)，機(jī)組是以滿足水泵工況主要性能為設(shè)計基礎(chǔ)的，水輪機(jī)工況往往偏離其最優(yōu)工況。因此，為滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，可逆式水泵水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍較同水頭段水輪機(jī)的要窄得多?！冻樗钅茈娬驹O(shè)計導(dǎo)則》建議的水頭變幅見表1。

根據(jù)《抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則》，一般單機(jī)容量300 MW的300～500 m水頭段蓄能電站Hpmax/Htmin建議不超過1.25左右，如在建豐寧抽水蓄能電站額定水頭420 m，Hpmax/Htmin為1.22。部分已建抽水蓄能電站比轉(zhuǎn)速與最大最小水頭比關(guān)系見圖1。

圖1 我國部分已建抽水蓄能電站比轉(zhuǎn)速與最大最小水頭比關(guān)系

然而，由于機(jī)組單位轉(zhuǎn)速與水頭的0.5次方成反比，若采用變速機(jī)組可擴(kuò)大水泵水輪機(jī)水頭適應(yīng)范圍，較小的轉(zhuǎn)速變化就可適應(yīng)較大的水頭變幅。部分已建變速抽水蓄能電站水頭變幅見表2。

表2 部分已建變速抽水蓄能電站水頭變幅

從工程實(shí)例來看，日本矢木澤電站Hpmax/Htmin為2.12，是《抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則》推薦的適應(yīng)水頭變幅1.35的1.57倍；瑞士的Nant de Drance抽水蓄能電站，單機(jī)容量為174 MV·A，水泵最大揚(yáng)程為395 m，最小水頭為250 m，水頭變幅達(dá)到1.58，是推薦適應(yīng)水頭變幅1.25的1.26倍。有的廠家認(rèn)為，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化在±10%nr時，水頭變幅Hpmax/Htmin到1.5內(nèi)是穩(wěn)定的，同時對于中低水頭段機(jī)組，適應(yīng)的水頭變幅范圍將更大。

以華北電網(wǎng)某抽水蓄能電站為例，如果建設(shè)12臺變速機(jī)組而不考慮廠道布置等對死水位的要求等因素，按照挖填量基本一致考慮，上水庫正常蓄水位可降低5 m，Hpmax/Htmin從1.22升至1.31。當(dāng)然，這一調(diào)整所帶來的壩工的工程量的優(yōu)化，將對蓄能機(jī)組的運(yùn)行工況帶來更為嚴(yán)峻的考驗，但兩者的適度結(jié)合將值得我們深入研究。

2 規(guī)劃站點(diǎn)變速機(jī)組建設(shè)的案例分析

變速機(jī)組可擴(kuò)大機(jī)組適應(yīng)的水頭變幅范圍，從而在抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃時，放寬抽水蓄能電站建設(shè)條件，更為廣泛地優(yōu)選靠近負(fù)荷中心的站址；在相同的建設(shè)條件下，也可通過適度放寬選點(diǎn)水頭變幅要求，來優(yōu)化電站開挖量或增加電站建設(shè)規(guī)模，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)華北電網(wǎng)抽水蓄能電站規(guī)劃成果，篩選了10余個因水頭變幅問題影響站址規(guī)模的資源儲備站點(diǎn)，綜合考慮水源、天然地形地質(zhì)條件等因素，選定某抽水蓄能站址進(jìn)行典型案例分析。經(jīng)估算，該抽水蓄能電站通過采用變速機(jī)組，可使裝機(jī)規(guī)模由1 000 MW增加到1 200 MW，Hpmax/Htmin從1.27增加到1.42。因此，本文將在分析變速機(jī)組建設(shè)可行性的基礎(chǔ)上，對比分析采用變速機(jī)組前后能量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化，進(jìn)而論述變速機(jī)組建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性。

表3 不同機(jī)型方案特征參數(shù)指標(biāo)

