抽水蓄能技术课件第1学时

抽水蓄能电站技术pumped-storagepowerstation主要内容工作原理在电力系统中的作用与功能兴建前提条件发展概况及前景电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高(其中最高时段称为高峰)；下半夜大幅度地下跌(其中最低时段称为低谷)，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。抽水蓄能电站工作原理一、概念和基本原理抽水蓄能电站的工作原理是利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时（夜间）做水泵运行，用基荷火电机组、核电发出的多余电能将上水库的水抽到上水库存储起来，在电力负荷出现高峰（下午及晚间）做水轮机运行，将水放下来发电。抽水蓄能电站工作原理发电工况工作原理示意图抽水工况工作原理示意图抽水蓄能电站受两次能量转换的影响，运行效率较低，但在电力系统调峰、调频中能起着重大作用。可减少火电机组开停机次数，使核电站平稳运行，节省火电机组低出力运行的高燃料耗费和机组起停的额外燃料耗费，增长火电和核电机组运行寿命。在以火电、核电为主的电力系统中，修建适当比例的抽水蓄能电站还是经济的。抽水蓄能电站工作原理1、作用调峰填谷调频调相事故备用提高水（火、核）电站的综合利用率降低系统的能耗提高电力系统的灵活性和可靠性提高水电效益二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能2功能(1)发电功能(2)调峰功能(3)调频功能(4)调相功能(5)事故备用功能(6)黑启动功能二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能3、抽水蓄能电站适用的电力系统

由于能源在地区分布上的差别，电网的构成也有所不同，大致可分为两类：一类是以火电（包括核电）为主；另一类是以水电为主或水、火比例大致相当。根据我国各地区、各电网的具体情况，抽水蓄能电站适用于以下情况：二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能1）以火电为主的、没有水电或水电很少的电网。这些电网需要抽水蓄能电站承担调峰填谷、调频、调相和紧急事故备用。2）虽然有水电，但水电的调蓄性能较差的电网。如具有年调节及以上能力的水电站比例较小，枯水期可利用水电进行调峰，汛期水电失去调节能力，若要利用水电调峰，则只能被迫采取弃水调峰方式。在这样的电网，配备了抽水蓄能电站后，可吸收汛期基荷电，将其转化为峰荷电，从而减少或避免汛期弃水，提高经济效益并改善水电汛期运行状况，较大地改善电网的运行条件。二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能3）沿海地区的省份，不但火电比例较大，而且还有核电站。如广东已有大亚湾核电站、浙江已有秦山核电站，江苏的连云港核电站正在建设，辽宁、山东、福建等省正在筹建核电站。我国的核电站多是按基荷方式运行设计的，一则是为保证核电机组的安全，再则是为提高利用小时数，降低上网电价。为此，必须有抽水蓄能电站与之配合运行，如广州抽水蓄能电站与大亚湾核电站配合的成功经验。二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能4）远距离送电的受电区。如我国“西电东送”工程，西部电源点和东部受电区之间的距离都在1000~2000km甚至2500km以上，除保证安全供电外，还应考虑经济效益问题。输电距离远到一定限度后，送基荷将比送峰荷经济，特别是电价改革后，上网峰谷电价差增大，受电区自然要求买便宜的低谷电，但不能解决缺调峰容量的矛盾。如在受电当地自建抽水蓄能电站后，可将低谷电加工成尖峰电，经济效益更好。二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能5）风电比例较高或风能资源比较丰富的省（自治区）。这些电网配备了抽水蓄能电站后，可把随机的、质量不高的电量转换为稳定的、高质量的峰荷。二、抽水蓄能电站在电力系统中的作用与功能

