混合式抽水蓄能电站的应用发展分析

1、ID国科技论乂任线http: /www paper edu cn混合式抽水蓄能电站的应用发展分析孙宏健河海大学水电学院，南京（210098）Email : Shj2115398 163 com摘 要：面对着人们对水电的愈加珍视和水电可开发资源日益减少这种困状，我们急需调整 对水电资源开发利用的思维模式.本文对混合式抽水蓄能电站的建设做一些分析，并对梯级 水电开发中可逆机组的运用进行一些初步探讨。关钱词：混合式电站，梯级开发，电网1. 混合式抽水蓄能电站的发展史自从1882年首用抽水箝能电站在瑞七诞生后，到上世纪六、七十年代抽水崙能电站才 开始迅速发展，而这期间建设的人部分都是混合式电站（基本上

2、都是水头较低，装机容罠较 小的电站）：到上世纪八十年代初期，西欧如法国和意人利还何部分混合式抽水着能电站在 建（因为站址优异，水头一般很人，电站装机容彊也较人）。然而，从经济性出发抽水蓄能 电站必将向高水头、人容届的纯抽水蓄能电站方向发展，混介式抽水希能电站因水头受门然 条件的限制，已经很难满足电网需耍。从七十年代后期开始建设的抽水蒂能电站，人部分都 为纯抽水希能电站，从此进入了纯抽水希能电站阶段。表1为意、法、日、中各国六十到七十年代投产抽水希能电站和混介式电站的数斎统计 .表1 各国六、七十年代建成抽裕电站情况国家抽蓄电站数ft （座抽盞电站装 机（丿jkV）混介式电站数盘（座）混合式电站

3、 装机（万 kW）电站比乘装机比乘总大利5211.3253 340%25.2%法国7201.5482.957%41.1%L1本251143.917550.968%48.1%中国23.323 3100%100%注：1991年和2000年，潘家口和响哄甸两座混合式抽水蓄能电站投入运行，总可逆装机容戢达到35 kWo如今，抽水备能技术和电网技术収得了很人的进步，人们对抽水器能电站的认识也步入 了新的境界。在许多发达国家的电网屮，抽水器能电站的调峰填谷作用已经不是其主耍效益 來源（如矣国的汤姆索克抽水焉能电站装机容帚年利用小时数仅为34小时，卡宾溪抽水當 能电站也只仃216小时），它更主耍的是充当电力

4、系统的管理工几：调频、调相、负荷跟踪 和爭故备用等，以捉高供电质吊和维持电力系统的稳定安全运彳亍为主。随着可开发利用水利 资源口趋枯竭，和人们对环境保护、生态保护要求的不断増高，电网中水电比例口趋下降： 此时，在常规水电站中増加冋逆机组以形成混介式抽水蒂能电站，终显示出了优势。动态 效益所占比币；的增加使混介式电站的经济效益冇了进一步的保障，自身建设対环境的“零” 污染使氏更容易工项，建设周期的大人缩短使比更易满足电网的需要。相信，混介式电站 将得到一定规模的再次开发。2. 混合式水电站的优点2.1我国已建常规水电站中引入可逆机组的意义建国以來，我国建造了许多人中熨水电站。两部许多地区的电网中

5、，水电至今仍占据比 较丿、的份起。它们在我国的经济闲难时期以及近30年来的经济腾E中发挥了举足轻匝的作 用。随着国民经济的快速发展，电网装机容罠飞速增加，现在我国已经形成了火主水辅的电 网格局，特别是东部经济相对发达但乂缺乏水电资源的华东等地区，电网屮水电比例极低， 电网调峰主要依靠火电、燃气电站和少磺常规水电站；虽然近年陆续建成一批人中型抽水蒂 能电站，缓解了调峰填谷的矛盾，但随着经济的不断蓬勃发展、人民生活水平的不断提高， 以及核电、风电、太阳能电的不断开发,电网中调峰容量的需求必将口益扩大。华东华南等 地区仃相为数吊的抽水畜能电站正在建设或者已经立项：但这些地区的可开发水电资源已近 枯竭

