抽水蓄能电站第二章 PPT课件

第二章 电力系统与抽水蓄能电站 第一节 电力系统概述 一 电力系统的组成 1 电力系统 生产 输送 分配与消费电能的系统 包括 发电机 电力网和用电设备组成 2 电力网 电力系统中输送与分配电能的部分 是由变压器 电力线路等变换 输送 分配电能设备所组成的部分 3 动力系统 在电力系统的基础上 把发电厂的动力部分 例如火力发电厂的锅炉 汽轮机和水力发电厂的水库 水轮机以及核动力发电厂的反应堆等 包含在内的系统 电力系统的组成 二 电力系统基本参数1 装机总容量 电厂的装机总容量是指电厂现有机组额定负荷容量的总和 以千瓦 KW 兆瓦 MW 吉瓦 GW 为单位计 电网的装机总容量是指电网范围内所有电厂额定负荷容量的总和 2 年发电量 是指电力系统中所有发电机组全年实际发出的电能的总和 以千瓦时 KWh 兆瓦时 MWh 吉瓦时 GWh 为单位计 第一节 电力系统概述 二 电力系统基本参数3 负荷 是一个瞬时值 指的是某一时刻的有功功率 对于电力系统来讲 最大负荷指规定时间内 电力系统总有功功率负荷的最大值 以千瓦 KW 兆瓦 MW 吉瓦 GW 为单位计 电量和负荷是两回事 电量是一段时间内的用电总和 4 额定频率 按国家标准规定 我国所有交流电力系统的额定频率为50Hz 25HZ系统在特殊情况下有可能存在 但是不可能有哪个国家把25HZ作为国家电网的工频 灯泡会闪烁5 最高电压等级 是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压 第一节 电力系统概述 三 电力系统并网运行的优越性 1 减少了系统的备用容量 使电力系统的运行具备有灵活性 各地区可以通过电力网互相支援 为保证电力系统所必须的备用机组也可大大地减少 2 形成的电力系统 便于发展大型机组 3 形成大的电力系统 便于利用大型动力资源 特别是能充分发挥水利发电厂的作用 4 通过合理地分配负荷 降低了系统的高峰负荷 提高了运行的经济性 5 提高了供电的可靠性 由于大型电力系统的构成 使得电力系统的稳定性提高 同时对用户供电的可靠程度相应提高了 特别是构成了环网 对重要用户的供电就有了保证 当系统中某局部设备故障或某部分线路检修时 可以通过变更电力网的运行方式 对用户连续供电 以减少由于停电造成的损失 第一节 电力系统概述 一 电力负荷电力系统中所有用电设备所耗用的功率 简称负荷 电力系统的总负荷就是系统中所有用电设备消耗总功率的总和 将工业 农业 邮电 交通 市政 商业以及城乡居民所消耗的功率相加 就得电力系统的综合用电负荷 综合用电负荷加网络损耗的功率就是系统中各发电厂应供应的功率 称为电力系统的供电负荷 供电量 供电负荷再加各发电厂本身消耗的功率 即厂用电 就是系统中各发电机应发的功率 称为系统的发电负荷 发电量 第二节 电力负荷 二 电力负荷分类1 根据突然中断供电所造成的损失程度分类一级负荷 二级负荷 三级负荷 第二节 电力负荷 一级负荷 一级负荷是指中断供电将造成人身伤亡危险 或造成重大设备损失且难以修复 或给国民经济带来重大损失 或在政治上造成重大影响的电力负荷 如火车站 大会堂 重要宾馆 通信交通枢纽 重要医院的手术室 炼钢炉 国家级重点文物保护场所等 一级负荷要求由两个独立电源供电 当其中一个电源发生故障时 另一个电源应不致同时受到损坏 对一级负荷中特别重要的负荷 除上述两个电源外 还必须增设应急电源 常用的应急电源有 独立于正常电源的发电机组 专门的供电线路 蓄电池 干电池等 二级负荷二级负荷是指中断供电将在政治 经济上造成较大损失的电力负荷 如主要设备损坏 大量产品报废 连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复 重点企业大量减产等 二级负荷要求由双回路供电 供电变压器也应有两台 这两台变压器不一定在同一变电所 当其中有一条回路或一台变压器发生常见故障时 二级负荷应不致中断供电 或中断供电后能迅速恢复供电 三级负荷 三级负荷为一般电力负荷 所有不属于上述一 二级负荷者均为三级负荷 由于三级负荷为不重要的一般负荷 因而它对供电电源无特殊要求 2 按电力系统中负荷发生的时间对负荷分类高峰负荷 指电网或用户在一天时间内所发生的最大负荷值 