兴建抽水蓄能电站要考虑地形、地质、地理位置、水源、施工、水库淹没、环境影响等以上7个条件。（一）地形条件

抽水蓄能电站的地形条件直接关系到电站的建设规模、工程参数、经济指标及其在电力系统中所能发挥的作用，是决定抽水蓄能电站技术经济指标的重要因素。国内抽水蓄能电站选点规划实践表明，地形条件不同，抽水蓄能电站的技术经济指标相差很大。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件抽水蓄能电站的地形条件主要从以下几个方面考虑：（1）上、下水库之间的天然高差和水平距离；（2）上水库地形条件；（3）下水库地形条件；（4）厂房及输水系统地形条件；（5）抽水蓄能电站上、下水库组建形式三、兴建抽水蓄能电站的前提条件（1）上、下水库之间的天然高差和水平距离三、兴建抽水蓄能电站的前提条件从左图可以看出，抽水蓄能电站的最大水头、最小水头和平均水头分别为：2、上水库地形条件上水库主要几种形式如下：(1)利用高山盆地筑坝(包括主坝和副坝）形成水库(2)利用高位台地筑堤坝围建成水库(3)利用天然湖泊(4)利用已建人工水库三、兴建抽水蓄能电站的前提条件2、上水库地形条件上水库有利地形条件：(1)基本封闭的完整库盆，库周边坡平顺，库岸山体雄厚。(2)库区较开阔，具有能满足蓄能要求的水库容积。(3)坝址河谷较窄，沟底高程较高，比降较小，坝轴线距离下游陡峭底坡较远，两岸山坡平顺，坡度适中。(4)进(出)水口段山坡坡度适中，坡面平顺，前沿宽度较大，进洞条件较好，取水条件较佳。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件3、下水库地形条件下水库主要有以下几种形式：(1)峡谷中筑坝形成水库(2)利用河谷盆地筑坝形成水库(3)利用低洼湖田筑堤坝围建成水库(4)利用人工水库(5)利用天然湖泊(6)利用海洋下水库有利的地形要满足的条件与上水库基本相同。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件

4、厂房及输水系统地形条件地下厂房及输水系统等地下建筑的布置应满足以下条件：(1)地下厂房的位置应考虑高压管道、岔管以及出线洞、交通洞的布置要求，同时压力隧洞沿线洞顶高程应在水压力波线2m以下，不出现负压。(2)对于非钢衬地下压力输水道的埋藏深度有一定的要求。(3)调压室应满足顶部高于最高涌浪水位，底部低于最小涌浪水位的要求。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件

5、抽水蓄能电站上、下水库组建形式(1)上水库利用高山盆地筑坝形成，下水库利用深切沟谷筑坝形成(2)上水库利用已建水库进行加固改造，下水库在溪流上筑坝形成(3)上水库利用高山盆地筑坝形成，下水库利用已建水库(4)上水库利用沟谷源头筑坝形成，下水库利用天然湖泊(5)上水库利用天然湖泊，下水库利用大江大河(6)上水库利用已建水库进行加固改造，下水库也利用已建水库进行加固改造(7)上水库利用高山盆地筑坝形成，下水库利用低洼地区筑堤围建(8)上水库利用高山盆地筑坝形成，下水库为海洋三、兴建抽水蓄能电站的前提条件三、兴建抽水蓄能电站的前提条件（二）、地质条件1、区域构造抽水蓄能电站一般地下工程较多，建筑物抗震要求较严，要尽可能在区域稳定条件较好的地区选择抽水蓄能电站站址。区域性地质构造发育地区容易出现构造断裂通过坝址或库区，不仅造成严重的坝基稳定和渗漏问题，也会引起严重的水库向邻谷渗漏及库岸边坡稳定问题，而且为了搞清这些工程地质问题，需要花费相当多的时间和经费做大量的地质勘察工作。2、上、下水库库区及坝址地质条件（1）库盆防渗条件

