大型蓄能泵機(jī)組與可逆機(jī)組差異性分析

謝永蘭，張軍智

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中國多數(shù)河流實(shí)施了梯級滾動開發(fā)。為適應(yīng)梯級水電站附近的大規(guī)模風(fēng)電、光電等新能源并網(wǎng)及外送需要，充分利用棄風(fēng)、棄光電量，采用大流量、高揚(yáng)程大型儲能泵站，從下一梯級水庫抽水至上一梯級水庫，形成梯級大型儲能泵站，實(shí)現(xiàn)新能源電量時移，是解決電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定問題的有效途徑。

目前，國內(nèi)制造的已投運(yùn)的單向、高揚(yáng)程、單機(jī)容量最大的水泵，是云南牛欄江干河泵站水泵，單泵電機(jī)功率22.5 MW，對應(yīng)流量為7.67 m3/s，由于容量較小，無法完全滿足目前梯級水電站儲能的市場需求[1]。抽蓄電站可逆機(jī)組的水力設(shè)計是綜合考慮抽水和發(fā)電，結(jié)合抽水蓄能機(jī)組水力開發(fā)進(jìn)行大流量、高揚(yáng)程、大容量水泵的研發(fā)，雖然理論上可行，但是完全照搬可逆機(jī)組的有關(guān)理論進(jìn)行設(shè)計，儲能泵站與抽蓄電站的經(jīng)濟(jì)性相差不大。因此，本文針對蓄能泵機(jī)組與可逆機(jī)組的差異性進(jìn)行探討，對儲能泵站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步論證。

1 蓄能泵與水泵水輪機(jī)的差異性

一般而言，可逆機(jī)組在電力系統(tǒng)中均承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、填谷、調(diào)相、事故備用(包括黑啟動)任務(wù)，而純水泵機(jī)組具有抽水和抽水調(diào)相功能，發(fā)電功能實(shí)現(xiàn)需用共用水庫的常規(guī)發(fā)電機(jī)組來完成。因此，純水泵機(jī)組的任務(wù)較單一，在水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、部件材料選取、工況轉(zhuǎn)換、啟動方式、輔助設(shè)備選擇以及制造成本等方面均比可逆機(jī)組要求低[2]。本節(jié)將從以下方面探討兩者之間的差異。

1.1 水力設(shè)計方面

水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計時，需要兼顧發(fā)電工況和抽水工況的需要，一般是以抽水工況為主、發(fā)電工況校核；而水泵機(jī)組僅考慮抽水工況，故水泵機(jī)組在水力設(shè)計方面難度相對較小。 另外，由于不用考慮水輪機(jī)工況相繼甩負(fù)荷對尾水管真空度的要求，蓄能泵的淹沒深度較可逆機(jī)組小。

1.2 工況轉(zhuǎn)換

蓄能泵的工況轉(zhuǎn)換，較可逆機(jī)組簡單，其穩(wěn)定工況只有靜止、滿載抽水、抽水調(diào)相(如有)3個穩(wěn)態(tài)，其控制系統(tǒng)較可逆機(jī)組簡單。

1.3 啟動方式選擇

目前，國內(nèi)尚無單機(jī)100 MW級的大泵投運(yùn)實(shí)例，水泵啟動方式選擇主要借鑒大型抽蓄電站可逆機(jī)組水泵工況的啟動，國內(nèi)可逆機(jī)組水泵工況的啟動一般均采用變頻起動為主、背靠背為備用的方式。國外有些抽蓄電站利用附近已投運(yùn)電站的水輪機(jī)作原動機(jī)起動水泵，如南斯拉夫的巴其那·巴斯塔電站，裝有2臺蓄能機(jī)組，距廠房不遠(yuǎn)處有4臺100 MVA常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組的電站，故利用常規(guī)電站的2臺機(jī)組作為蓄能機(jī)組的起動機(jī)組，起動母線和換相隔離開關(guān)均設(shè)在高壓側(cè)[3]。

變頻起動是利用可控硅變頻器改變電源頻率，在電動機(jī)端增加1個頻率在零到額定頻率范圍內(nèi)可調(diào)的電壓，使電動機(jī)加速至同頻率并入電網(wǎng)。目前大型抽水蓄能電站機(jī)組和大型水利工程相關(guān)水泵均采用此種方式。變頻起動的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備靜止、維修方便，多臺機(jī)組可共用1套變頻裝置，主機(jī)正常運(yùn)行時，起動裝置無附加損耗。缺點(diǎn)是投資較高，占地面積較大。變頻起動方式適用于單機(jī)容量大、機(jī)組臺數(shù)多的電站或泵站。