6、，长远來看电网调峰电源仍显不足，抽希装机在电网中所占比例也将远远低r其 8%14%的介理比例。考虑到为初规划设计时的局限，许多老式常规水电站增机扩容己成为一种共识：像这样 已扩、待扩的电站有很多，如新安江电站，近年来其装机容杲就从原先的66.25力kW扩壇 到了 81第力kW。纵观中国电网发展的趋势，各地区电网必将联合成全国性的电网，以増 强各地区Z间的M补和协调。考虑将电网中C建常观水电站扩建为混合式电站就只仃了现实 意义：它町以为地区电网哄至是全国电网提供调峰、调频、调相和备用服务，！Rj发展价值。由这些年推彳J：电力系统体制改革，但两部制电价的八体定位较难，施行进程较慢，抽 水蓄能电站的

7、投资风险加人，在一定程度上将影响到抽水裕能电站建设的步伐。此时，电站 的建设和运彳亍成木对J抽水當能电站越來越巫耍，在已建水电站特别是梯级开发的己建水电 站屮适卅扩建可逆机组以满足电网发展的需求，不仅解决了实际问题，而且n/j ii人的经 济优势，可视为将来抽水菁能电站的一条出路和延续。常规水电站增加可逆机组可以冇效解决部分电网扩容的需求，减少火电装机，并提高火 电机组的利用率：同时，抽器具有火电、核电、燃气电站等无法比拟的灵活运行能力和强人 的调峰能力。并且,已经建成的水库,可以直接用于抽富机组蓄水发电,只需増建水道和厂 房系统，因而可人人减少投资。肉为町以利用已建电站的现有地质资料和施匚记

8、录，町缩短 前期勘测、设计工作周期。增机完工后，还町以适当借助原电站的输变电系统，吸收部分己 建电站的运行、维护和管理人才，从而人人降低可逆机组的运彳J：维护费用；同样，这对J记 建帘规电站降低运行成本并向现代化管理调度方向改进是-个非常好的契机。増建可逆机组，可以迓换出电网屮用以调蜂的火业机组，从而降低电网中的唱位煤耗率, 并且可以减少火电系统中CO2、CO、SO2等废气排放磧，减轻电力系统在环境保护方而的 投资压力；同时，增建可逆机组还可以置换出原电站的页复容员、备用容吊，人人减少原先 电网中的弃水调峥现象，避免水资源的浪费，并FL提高了常规装机容鼠的利用率.另外，在 已建常规水电站中扩建

9、可逆机组，因为一般不需增加库容，不需建新坝（不另建水库时）， 不会引起局部环境的改变，故社会斥力较小，工程进展将较顺利。常规电站扩建为混合式电站为电网中建设人调节容最、长调节周期蒂能电站，提供了更 加广阔的选择空间。因为混合式电站一般都可以利用N有较人容磺的水库，其调节周期更长, 可以进行周、旬、甚至是月调节，因而可以更充分地发挥抽水蓄能电站的作用。它对电网的 调廿能力更强，故对火电机组的稳圧运彳J；、电网的安全运行和保证电网的输电质彊都显得 ID国科技论乂仕线http: ,"www paper edu cn更为iE要，整个电网的节煤效应也将更加明显。2.2潘家口、响洪甸混合式电站的

10、经验分析潘家11抽水蒂能电站是我国第一廉实际意义上的大粮混介式电站，它分为上池和I、池两 部分。匕池人坝中安装有一台常规水轮机组和三台抽水希能机组，总装机容炭为420NIW (150+90x3)；卜池人坝中安装勺两台贯流式机组，装机容10MW。潘家II水利枢纽原初 步设计是一朋常规水电站，总装机容駅为3X60MW,女年平均发电罠为3.56亿kWh。其中 替代容量为93MW,峰荷电® 1.32亿kWh,非峰电量2.24亿kWh,在系统中的作用是以 水定电、调峰运行。从初步设计与现实对比中可以看出,潘家口抽水蓄能电站现状较初步设 计扩大装机容量2.3倍：年发电量由3.56亿kWh增加到5

