现代抽水蓄能电站 第七章

第七章抽水蓄能电站机组工况转换2026年7月25日第7章抽水蓄能电站机组工况转换抽水蓄能机组具有发电、抽水、发电调相、水泵调相四种运行工况。现代的抽水蓄能机组都要能做旋转备用，为节省动力一般使水泵水轮机在空气中旋转(向水轮机方向或水泵方向旋转)，在电网有需要时即可快速地带上负荷或投入抽水或调相。在蓄能机组抽水时，如需快速发电可以不通过正常抽水停机而直接转换到发电状态，即在电机和电网解列后利用水流的反冲作用使转轮减速并使之反转，待达到水轮机同步转速时迅速并网发电。抽水蓄能一般实现如下工况转换：静止至发电空载；发电空载至满载；静止至空载水泵；空载水泵至满载水泵；满载抽水至满载发电；满载抽水至静止；发电满载至发电调相；发电调相至静止；抽水满载至空载。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换图7-1为一台大型可逆式水力机组(H=286m,P=200MW,n=333r/min)几种工况之间的转换过程，这台机组抽水工况起动时使用全电压异步启动(可逆式水力机械压气充水)，故启动的速度比较快。图中横坐标为时间，纵坐标为功率，图的上部为发电工况，下部为抽水工况。图7-1可逆式水泵水轮机工况转过程第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换图7-1(a)表示由发电转换至抽水的过程：水轮机在35s内卸完负荷，电机即与电网解列，转速开始下降，球形阀与导叶同时关闭，到45s时全关。导叶全关后转速还相当高，依靠转轮室内水流的撞击作用来使转轮减速，转速降为30%时加电气制动，到15%时转轮室开始压气，到165s时机组停止，水已压下。此时即并网全电压启动，100s后机组达到泵方向额定转速，再用25s时间排气造压，随即打开导叶及主阀，20s后达到满负荷抽水。由全发电到零转速共用了165s,由零转速到全抽水用了145s,总共310s(5.2min)。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换图7-1(b)表示由抽水转换至发电的过程：主阀保持开度不变。在电机与电网解列后6s内水流反向，水流对转轮冲击使其减速，到18s时转速到达零值即转入水轮机方向。在35~50s时间内调整同步并倒闸换相，至50s时和电网再并列，至90s时带满全负荷。增加负荷可用两种速度进行，平均增荷速率为4MW/s。由全抽水至换相点为42s，由此点至全发电为48s，总共历时90s。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换近年大型蓄能机组多数以变频器起动为电动机启动的主要方式。我国天荒坪抽水蓄能电站的6台可逆式水力机组(H=526m，P=306MW)的工况之间的预期转换时间如下：由静止至发电满载：120s；至抽水：变频395s，背靠背310s；至抽水调相：300s。由发电满载至静止：400s；至发电调相：180s。由发电调相至静止：400s；至发电满载：60s。由抽水至静止：360s；至发电满载：正常520s，紧急300s；至抽水调相：120s。由抽水调相至静止：300s；至抽水：120s。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换用同步启动(背靠背)是大中型蓄能机组都有的备用起动功能，视电站具体情况，其启动时间可能比用变频器起动时间差不多，也可能更长些，如日本奥多多良木抽水蓄能电站的4台可逆式水力机组(H=406m，P=310MW)的实际工况转换时间为：静止至全发电：5min53s；至全抽水：6min42s。全发电至停止：10min12s全抽水至停止：7min1s。全发电至全抽水：17min49s。全抽水至全发电：13min51s。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换多级可逆式水力机械只能在水中启动(压气效果不好)，起启功率虽然很大，但工况转换时间较短。法国圣海伦那蓄能电站的5级可逆式水力机械(H=931m，P=80MW)在水中空转的耗电量在水轮机方向为32MW，在水泵方向为45MW。