國內(nèi)外抽水蓄能機組技術(shù)發(fā)展比較分析研究

丁軍鋒+盧從義+葛光男

摘 要：抽水蓄能電站以其調(diào)峰填谷的獨特運行特性，發(fā)揮著調(diào)節(jié)負荷、促進電力系統(tǒng)節(jié)能和維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的功能，將成為我國電力系統(tǒng)不可或缺的調(diào)節(jié)工具。本文分析比較了當前國內(nèi)外常規(guī)抽水蓄能機組和海水抽水蓄能機組技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展脈絡(luò)，并對未來技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：國內(nèi)外，常規(guī)抽水蓄能，海水抽水蓄能，技術(shù)，比較

1、引言

隨著我國電力系統(tǒng)容量的不斷增長，電力負荷的日變動量（峰谷差）也在不斷加大【1】。抽水蓄能機組利用電網(wǎng)低谷時的電量揚水蓄能，到電網(wǎng)高峰時放水發(fā)電，以其調(diào)峰填谷的獨特運行特性，發(fā)揮著調(diào)節(jié)負荷、促進電力系統(tǒng)節(jié)能和維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的功能，將成為我國電力系統(tǒng)有效的、不可或缺的調(diào)節(jié)工具。

英國、美國、日本等國家電源構(gòu)成中調(diào)峰性能優(yōu)越的天然氣發(fā)電機組比重分別達到33%、22%和25%，但抽水蓄能電站仍然占有相當比重。美國抽水蓄能機組占全國裝機的比重超過2%，英、法等國均超過4%，日本超過10%【2】。

與歐美、日本等發(fā)達國家相比，我國抽水蓄能電站建設(shè)起步較晚。20世紀90年代才開始進入快速發(fā)展期【3】。截止2015年底，全國抽水蓄能電站投產(chǎn)規(guī)模達到 2303萬kW，約占全國發(fā)電裝機總?cè)萘康?.51 %，約占世界抽水蓄能電站總規(guī)模的16.21 %左右。“十三五”期間我國將建設(shè)長龍山、陽江、文登、天池、金寨、沂蒙等多個抽水蓄能項目（見表1），預(yù)計2020年將達到6000萬kW以上。

表1 截止到2016年4月，我國抽水蓄能電站裝機容量詳表（包括在建）

2、常規(guī)抽水蓄能機組技術(shù)發(fā)展

2000年以前，我國常規(guī)抽水蓄能電站主機設(shè)備幾乎全部進口。2003年國家發(fā)改委決定，通過技貿(mào)結(jié)合的方式，引進抽水蓄能電站機組設(shè)計和制造技術(shù)。響水澗抽水蓄能項目是我國打捆招標后的第一個國產(chǎn)化蓄能機組。目前我國抽水蓄能發(fā)電電動機最大容量已經(jīng)達到300MW以上，轉(zhuǎn)速可以達到500轉(zhuǎn)。

抽水蓄能電站的主要發(fā)電設(shè)備為發(fā)電電動機，與常規(guī)的水輪發(fā)電機相比，具有雙向旋轉(zhuǎn)、頻繁啟停、機組的過渡過程復雜、存在多種運行工況運行和負荷陡增等技術(shù)特點【4】。

在結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)大容量發(fā)電電動機的結(jié)構(gòu)有懸式結(jié)構(gòu)和半傘式結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)投運的抽水蓄能電站幾乎是各占一半【5】。從已經(jīng)投運的抽水蓄能電站運行維護的實踐看，轉(zhuǎn)速為500r/min的多采用懸式，轉(zhuǎn)速為300r/min的多采用半傘式。

在冷卻方面，由于抽水蓄能機組的轉(zhuǎn)速高，負荷變化頻繁變化，絕緣迅速老化、脫殼、壽命降低，會影響電機運行的可靠性。采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，電機定子溫升分布相當均勻，而且軸向高度高，更有利于自循環(huán)蒸冷系統(tǒng)的循環(huán)，對冷卻效果起到更有利的作用。同時，能夠解決絕緣和臨界轉(zhuǎn)速的問題【1】。

當前，國外運行的最大容量抽水蓄能發(fā)電電動機和可變速發(fā)電電動機均在日本葛野川電站。機組單機容量412MW，500轉(zhuǎn)/分速度，包括2臺常規(guī)機組和2臺變速機組【6】。未來，抽水蓄能電站的發(fā)展趨勢是大容量、高水頭和高比速。機組的機械（轉(zhuǎn)子飛逸與起停機疲勞等）和發(fā)熱等問題將成為未來研究的熱點【7】。

3、海水抽水蓄能機組技術(shù)發(fā)展

海水抽水蓄能系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)抽水蓄能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用海水作為工質(zhì)的新型抽水蓄能形式。1991年，日本的KANEDA等【8】在專利中提出了利用海水抽水蓄能的電站。1999 年世界上第一座也是目前唯一一座海水抽水蓄能示范性電站——日本沖繩海水抽水蓄能電站投入運行【9】，該電站最大輸出功率為30MW，有效水頭為136 m，最大流量為26m3/s，其高位水庫建在距離海岸600m的高地上并且按照八角形挖掘而成，低位水庫直接利用大海。通過5年的試運行證實了海水抽水蓄能系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和調(diào)峰調(diào)頻的可能性，為之后建設(shè)大容量、高水頭的海水抽水蓄能電站奠定了技術(shù)實踐基礎(chǔ)【10】。

國內(nèi)關(guān)于海水抽水蓄能的研究并不多見。香港理工大學的MA等【11】對在香港某島嶼上建立太陽能光伏發(fā)電和海水抽水蓄能耦合的混合系統(tǒng)進行了理論研究。此外，MA等【12】還對在該島嶼上建立風能太陽能-海水抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電的混合系統(tǒng)進行了理論研究。文中通過對混合系統(tǒng)建模，并結(jié)合其運行策略，對系統(tǒng)進行了基于小時負荷的仿真分析，結(jié)果表明海水抽水蓄能系統(tǒng)能夠彌補風能發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定的特性。

發(fā)展海水抽水蓄能在我國有資源利用可行性。海水抽蓄電站的研究和建設(shè)在我國尚處于起步階段，在借鑒日本沖繩海水抽蓄電站的建設(shè)和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮地理位置、水頭、地形地質(zhì)、環(huán)境影響等因素以降低投資成本，探尋適合我國沿海地區(qū)的海水抽水蓄能發(fā)展模式，建立全面的效益評估指標體系，最大限度地保障海水抽水蓄能電站的技術(shù)和經(jīng)濟可行性。

參考文獻：

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[4]趙政，抽水蓄能電站發(fā)電電動機國產(chǎn)化[J]，大電機技術(shù)[J]，2010（01）

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[7]顧國彪等，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[J]，中國電機工程學報，2014，34（29）

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[9]劉布谷. 世界上首座海水抽水蓄能電站上庫的設(shè)計與施工[J]. 水利水電快報， 2012， 33（11）： 15-17.

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[12]MA T， YANG H， LU L， et al. Technical feasibility study on a standalone hybrid solar-wind system with pumped hydro storage for a remote island in Hong Kong[J]. Renewable Energy， 2014， 69（3）： 7-15.