11、.93亿kWh,是原设计的1.7倍; 峰荷电量由1.32亿kWh増加到4.82亿kWh,是EU殳计的3.7倍;替代容量由93MW増加 到235.5MW,増加2.5倍.因为电站的改造扩容，可逆装机与常规机组在高蜂期同时顶峰丁作，将II昭电駅人吊转 移到峰荷时段：另外，可逆装机直接置换出了常规电站里的备用装机，洪水期或者来水炭大 时，戌接作为常规机组利用弃水发电。因而，电站的发电方式也扩人到三种：抽水裕能发电 1273亿kWh：将常规机组所发的非峰电彊转换成峰荷电lit 16068亿kWh；利用弃水发电1273 亿kWh；合计40418亿kWh,抽水发电综合效率为79.8%。电站的峰荷发电増鼠与着

12、能机 组抽水耗电相比为140%。另外，潘家口抽水蓄能电站,在电力系统中调峰填谷调节容量约344MW,使调峰出力 增加了 4.6倍，保障了火电机组更好地处高效运彳亍状态，减少了火电机组因参与调峰填谷 时产生的能耗比率增高所造成的损失，每年可为国家节约燃料费用约0.72亿兀；节约替代 电站基本建设费2.4亿元以上。仅此收益，推算可在12年内回收总投资：综介收益效益更 大。响洪甸水库位J：安徽省人别山区的西济河上，与佛子岭水库、磨子潭水库和白莲崖水库 构成一混联水库群。抽水蒂能匸程以响洪甸水库为卜.库，在卜游河道匕筑低坝形成卜库，扩 建装机容量为8 ) kW的可逆机组,与己建的4万kW常规机组构成1

13、2 Ji kW的混合式抽 水裕能电站。本工程是国内己建的第二朋人型混合式抽水蒂能电站。水库群中的响洪甸、佛尹岭、磨子潭及白莲崖水库共同承担灌溉及卜游城市供水任务， 因佛子岭、响洪甸电站原仃发电流彊共计200m3/s左右,小J灌溉渠道设计流W：(300n?/s), 水库群灌溉水磺和流砒的分配受到发电流届限制，不能实行水库群内的介理调度。根据i殳计 计算和近年來水库运彳亍统计，响洪甸水库平均年弃灌漑水1.3亿1.5亿m，佛子岭水库年均 弃灌溉水0.6亿1.0亿m，两水库发电水帚利用率仅70%75%,发电效益受到很人影响。 响洪甸电站原冇4力kW常规发电机组，年发电帚为0.9亿kWh,电站没冇保证出

14、力，不能 承担电力系统正常的调峰任务。响洪何水库扩建箔能电站以后，发电流杲增加到300m'/s,相当J：灌区渠首丁程报人引 进流彊，与佛子岭水库配合，完全能满足灌溉放水流起的需耍,水库群可根据各水库的蒂水 最、來水彊和库容等条件，实行联合补偿调度，合理地分配灌溉供水流彊和水最。电站扩建8 Jj kW町逆机组以后，原常规机组季节性发电容磺4 )i kW也可转化为电力 系统替代容量,共可调峰12万kW,抽水填谷10.8万kW,电力系统每年可节省煤耗3.9 ) t,除JI仃纯抽水蓄能电站的-般作用和效益外，每年还可增加來水发电駅约4000力kWh, 以电力系统每人耍求本电站调峰发电4h计算，

15、蓄能发电駅9396力kWh,抽水填谷用电届 13818 Jj kWli3在水库实行综介调度的基础上，混合式抽水當能电站以“常涪结介”方式运彳J：, 除冨能发电彊9396力kWh为电力系统高峰电磺外，连可使原岀库水季卩性电彊和低谷电磺 中8124万kWh转化为高峰发电量。另外,由丁抽水蓄能电站的建设,有利于电站所在水库 祥更好地实行联介补偿调度，改善了库群屮其它水电站的运彳亍状况，使佛子岭电站、磨子潭 电站等共增加发电量800多万kWh,增幅为3%左右，其中保证电量共增1950万kWh,保证 电最増幅为20%。综上，扩建响洪甸为混介式抽水希能电站，可増加的高峰电就与输入的低谷电最之比达 1.41