2.1 變速機(jī)組建設(shè)的可行性分析

某抽水蓄能電站工程區(qū)位于陰山南部的冀北山區(qū)，地勢東、西高，中間低，屬侵蝕中、低山區(qū)，海拔一般為700～1 600 m。上水庫庫區(qū)東、北、南三面環(huán)山，山體雄厚，庫水向周邊發(fā)生大范圍鄰谷滲漏的可能性不大，庫盆初擬采用局部防滲型式。廠道系統(tǒng)沿東洋河左岸山脊布置，圍巖巖性為麻粒巖，以微風(fēng)化～新鮮巖體為主，圍巖以Ⅲ類為主。下水庫庫岸山體雄厚，水量充足，地形地質(zhì)條件較好，不存在永久滲漏、大規(guī)模岸坡穩(wěn)定問題，具備建庫條件。從規(guī)劃階段成果可以看出，該抽水蓄能電站受機(jī)組穩(wěn)定系數(shù)的影響，為滿足發(fā)電和正常運(yùn)行所需的調(diào)節(jié)庫容，上、下水庫死水位偏高，以至于上、下水庫死庫容分別為402萬m3和218萬m3，工程投資及初期蓄水的難度和成本均較高。

根據(jù)上、下水庫庫盆的地形地質(zhì)條件、水工布置以及機(jī)組水頭變幅等因素的要求，擬定采用定速機(jī)組和變速機(jī)組兩種機(jī)型，綜合分析可變速抽蓄機(jī)組應(yīng)用的可行性。經(jīng)分析，由于變速機(jī)組放寬了水頭變幅的要求，即使電站裝機(jī)容量從1 000 MW增加到1 200 MW，上、下水庫的正常蓄水位保持不變，相應(yīng)死水位均下降10 m，開挖量僅分別增加11萬m3和21萬m3。由于上、下水庫正常蓄水位一致，定速機(jī)組和變速機(jī)組方案在工程建設(shè)征地和環(huán)境影響、水工樞紐布置、施工條件等方面差別不大，但由于裝機(jī)規(guī)模擴(kuò)大，電站年發(fā)電量增加3.35億kW·h。兩個方案進(jìn)行對比研究不同機(jī)型方案特征參數(shù)指標(biāo)見表3。

經(jīng)工程估算，該抽水蓄能電站工程，定速機(jī)組方案裝機(jī)容量4×250 MW，工程靜態(tài)投資488 091萬元，單位千瓦靜態(tài)投資4 881元/kW；變速機(jī)組方案裝機(jī)容量4×300 MW，工程靜態(tài)投資599 555萬元，單位千瓦靜態(tài)投資4 996元/kW。其中，由于裝機(jī)規(guī)模增加并采用變速機(jī)組設(shè)備，變速機(jī)組的機(jī)電設(shè)備及安裝工程較定速機(jī)組投資增加約35%，建筑工程增加約18%，施工輔助工程增加約14%。

2.2 經(jīng)濟(jì)比較

不同機(jī)型方案之間采用總費(fèi)用現(xiàn)值最小法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。各機(jī)型方案運(yùn)行期取30年，社會折現(xiàn)率取8%，蓄能電站運(yùn)行費(fèi)率取2.4%。

對于不同機(jī)型方案有容量差別，以火電作為替代電站，火電容量替代系數(shù)為1.1，電量替代系數(shù)1.05。補(bǔ)充火電建設(shè)期取3年，與該蓄能電站同時投產(chǎn)運(yùn)行，單位千瓦投資按4 000元/kW計，投資比例按30%、40%和30%?；痣姍C(jī)組運(yùn)行費(fèi)率取4%。標(biāo)煤單價按640元/t計。