通常选一天24小时中最高的一个小时的平均负荷为最高负荷 最低负荷 是指电网或用户在一天24小时内发生的用电量最小的一点的小时平均电量 平均负荷 是指电网或用户在某一段确定时间阶段内的平均小时用电量 3 按发 供 用分类用电负荷 用户的用电设备在某一时刻实际取用的功率的总和 通俗来讲就是用户在某一时刻对电力系统所要求的功率 从电力系统来讲 则是指该时刻为了满足用户用电所须具备的发电出力 线路损失负荷 电能在输送过程中发生的功率和能量损失叫线路损失负荷 供电负荷 用电负荷加上同一时刻的线路损失负荷称为供电负荷 厂用负荷 发电厂厂用设备所消耗的功率称厂用负荷 发电负荷 供电负荷加上同一时刻各发电厂的厂用负荷 构成电网的全部生产负荷 称为电网发电负荷 第二节 电力负荷 4 按用电部门属性分类工业用电 农业用电 交通运输 市政生活 5 按使用电力目的分类动力用电照明负荷电热负荷电解负荷整流负荷 第二节 电力负荷 三 综合用电负荷1 日负荷曲线 按一天中0时至24时的时序出现的电力系统负荷大小绘出的曲线 第二节 电力负荷 三 综合用电负荷基荷 最小负荷水平线以下部分称为基荷 峰荷 平均负荷水平线以上的部分为峰荷 腰荷 最小负荷与平均负荷之间的部分称为腰荷 为了满足系统负荷的需要 应进行负荷预测工作 绘制不同用途的负荷曲线 第二节 电力负荷 几种能源形式 电能热能化学能机械能辐射能核能 第三节 能源概述及各类发电厂的特点 1 一次能源和二次能源 按生成条件 一次能源 自然能源 以天然形态存在于在自然界中 现成存在 可直接取得而不需改变其基本形态的能源 如煤炭 石油 及风能 地热能等 二 能源的分类 常规能源与新能源的分类是相对的 不同历史时期会变化 这取决于应用历史和使用规模 例如在1950年代 核 裂变 能属于新能源 现在有些国家已把它被归为常规能源 有些能源虽然应用的历史很长 但正经历着利用方式的变革 而那些较有发展前途的新型应用方式尚不成熟或规模还小 也被归为新能源 例如太阳能 风能 在我国 新能源指除常规化石能源和大中型水力发电 核裂变发电之外的一次能源 包括生物质能 太阳能 风能 小水电 地热能 以及海洋能 二 能源的分类 生物质能 蕴藏在生物物质中的能量 是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而存储在生物质内部的能量例如 木材和森林的废弃物 农业废弃物 水生植物 油料植物 城市和工业有机废弃物 动物粪便等 利用途径 直接燃烧 热化学转换 生物化学转换 二 能源的分类 太阳能 来自太阳光辐射的能量利用和转换途径 光 热转换 光 电转换 光 化学转换 风能 太阳辐射造成地球各部分受热不均匀 引起各地温差和气压不同 导致空气运动 利用风力机可将风能转换成电能 机械能和热能等 小水电 单站容量 50000KW的小水电站及与其相配套的小电网的统称 二 能源的分类 地热能 是指 在当前技术经济和地质条件下 地壳内能够科学 合理的开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分 利用方式 地热发电 流体温度150 400 地热直接利用 海洋能 是指 蕴藏在海洋中的可再生能源 如 潮汐能 波浪能 海流能 潮流能 海水温差能 海水盐差能等 二 能源的分类 4 含能体能源和过程性能源 按能源存在和转移形式 含能体能源 包含着能量的物质或实体 这类能源可以直接储存和运输 例如化石燃料 核燃料 生物质 地热水和地热蒸汽 过程性能源 随着物质运动而产生 并且仅以运动过程的形式存在的能源 这类能源无法直接储存和运输 如风 水 海潮 波浪 地热等 二 能源的分类 3 非再生能源和可再生能源 按循环恢复能力 非再生能源 不可再生能源 用完后不可重新生成 至少在短期内无法恢复 总有枯竭的一天 如化石燃料和核燃料均为非再生能源 据估计 按照现有的探明储量和开采程度 地球上的化石燃料最多还可使用几百年 可再生能源 可以循环使用 能够有规律地不断得到补充 没有使用期限 也不会因长期使用而减少 如太阳能 水能 风能 海洋能 地热能和生物质能 均为可再生能源 二 能源的分类 3 非再生能源和可再生能源 按循环恢复能力 非再生能源 不可再生能源 用完后不可重新生成 