16、.即使考虑原电站低谷电最有所减小,增加高峰电量与消减低谷电最之比也达1.0,可 见建设混合式抽水常能电站的优势。除发电效益增人外，因扩建叮逆机组，增加了一条新的发电泄水通道，水库増加放水流 啟近200n?/s,更利水库的防洪调度，人幅提高了水库的安全程度；同时，可满足最人灌 溉放水流届的耍求，避免了响洪甸水库和佛了岭水库灌溉期泄流能力不足、盂耍泄洪隧洞补 充泄水灌溉的问题，减少灌溉弃水年均2.4亿m，方便了灌溉放水的运彳了，减少了灌溉用 水与发电用水的孑盾，仃利J：泄洪建筑物的安全和水库管理。同时，抽水蒂能电站的建设还 仃利J：所在水库群实行介理的联介调度，年均增加水库群灌溉供水灵300多）

17、m随荐灌 溉及城市供水昴的增加，苴联介调度增加供水帚的效益将进一步提高。从响洪何混介式抽水希能电站可以看出，梯级电站屮扩建可逆机组将产生更大的综合效 益，佛磨混合式抽水器能电站的建成投产验证了在梯级电站屮扩建町逆机组的经济町行性。3. 梯级电站群中增加可逆机组的的意义询文所述，在C建常规水电站群中，适度增加部分可逆机组，是一种比较理想的选择。 梯级水电站群因为众多水电站的关联效应，其调巧能力更强，综介运用也更加复杂。但是， 只要辅以适当的运彳亍方式，同样可以发挥出优势。注盘到梯级电站中己仃的上卜游水库，在 卜游水库消落水深和库容满足耍求时，我们可以点接利用已建水库，只増建、改建输水系统 和厂房

18、、输变电系统，电站即可投入运行，佛磨混合式电站就是这种情况国（见图1）。这样 不仅进一步减少了建设成本，还使紂电站能够更快地投入电网运行。涝河上响洪甸和佛磨梯 级电站先后改建，并fl都取得了可观的经济效益和社会效益，这给了我们一些思考和启发， 值得借鉴。东部除了安徽淮河流域外，浙江新安江上也仃梯级电站；西部K江流域、黄河流域更是 拥冇数帚众多的梯级电站。条件可行时，在这些梯级电站祥中扩建一些混介式电站，具冇积 极意义。这种扩建工程，投资少、收益快，可以快速増加电网蒂能装机容炭的比例，提高电 网的调节能力。在允分考虑电网需耍和务地区的经济发展状况卜，结合梯级电站群的水库容 量及周鬧的地形、地质条

19、件，可以适当扩建一些混合式电站。考虑西部水电东送、北部火电南送，输电方和受电方都需耍多建设一些备能电站，从 而优化业源结构，改善电网运行环境。从输电方角度考虑：在非高峰期，受电方不石婆电时, 输电方必须尽可能将多余电能储蒿起來，以减少水电弃水、提禹水能利用程度，或者提高火 电机组的运行效率及具年利用小时数，从而改善输电方电源的运彳亍环境：从受电方角度考區 在低谷时期，要能按照介同的受电容彊接受输电方的供电駁，就必须仃足够多的蓄能电站将 多余电g储蒂起來，以节约成本八提高电网女全系数，冋时，增建祷能电站还提高了输电线 路的利用率、降低了输电成本，并加强了受电方的电网调节能力。条件适介的情况卜，在

20、梯 级电站屮扩建混介式电站不仅节约投资和建设时间，还拥冇“犬然”的人水库和众多可选梯级 电站，故对J：考世改建混合式电站何非常人的吸引力，除了卜.面提到的利用梯级电站中的两 个水库（如佛磨电站模式），混合式电站还仃其它两种开发形式：单独利用上库，单独利用 卜库（见卜图九另外，在同时利用梯级电站中的两个水库的情况下,两个水库可以是不相 邻的。-5-ID国科技论乂任线http: ,"www paper edu. cn图2梯级电站中可逆机组的两种布代形式事实上，除了出J：西电东送考虑外，対J：中西部水电比車较人的电网（如湖北电网）， 本身也石耍一定的抽當装机参与业网调峰，白莲河抽水螢能电站

21、的处成就充分说明了这点。 这种电网丰水期水电比巫人但缺乏调巧能力，抽水蓄能电站调峰填谷作用能替代相应容届的 火电机组，减少水电弃水调峰：枯水期峰谷差人，在充分利用常规水电调峰的圧础上，抽水 番能电站是优J：火电的调峰设施，可提高系统火电利用小时，确保电网安全、稳定、经济运 行和供电质鼠而这些地区往往多流域性的梯级电站，经过详细的调研，若能将部分梯级电 站适当扩建、改建为混合式电站，经济意义一定显著。一般情况卜，梯级电站水头不太人，只适宜扩建一马中小型的抽器电站；这些可逆装机 容斎可以为地方电网的调节提供很人的便利，创造很好的经济效益（如宁波溪II电站）。对 一些条件较好的电站，可以扩建一些人中