（2）库岸稳定条件

（3）坝址地质条件（三）地理位置抽水蓄能电站位置选择时，一般要求位于供电地区负荷中心附近。（1）以尽可能利用电网已有输电线路的空闲输送容量，缩短受电线路和送电线路长度，以节省输变电工程投资，减少输电损失。（2）能有效发挥抽水蓄能电站的调频、调相及旋转备用等作用。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件（四）水源条件（1）必须有足够的水源满足水库初期蓄水和蒸发渗漏损失补给；（2）考虑蒸发量大于降雨量，对于这种情况一般在上水库或下水库预留部分库容（抵消蒸发和渗漏损失）。（五）施工条件施工条件包括站址交通条件(包括对外交通和施工场地交通)、施工支洞及堆渣场布置条件、施工场地布置条件(包括场地面积、高差、距离及施工干扰等条件)、建筑材料条件(包括料场位置、储量及开采加工条件)、施工用水、用电条件等。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件（六）水库淹没条件一般淹没损失很小，但个别具有调节功能的水库，特别是下水库如若涉及较大的村庄、军事设施或重要的工矿企业，就需认真对待，甚至需作专门论证。（七）环境影响条件（1）对环境不利的方面。了解水库选择站直的环境制约因素，尽量不在有重大环境影响问题的地区选择抽水蓄能站址。（2）对环境有利的一面。三、兴建抽水蓄能电站的前提条件1882年首座抽水蓄能电站诞生在瑞士，至今已有百余年历史。世界上最早的抽水蓄能电站建于1882年，是瑞士苏黎世的奈特拉电站，扬程153m，功率515kW，是一座季节型抽水蓄能电站。四、抽水蓄能发展简况抽水蓄能电站在上世纪五十年代后得到迅速发展。据统计，1960年至2000年全世界抽水蓄能电站总装机容量从350万千瓦发展到11328万千瓦，短短40年间增加了32倍，平均年增长9.1%，比常规水电的发展速度快得多。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的国家是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等。现阶段，日本、美国和西欧诸国的抽水蓄能电站装机容量占全世界总规模的80%以上。然而，随着可经济开发的常规水能资源逐渐减少、经济发展中心的转移等诸多因素，上世纪90年代以后，抽水蓄能电站的发展重点也由欧美向亚洲转移。我国1968年和1973年才分别在河北岗南和北京密云两座常规水电站上安装了1.1万千瓦和2.2万千瓦抽水蓄能机组。由于对抽水蓄能电站在电力系统中的作用和经济效益认识不够，我国抽水蓄能电站的发展较慢。从1968年建成岗南小型混合式抽水蓄能电站开始，至今仅40余年，与世界抽水蓄能电站发展的130年相比起步较晚。20世纪80年代中期以后，随着社会经济的发展和电网规模的扩大，电网峰谷差不断加大，电网调峰矛盾日益突出。特别是以火电为主的华北、华东电网，随着大容量火电机组的投入，电网供需矛盾逐步由缺电量转为缺调峰容量，且受地区资源的限制，可供开发的水电站很少，电网缺乏调峰手段，因此，建设抽水蓄能电站解决以火电为主电网的调峰问题逐步成为共识。为此，国家有关部门组织开展了较大范围的抽水蓄能电站资源普查和规划选点，制定了相应的发展规划，抽水蓄能电站的建设开始加快。可以说，现阶段正是我国发展抽水蓄能电站大好时机。我国抽水蓄能电站建设起步较晚，二十世纪六十年代末才开始现代抽水蓄能技术的研究工作，并建成了岗南混合式蓄能电站，八十年代开始我国第一座混流式大型蓄能电站（十三陵）的设计研究工作，九十年代先后建成了广蓄一期（1200MW）、十三陵（800MW）和天荒坪（1800MW）等我国第一批大中型抽水蓄能电站。根据相关统计资料，目前我国投产的抽水蓄能电站共25座，投产总容量17245MW，在建抽水蓄能电站10座，总容量10400MW。目前我国已建和在建抽水蓄能电站布局主要分布在华南、华中、华北、华东、东北等以火电为主的地区。我国已建、在建、待建以及正在进行可行性研究工作的抽水蓄能电站总容量约为55000MW