至少在短期内无法恢复 总有枯竭的一天 如化石燃料和核燃料均为非再生能源 据估计 按照现有的探明储量和开采程度 地球上的化石燃料最多还可使用几百年 可再生能源 可以循环使用 能够有规律地不断得到补充 没有使用期限 也不会因长期使用而减少 如太阳能 水能 风能 海洋能 地热能和生物质能 均为可再生能源 二 能源的分类 5 清洁能源和非清洁能源 按环境污染程度 清洁能源是指对环境没有污染或污染较小的能源 有时也叫绿色能源 如太阳能 风能 海洋能 垃圾发电 沼气等 非清洁能源是指可能对环境造成较大污染的能源 例如煤炭等化石燃料 清洁与非清洁能源的划分也是相对的 二 能源的分类 25 优点 建设投资小 工期短 受气候 水文条件影响小 不分丰水期和枯水期 缺点 生产过程复杂 成本高 对环境污染大 分为 凝汽式发电厂 专供发电 热能利用率30 40 热电厂 发电兼供热 热能利用率70 60 1 火力发电厂 利用燃料 煤 石油 天然气 燃烧使汽轮机转动 26 2 水力发电厂 利用水的落差 水头H 流量 Q 优点 生产过程简单 易于实现自动化 成本低 无污染 缺点 建设投资大 工期长 受气候 水文条件影响大 分丰水期和枯水期 核电厂发电的原理与火电厂相似 都要有一个热源 将水加热成蒸汽 进而推动汽轮机旋转并带动发电机转动而发出电能 不同的是核电厂所用的热源不是煤或石油 它的热源是原子核的裂变能 3 核电厂 核电是一种安全清洁的能源 利用它可以大大地节约煤和减少污染 一个1000MW的火电厂一天燃烧的煤是9600t 而相应1000MW的核电厂 一天只要3 3kg的U235 同样容量的电厂其用燃料量竟相差300万倍 利用铀 或钚 在反应堆核裂变热能 汽轮机 机械能 电能 太阳能热发电 它是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置 其基本组成与常规火力电厂相似 太阳能光发电 太阳能光发电不通过热过程而直接将太阳的光能转换成电能 其中光伏电池是一种主要的太阳能光发电形式 也叫光伏发电 光伏发电是把照射到太阳能电池上的光直接变换成电能的一种发电形式 它是目前太阳能发电研究的方向 1 太阳能发电 4 新能源发电 太阳能发电 风力发电 地热发电 潮汐发电 生物质能发电及垃圾电厂等 将风能转换成电能的发电方式称为风力发电 风能属于再生能源 又是一种过程性的能源 无法直接储存 还具有随机性 所以对风能的应用技术上比较复杂 图1 是风力发电装置的示意图 由此图可以看出风力发电机生产过程的简单描述 2 风力发电 图1 8风力发电装置的示意图1 风力机2 升速齿轮箱3 发电机4 控制系统5 改变方向的驱动装置6 底板7 塔架8 控制和保护装置9 基础10 电缆线路11 配电装置 4 潮汐发电 利用潮汐的落差推动水轮机而发电称之为潮汐发电 即在海湾或河流入海口处筑起堤坝 涨潮时蓄水 高潮时关闭 退潮时形成足以使水轮机工作的落差时才开始放水 将蓄水放出 驱动水轮发电机发电 潮汐能是地球在自转过程中 海水受月流重力牵引产生的 还有小部分潮汐是受太阳引力牵引形成的 海水涨落的周期为12小时25分钟 同时在海底造成三角流 5 生物质能发电 生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电 是可再生能源发电的一种 包括农林废弃物直接燃烧发电 农林废弃物气化发电 垃圾焚烧发电 垃圾填埋气发电 沼气发电 目前国家在生物质能发电的上网电价上给予了扶持 每千瓦时电价比火电高两角钱左右 1 增加我国清洁能源比重2 改善环境3 提高农民生活水平 风电与抽水蓄能的关系 我国风能资源非常丰富 我国陆上高度50m区3级 年平均风功率密度大于300W m2 以上风能资源可开发量约23 8亿kW 近海水深5 25m高度50m区3级以上风能资源可开发量约2亿kW 目前我国规划了八大风电基地 根据我国能源发展规划 到2020年 2030年 我国风电规划开发容量分别达到2 0亿kW 3 0亿kW 由于风电受自然因素影响较大 风电的运行 对电网的影响比较大 我国风电资源目前主要集中在我国北部地区 这些地区用电负荷比较小 对风电消纳能力有限 因此造成了风电上网困难 输电线路配套不能满足风电输送需求 1 电力系统的运行特点重要性 