依據(jù)上述所確定的參數(shù)，對各裝機(jī)容量方案進(jìn)行費(fèi)用現(xiàn)值分析，成果見表4。

表4 不同機(jī)型方案經(jīng)濟(jì)比較成果表

從表4可以看出，隨著電站裝機(jī)容量的增加以及變速機(jī)組的采用，電站靜態(tài)總投資增加，變速機(jī)組方案較定速機(jī)組投資增加111 464萬元，補(bǔ)充單位千瓦投資5 573元/kW，高于變速機(jī)組單位千瓦投資，但從總費(fèi)用現(xiàn)值來看，變速機(jī)組總費(fèi)用現(xiàn)值較定速機(jī)組低30 210萬元。由此可見，從電站建設(shè)的總體及長遠(yuǎn)角度來看，變速機(jī)組的采用是比較經(jīng)濟(jì)的。

2.3 綜合分析

(1)從規(guī)劃階段成果可以看出，該抽水蓄能電站受機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響，為滿足發(fā)電和正常運(yùn)行所需的調(diào)節(jié)庫容，上、下水庫死水位偏高，以至于上、下水庫死庫容均較大，且電站裝機(jī)規(guī)模只能達(dá)到1 000 MW，Hpmax/Htmin為1.27。如電站采用可變速抽蓄機(jī)組，可拓寬水頭變幅范圍，增加電站上下水庫的工作水深，進(jìn)而增加電站建設(shè)規(guī)模達(dá)到1 200 MW，Hpmax/Htmin為1.42。

(2)從工程建設(shè)條件來看，定速機(jī)組和變速機(jī)組在水文泥沙、工程地質(zhì)、工程建設(shè)征地和環(huán)境影響方面差別不大，由于兩種方案上下水庫的正常蓄水位相同，故水工樞紐布置基本相同；由于變速機(jī)組較定速機(jī)組裝機(jī)容量變大，故兩方案在廠道布置、機(jī)電設(shè)備、施工條件等方面有所差別，但都具備相應(yīng)的建設(shè)條件。

(3)從對地形的利用方面來看，變速機(jī)組增加上下水庫的消落深度，從而可降低上下水庫的死水位，增加調(diào)節(jié)庫容，不僅可增加裝機(jī)容量，也可降低初期蓄水對死庫容的蓄水需求，有利于電站初期蓄水，相應(yīng)降低初期蓄水的難度和成本。

(4)通過經(jīng)濟(jì)比較可知，隨著電站裝機(jī)容量的增加，以及變速機(jī)組的采用，電站靜態(tài)總投資增加，變速機(jī)組方案較定速機(jī)組投資增加11.1億元，但總費(fèi)用現(xiàn)值來看低于定速機(jī)組，從總體及長遠(yuǎn)來看，該電站采用變速機(jī)組是較為經(jīng)濟(jì)的。

由該案例工程設(shè)計成果對比分析可知，建設(shè)變速機(jī)組雖然靜態(tài)總投資有所增加，但存在優(yōu)化壩工工程量甚至擴(kuò)大電站建設(shè)規(guī)模等可能性，使電站長期經(jīng)濟(jì)性趨于合理。

3 結(jié)論及建議

(1)變速機(jī)組由于水頭變幅要求放寬，從工程建設(shè)來看，不僅具備減少工程投資、提高電站裝機(jī)規(guī)模、改善電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的可能，而且在抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃時，能夠放寬抽水蓄能電站建設(shè)條件，更為廣泛地優(yōu)選靠近負(fù)荷中心的站址。

(2)根據(jù)華北電網(wǎng)某抽水蓄能電站的案例分析，通過加大上、下水庫消落深度，即使水庫正常蓄水位均不變，變速機(jī)組建設(shè)亦可行；雖然工程總投資增加24%，但由于裝機(jī)規(guī)模增加200 MW，動態(tài)效益顯著。從總體及長遠(yuǎn)來看，變速機(jī)組的采用是比較經(jīng)濟(jì)的。

(3)建議在新一輪蓄能選點(diǎn)規(guī)劃和建設(shè)中，結(jié)合電站實(shí)際工程建設(shè)條件，深入開展擴(kuò)大機(jī)組水頭變幅優(yōu)化工程指標(biāo)與保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行相融合的相關(guān)研究，并適時根據(jù)電網(wǎng)需求拓展機(jī)組選型思路，使我國抽水蓄能電站布局更為合理。