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至2008年底，我国大陆已建抽水蓄能电站装机容量合计1092.1万kW，在建抽水蓄能电站10座，总容量1270万kW，已建、在建合计2362.1万kW。区域已建装机（万kW）在建装机（万kW）已建、在建合计装机（万kW）华东电网486370856华北电网308.1240548.1南方电网240240480华中电网19300319东北电网30120150西藏电网909合计1092.112702362.1我国大陆抽水蓄能电站建设现状（截止2008年底）抽水蓄能电站建设现状截止2008年底，我国装机容量达7.92亿kW。我国电源结构现状由于资源分布的特点，我国常规水电大部分在中西部地区，东部地区运行灵活、调峰性能优良的水电比重很小；在我国电源结构中，燃煤火电比重偏高，比世界平均水平高40多个百分点。蓄能电站比重很低，不能满足电网运行需要。国外蓄能电站发展较快的国家主要有美国、日本、英国、法国等国家。日本是一个能源资源贫乏的国家，2006年常规水电装机2080万kW，占总装机的8.86%；核电装机4947万kW，占总装机的21.1%；蓄能电站装机2516万kW，占总装机的10.71%。日本电网调峰机组比重较高。日本认为，在以火电和核电为主的电力系统中，需要建设10%~15%的抽水蓄能电站。日本电源结构日本电网平均发电装机利用小时4143h，核电6134h，抽水蓄能390h，煤电达7261h，燃油、燃气机组3059h。说明日本的抽水蓄能电站运行小时较低，主要承担调峰和备用任务，燃油和燃气机组承担一定的调峰任务，核电和燃煤机组利用小时较高，主要以提供电量为主。美国能源资源比较丰富，电源结构呈现多样化。2006年美国公用事业总装机10.4366亿kW，其中核电1.0559亿kW，占10.12%；常规水电7711万kW，占7.39%；抽水蓄能2146万kW，占2.06%；燃油燃气机组4.86亿kW，占46.66%。美国抽水蓄能装机比重不大，但具有较好调峰能力的燃油和燃气机组比重较高。

美国电源结构美国核电利用小时7700h，水电3746h，抽水蓄能1200h，燃油燃气机组1695h，燃煤机组6330h。核电和燃煤机组利用小时很高，基本上基荷运行。由于美国燃油燃气机组比重大，利用小时较低，这些机组作为调峰电源在电网中承担了较大的调峰和备用任务，电网调峰能力较强，因而蓄能电站比重相对较低。法国核电装机1980年就达到1439万kW，1990年达到5575万kW，2006年全法核电装机6326万kW，占总装机的57.82%，核电装机世界第二。除核电外，2006年水电装机2054万kW，占18.77%；抽水蓄能430万kW，占3.93%；煤电1977万kW，占18.07%。