影响国民经济 快速性 接近光速 事故发生时间以毫秒计算 同时性 电能不能大量储存 生产 传输 分配和消费同时进行 第四节 电力系统运行 2 对电力系统运行的基本要求安全可靠持续供电优质良好的电能指标 1 电压正常 额定电压的 5 2 频率正常 0 05 0 2Hz 3 电压 电流为正弦波 无大的畸变 4 三相电压 电流对称 经济 减少能源消耗 降低传输和分配过程中的损耗 提高用电设备的效率 一 抽水蓄能电站所具备的功能 发电调峰填谷调频调相事故备用黑启动 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 1 发电功能 常规水电站最主要的功能是发电 即向电力系统提供电能 通常的年利用时数较高 一般情况下为3000 5000h 蓄能机组发电的年利用时数一般在800 1000h之间 蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换 经过抽水和发电两种环节 它的综合效率为75 左右 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 2 调峰填谷功能 具有日调节以上功能的常规水电站 通常在夜间负荷低谷时不发电 而将水量储存于水库中 待尖峰负荷时集中发电 即通常所谓带尖峰运行 而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源 包括火电站 核电站和水电站 的多余电能 抽水至上水库储存起来 待尖峰负荷时发电 因此 蓄能电站抽水时相当于一个用电大户 其作用是把日负荷曲线的低谷填平了 即实现 填谷 填谷 的作用使火电出力平衡 可降低煤耗 从而获得节煤效益 蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 3 调频功能 调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能 抽水蓄能机组调节灵活 出力变化可以从0到100 可以快速起动 随时增荷或减荷 起到调整周波的作用 有助于保持频率并提高电网的稳定性 调频 在电网频率下降至设定值时 蓄能机组会自动从水泵工况 调相工况和停机状态转为发电工况 把电网频率调整到设定值 常规水电站自起动到满载一般需数分钟 而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力 现代大型蓄能机组可以在一两分钟之内从静止达到满载 增加出力的速度可达每秒1万kW 并能频繁转换工况 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 4 调相功能 调相运行的目的是为稳定电网电压 包括发出无功的调相运行方式和吸收无功的进相运行方式 常规水电机组的发电机功率因数为0 85 0 9 机组可以降低功率因数运行 多发无功 实现调相功能 抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能 无论在发电工况或在抽水工况 都可以实现调相和进相运行 并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进行 故其灵活性更大 另外 蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心 故其对稳定系统电压的作用要比常规水电机组更好 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 5 事故备用功能 有较大库容的常规水电站都有事故备用功能常规水电站自起动到满载一般需数分钟 而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力 以利快速地承担事故备用 抽水蓄能电站能够快速启动机组 迅速转换工况 但因其水库库容较小 所起作用与具有较大库容的常规水电站有所区别 一般只能担任短时间的事故备用 在发电工况下 可利用抽水蓄能电站运行中的空闲容量 短时间内加大出力 在停机状态下 亦可紧急启动 从而达到短时应急事故备用的目的 