实测的工况转换时间如下：水轮机启动：释放球形阀的密封环、机壳充压20~24s，同步操作6~8s，球形阀打开30s,总共56~62s。水泵全电压启动：加速到同步转速18s，打开密封环并开球形阀40~45s，总计58~62s。10min12s由发电至抽水：水轮机停机180s，换相及辅助设备投入45s，启动水泵并带上负荷60s,总计285s。由抽水至发电：水泵停机120s，换相及辅助设备投入45s，启动水轮机并带负荷60s，总计225s。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换根据许多蓄能电站运行的实际情况，国外制造厂归纳出一个各工况之间转换所需最低时间如图7-2所示。图7-2混流可逆式蓄能机组启动及工况转换的最低时间第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.1可逆式机组工况转换1——由停机至全抽水；2——由停机经过泵方向调相至全抽水(2a+2b)；3——由停机至水轮机空载；3a——由空载至全发电；4a——由抽水直接转至发电；4b——由抽水经过停机转发电；5——由发电经过停机至抽水；6——由抽水至水泵方向调相；7——由发电至水轮机方向调相；8——由水轮机方向调相至发电；9——由抽水至停机；10——由水轮机空载至停机；10a——由全发电至空载；11——由水泵方向调相至停机；12——由水轮机方向调相至停机；13——由水轮机方向调相经过停机转抽水；14——由水泵方向调相经过停机转发电第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.2抽水蓄能电站静态与动态效益工况转换组合式水泵水轮机因旋转方向不变，可以用水轮机来启动水泵，并网后水轮机再关闭，水轮机为混流式或为冲击式都可以这样操作。也有的卧式组合式机组用一个专门的小冲击水轮机来启动水泵水斗装在联轴器的外面。一台中型组合式抽水蓄能机组的工况转换过程如图7-3所示。这台机组是卧轴的，单向旋转，并装有液力联轴器。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.2抽水蓄能电站静态与动态效益第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.2抽水蓄能电站静态与动态效益工况转换图7-3的左半部分为机组由静止到发电的过程：启动前先开旁通阀充水，再开水轮机球形阀，到50s时开导叶，到80s时电机并列，到115s时带满负荷105MW(增荷速度为3MW/s)。图7-3的中部为由发电转换至抽水的过程：在头28s内将水轮机负荷卸掉，同时已向水泵涡壳内充气准备启动。在功率降为零时即合上联轴器，水泵在20s内加速到额定转速，随即排气造压。总历时60s时已建立全压，所耗功率近50%。并网后水泵即开始抽水，在95~100s时全负荷抽水。泵抽水后水轮机的球形阀即开始关闭，20s关完，随即充气空转。图7-3的右半为由抽水转换至发电的过程：先在水轮机室充气，开导叶和关闭水泵球形阀，这与脱开联轴器同时进行，由全抽水转换至全发电只需85~90s。在上述转换过程中，电机始终与电网联结，同时电机的旋转方向不变，故能达到很快速的工况转换。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.2抽水蓄能电站静态与动态效益水力回流组合式蓄能机组因为水轮机和水泵各有一套进出水管，这些管道在电站以外又是连通的，故通过机组可以形成一个循环通道。为使水泵启动时不对电网造成过大冲击，或在运行中需要调节抽水功率时，都可以利用这样的循环通道人为造成水的回流，以达到调节机组水量来调节功率的目的，这一运用方式叫作“水力回流”，或称三机同时运行方式。在水泵启动时，同时打开水轮机的进口球阀和水泵的进水(尾水)蝶阀，开启水轮机，使水轮机和充了水的水泵同时旋转。转速升高到水泵出口压力略高于压力管道压力时，打开水泵的出口球阀，机组即进入“水力回流”状态。第7章抽水蓄能电站机组工况转换7.2抽水蓄能电站静态与动态效益水力回流水力回流状态水流由水轮机排出后在尾水管部分折回到水泵的吸水口，由水泵打出的水在上游侧管道交汇处又折回到水轮机的进口。当机组达到额定转速时，电动发电机并入电