背靠背起動是利用1臺發(fā)電機(jī)，通過電氣連接拖動另1臺水泵電機(jī)升速，直到同步并入電網(wǎng)。對于大型儲能泵站而言，利用常規(guī)電站的水庫做上庫和下庫，泵站站址盡可能選擇靠近常規(guī)電站站址位置，可采用背靠背起動，即利用已投運(yùn)電站的水輪機(jī)作為原動機(jī)起動水泵。當(dāng)已建電站水輪機(jī)容量大于水泵容量時，可采用背靠背拖動、水泵帶水起動。背靠背起動的優(yōu)點(diǎn)是不需電網(wǎng)供給電源就可起動機(jī)組，對系統(tǒng)無擾動，起動迅速。缺點(diǎn)是操作較復(fù)雜，緊急停機(jī)下，背靠背起動/被起動機(jī)組滅磁開關(guān)跳閘不同步，較變頻起動電流大，對定子繞組、起動母線等存在不利影響。背靠背起動方式僅在國內(nèi)抽水蓄能電站中作為備用，目前國內(nèi)尚無利用附近常規(guī)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)背靠背起動的先例[4]。對于大型蓄能泵背靠背起動是主用，且起動非常頻繁，能否實(shí)現(xiàn)頻繁的背靠背起動，還需開展起動電氣接線的相關(guān)研究。對于大型蓄能泵而言，采用變頻起動和附近常規(guī)機(jī)組背靠背啟動理論上均可行，具體采用哪種方式，應(yīng)根據(jù)泵站情況進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選后確定。

1.4 結(jié)構(gòu)方面

由于蓄能泵僅考慮抽水工況，不考慮水輪機(jī)工況的運(yùn)行，因此，不考慮適應(yīng)水輪機(jī)方向的來流，泵輪葉片出水邊形狀無需太扭曲，且可適當(dāng)增加葉片低壓側(cè)厚度，改善水泵的空化性能[5]。另外，可適當(dāng)降低葉片高壓側(cè)高度，改善水泵小流量駝峰特性，降低機(jī)組成本?；顒訉?dǎo)葉和固定導(dǎo)葉設(shè)計可不考慮水輪機(jī)工況時來流，可適當(dāng)減小導(dǎo)葉高壓側(cè)厚度。

如果不考慮水泵啟動需求，蓄能泵可不設(shè)置導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，且目前國內(nèi)已投運(yùn)的大型水泵機(jī)組均未設(shè)置活動導(dǎo)葉，水泵的頂蓋結(jié)構(gòu)較水泵水輪機(jī)的要簡單，尺寸也小。如果大泵設(shè)置了活動導(dǎo)葉，可調(diào)節(jié)水泵流量，提高水泵整體運(yùn)行性能，如駝峰區(qū)裕度增加，在協(xié)聯(lián)工況水泵能量特性可得到一定程度提升。對于不設(shè)置活動導(dǎo)葉的蓄能泵，可借鑒常規(guī)電站筒形閥的應(yīng)用，在固定導(dǎo)葉和泵輪之間設(shè)置筒形閥，取消水泵出水閥門，可降低部分機(jī)電設(shè)備投資和閥室部分的土建投資。值得注意的是，水泵機(jī)組配套筒形閥的設(shè)計邊界條件與常規(guī)機(jī)組配套筒形閥相比有較大變化，筒形閥動水啟閉的動態(tài)特性以及筒閥關(guān)閉時間對水泵過渡過程的影響還需深入研究。

1.5 部件材料方面

由于蓄能泵不考慮水輪機(jī)過渡過程工況，升壓水頭較可逆機(jī)組升壓水頭略低。表1為某水輪機(jī)制造廠商提供的揚(yáng)程100 m水泵和水泵水輪機(jī)部件材料清單。從表1中看出：揚(yáng)程100 m的水泵和水泵水輪機(jī)主要部件材料差別不大，但升壓水頭不同，水泵水輪機(jī)使用鋼板厚度較水泵略厚，最終使用材料的差異，還需根據(jù)升壓水頭的差異來確定。

表1 水泵和水泵水輪機(jī)主要部件材料清單

1.6 輔助設(shè)備選擇

對于設(shè)置了活動導(dǎo)葉的蓄能泵組，如果采用變頻壓水起動，其輔助系統(tǒng)設(shè)備與水泵水輪機(jī)基本無差別。但采用背靠背帶水起動時，可不設(shè)置壓縮空氣壓水系統(tǒng)。

2 電動機(jī)與發(fā)電電動機(jī)的差異性

對同等容量的與水泵相配的電動機(jī)及與水泵水輪機(jī)相配的發(fā)電電動機(jī)進(jìn)行比較，其基本設(shè)計參數(shù)一致，成本沒有差異。但與水泵配套的電動機(jī)僅需按電動工況進(jìn)行設(shè)計，在轉(zhuǎn)子溫升等同的前提下，單純的電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組用銅量會略有減少。

3 結(jié) 語

經(jīng)過對可逆機(jī)組和蓄能泵機(jī)組對比分析，蓄能泵機(jī)組在設(shè)計制造難度、啟動運(yùn)行、工況轉(zhuǎn)換等方面均比可逆機(jī)組要求低，大泵電機(jī)可結(jié)合附近常規(guī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行背靠背起動，不設(shè)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，可節(jié)省10%～15%的機(jī)電設(shè)備投資。另外，蓄能泵淹沒深度較可逆機(jī)組低，可節(jié)省部分土建投資。

利用可逆機(jī)組理論進(jìn)行蓄能泵研發(fā)，不僅可滿足梯級電站儲能需求，而且可為我國大型跨流域大流量、高楊程提水及供水業(yè)務(wù)帶來廣闊市場前景，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。