第五节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 6 黑启动功能 黑启动是指出现系统解列事故后 要求机组在无电源的情况下迅速起动 第三节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 二 抽水蓄能电站在电力系统中的作用1 改善电网运行的作用抽水蓄能机组是水电机组 启动快速 适用负荷范围广 在电力系统中能还好地替代火力机组 担任调峰作用 作为水电机组 抽水蓄能机组有很强的负荷跟随能力 在电网中可起调频作用 可以作为系统的备用机组 第三节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 二 抽水蓄能电站在电力系统中的作用2 在能源利用上的作用降低电力系统燃料消耗改变能源结构提高火电设备利用率降低运行消耗 第三节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 二 抽水蓄能电站在电力系统中的作用3 在提高水电效益方面的作用缓解发电与灌溉的用水矛盾调节长距离输送的电力充分利用水力资源对环境没有不良的影响 第三节 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 1 抽水蓄能电站静态效益 抽水蓄能电站在电网中由顶峰填谷作用而产生的经济效益 称为静态效益 包括 1 容量效益 由于抽水蓄能电站的站址选择受到的限制较少 常能选在地形良好 地质条件优越 地点靠近用电中心的位置 其造价一般低于常规水电站或火电站以及核电站的造价 三 抽水蓄能电站的经济性 1 容量效益 抽水蓄能电站一般无防洪 灌溉 航运等综合利用要求 建设成本低 建设周期比常规水电站要短 运行费用比火电站要低 在电网中缺少调峰电源时 建设抽水蓄能电站可减少火电或其它类型电源的装机容量 改变能源结构 减少总的电力建设投资 三 抽水蓄能电站的经济性 2 能量转换效益 抽水蓄能电站通过能量转换 将成本低的低谷电能转换为价值高的峰荷电能 抽水蓄能机组抽水时是一个大负荷 消耗电能 可起填谷作用 有一部分本应压低出力的火电机组此时可以在最优工况下运转 其利用率和运转效率均得到提高 抽水蓄能电站通过能量转换 将成本较低的低谷电能转换为峰荷电能 代替了发电成本很高的调峰火电机组 三 抽水蓄能电站的经济性 3 节煤效益 由于抽水蓄能机组的投入 电网负荷分配得到调整 使火电机组的工作出力增加 运行工况得到改善 使系统火电总平均煤耗下降 当系统平均煤耗率下降到所节省的煤耗量足以抵消抽水所需的耗煤量时 就产生节煤效益 三 抽水蓄能电站的经济性 4 循环效率 抽水蓄能在能量转换过程中要有能量损失 即发电量将小于抽水耗电量 抽水蓄能电站的综合效率为发电能量ET除以抽水耗电能量EP 现在新设计的蓄能机组均可达到综合效率70 一75 条件特别优越的大型机组可达到78 一79 火电40 左右5 三 抽水蓄能电站的经济性 5 组合式抽水蓄能电站的效益组合式抽水蓄能电站内装有常规水电机组和蓄能机组 在运行上它有优于纯蓄能电站的地方 1 蓄能机组在枯水期或不需供水时可抽水到上水库中保存为发电之用 而不致产生发电时出力受阻 2 常规水电机组和蓄能机组互为补充 互为备用 可增加尖峰电量并减少耗水电量 其效果是增加了蓄能机组或蓄能电站的综合效益 以潘家口电站为例 电站安装常规水电机组1 150MW 抽水蓄能机组3 90MW 全电站增加的尖峰电量与抽水所耗电量的比值达到1 4 1 三 抽水蓄能电站的经济性 2 抽水蓄能电站的动态效益 关于抽水蓄能电站的作用多强调其调峰填谷 改善火电机组运行条件 节省燃煤 减少弃水 增加水电电量等功能 其实它的更大作用在于承担事故备用 保证系统稳定 经济地运行 发挥线路输电能力 节省电力系统投资和运行费用 提高供电质量和系统的安全可靠度 也就是它的动态效益高于其静态效益 三 抽水蓄能电站的经济性 2 抽水蓄能电站的动态效益 这些动态效益高于其静态效益 主要包括 1 调峰效益 抽水蓄能机组因为结构简单 控制方便 可以随需要增加功率或减少功率 因而有效地减轻了火电机组 包括燃气轮机机组 的调峰负担 大型火力发电机组及核电机组不适于变化负荷下运行 并且有最小的出力