22、型的混介式电站：这兆电站可以门找为整个地区电 网服务，共至在将来的国家电网中发挥巫耍作用C4. 常规电站扩建为混合式电站时应注意的问题我们在进行常观水电站的改建过程中，如果过r强调利用已建水库作为可逆机组的I、库 时，容易遇到许多问题。如水头低、水道长、水库水位变福人，导致抽水蓄能机组运行水头 范川受到相为人的限制。一般，抽水蒂能机组的最小水头和最人水头之比，最好能在0.8-0.9, 以0.85以匕为佳。如果水头变化人，抽水希能效率和抽水杲将显著降低，并限制了出力和 可发电杲，机械运行不稳定，产牛各种振动问题。虽然可以通过使用变速机组提高发电、抽 水两种匚况的效率，并提高机组的运行稳定性，但从

23、使用变速机组最成熟的H本抽水番能电 站的建设经验來看，变速发电机的价格约为怛速发电机的1.5倍，再加上交流变频励磁设备 比普通变频启动设备增加的费用，这两部分设备费用合计将增加70%左右，顾不宜人肚使 用叫因此，对J如何利用已建水库，应做全面的经济分析。同时,我们还耍考虑到利用已 建水库增建可逆机组的进/出水1 I时对水库运行产生的影响。在进行常规水电站的改建、扩建过程中.不能为了尽吊充分利用已建水廂的人容磺、较 人的水头落差，而不顾地方实际发展石耍，刻意扩建一些人容駅的可逆机纽，从而造成浪费。 如原本为地方发展需要而建设的可逆装机，因为容彊人人，也接为地方电网服务会得不到 充分利用,故作为大

24、电网的调节容量,反过来再从大电网中对地方电网进行调节;容量的变 换口然会产生能吊损欠，并IL这还耍受到变压器容駅的限制，将人人降低电站的经济价值。 故,在扩建混合式电站时要注意考虑电网中大、中、小型抽蓄电站的统筹布局和整体规划。还冇一个值得注意的问题。若拟利用的已建电站水库为中、小熨水库，改建成人熨抽水 希能电站后，建筑物级别冷要加高，相应人坝的安全系数、泄洪标准、施丁质吊要求等也耍 提高，原来的建筑物可能需要做加固处理在已建水电站中扩建抽器机组，在我国还处在起步阶段，如何处理好町逆机组的发电效 益和综合利用各方面的关系，也是一个非常重耍的问题，必须认真研究。因此，利用己建水电站扩建为混合式电

25、站，应根崔H体情况进行貝体分析，对其利弊做 出综合评价，进行经济比较后再做出结论。5.结语从电网的发展看，当水电发展到一定程度，因受水能资源的限制，不能与其他电源同步 增K时，电网中峰谷差将加人。尖峰时缺电而低谷时冇多，这种现彖将会与口俱増。这不仅 影响电网供电质杲，还影响电力丁业的可持续发展。曲水蒂能作为水电的补允，弥补了常规 水电的不足，使电力系统中低谷时剩余电能转换成尖蜂时的宝贵电能，减缓了电网屮火电机 组的深度调绦和水电弃水现象，稳定了电网的安全运行。实质卜.其作用相当于使电网屮II益 増长的、如不用反会带来负面影响的剩余电能转换成了可再次利用的电能，其作用巨人，十 分勺利水电和藥个电网的町持续发展。而混合式电站作为抽水常能电站在新时期的发展， 不仅在经济上何其无与伦比的巨人优势，同时，作为水电的延续和长期发展，也何其无法替 代的现实意义。随着我国电网技术的不断发展和电网运彳亍经验的不断丰富，各地区电网的联介调度运彳亍 步伐加快。并且国民经济不断发展，社会对电网安全性能和输电质鼠的耍求也不断提高。氏 远來看，混介式抽水蒂能电