法国电源结构法国核电装机利用小时达7100h.，主要在基荷运行，向邻国大力输出基荷电量，抽水蓄能利用小时1200h，主要承担调峰任务，法国燃煤机组（包括油气机组）利用小时很低，基本上作为电网的备用容量。华东电网2008年燃煤火电装机高达76.25%，燃油和燃气机组占6.4%，常规水电和蓄能电站分别占9.82%和2.74%。我国华东电网电源结构华东电网2008年装机利用小时4500h，抽水蓄能电站1081h，燃气机组1698h，核电7489h，煤电5028h。日、美电源结构均呈多样化，燃煤机组比重不高，调峰能力较强的水电、蓄能电站和燃油燃气机组比重较高，电网总体调峰能力较强。我国电源结构的特点是以火电为主（全国火电76.01%，华东煤电76.25%），总体调峰能力不强。项目合计常规水电蓄能燃油燃气煤电核电其他华东电网1009.822.746.476.252.861.93日本1008.8610.7144.2214.9321.070.21美国1007.392.0646.6631.8310.121.95法国10018.773.93018.0757.821.4华东电网与日、美、法电源结构比较表注：华东电网为2008年数，日、美、法为2006年数。与日、美、法电源结构比较从利用小时分析，华东电网2008年装机利用小时4500h，抽水蓄能电站1081h，与日本相近；燃气机组1698h，核电7489h，煤电5028h，煤电利用小时较日、美均低，说明我国煤电承担调峰任务较重。项目全网平均常规水电蓄能燃油燃气煤电核电其他华东电网4520249410811698502874893956日本41433807390305972616134--美国3965374612031695633077303869法国505526761228--202671171712华东电网与日、美、法利用小时比较表注：单位，h2006年日本和美国调峰电源比重为74.5%、58.17%，调峰电源比重较大，调峰能力较强；法国调峰电源比重也达26.63%。与国外相比，我国以火电为主电网调峰能力不足。由于这些地区常规水电资源已基本得到开发，我国又不具备大规模发展燃油和燃气电站的条件，因此建设调峰能力较强的抽水蓄能电站是解决我国华东、广东、华北、东北等电网调峰问题的重要手段。从华东电网电源结构看，2008年调峰电源比重仅占21.6%，华北、南方电网的广东和东北电网情况也基本如此。目前，我国可持续发展的战略已经确立：要在各种资源的可持续开发利用和良好的生态环境的基础上,不仅要保持经济的高速增长,还要谋求社会的稳定与发展。水电除了要满足自身的可持续性外,还要满足环境、经济和社会的可持续发展。随着我国经济发展，社会对电力的需要日益增长，电网中各种能源包括煤电、油电、核电、地热发电，以及天然气发电等增加很快。而常规水电因受水能资源的限制，往往不能成比例增长,在电网中所占比例减少。这就造成电力系统中可调峰电源短缺，而低谷时又造成电流周波加大，影响送电质量。抽水蓄能电站利用电力系统后半夜低谷剩余电能抽水蓄能转换在尖峰时发电，存在很大的发展空间。一般认为，抽水蓄能电站的工程量比常规水电站少得多，但可逆机组目前国内还无成熟制造经验，需要从国外引进,其价格较高。即便如此，抽水蓄能电站单位容量投资一般仍比常规水电为低，同时施工期限亦短。目前,全国水利水电和电力建设形势对抽水蓄能的发展非常有利,主要表现在以下几方面:1)各地区和各流域,常规水电发展很不平衡,部分地区水能资源储量贫乏或已开发殆尽,不得不发展抽水蓄能以补水电所占电网中比重不足,如华北、东北、及东南沿海地区。2)有些地区水电比重虽不低,但多径流水电。如四川、湖南、江西、湖北亦需建抽水蓄能电站。3)我国煤炭资源不均衡，运煤困难，发展坑口电站，相应带来北电南送。目前我国西部大开发在即，而水电西南西北多，又将实现西电东送。随着三峡大坝的建成,我国东西南北输电网已经形成。这些输送电对平衡全国各地区电力有好处，但这也增大了系统发生事故的风险和强度，增建一些配套的抽水蓄能电站势在必行。4)我国风电、核电已在浙江、广东投入运行并将在江苏、山东兴起,也需相应配套增建抽水蓄能电站。总之，抽水蓄能电站是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。在抽水——发电运作过程中，虽然部分能量会在转化间流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷压负荷、停机这种情况来的便宜，效益更佳。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。所以，抽水蓄能电站是电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱，发展抽水蓄能电站是非常必要的。为了更好地满足电网经济运行和电源结构调整的要求，甚至一些以水电为主的电网也开始研究兴建一定规模的抽水蓄能电站。目前,我国抽水蓄能电站的建设和规划设计工作正在全国范围内蓬勃展开。从我国已建和在建的抽水蓄能电站看，它们各具特色，有高、中、低水头的，有大型也有小型的，为我国抽水蓄能电站建设走出了第一步，并取得了宝贵的经验。基于上述原因，预计抽水蓄能电站建设将在华北、东北、东南沿海地区以及华中、中南等地迅速展开。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。目前我国风能资源开发容量约为60000MW，上网容量约为三分之二,风电装机容量主要集中在河北北部、内蒙古、西北地区及东北地区。序号省份“十二五”末2020年2030年累计容量累计容量累计容量1河北1100016000200002蒙东700020000300003蒙西1300038000520004吉林600015000200005甘肃1300020000400006新疆1000020000300007江苏600010000150008山东80001500020000以上八大基地小计74000154000227000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。根据规划到2020年我国风电装机容量要达到2.0亿kW，这些容量主要集中在华北、西北、东北地区。这些地区因用电负荷较小，只能消纳很少部分，大部分需要外送至华中、华东等经济比较发达、对能源需求规模较大的地区进行消纳。但不论把风电送到哪里，鉴于风电运行的特点，必须要采取一定手段，才能够很好的消纳风电。如不采取措施，消纳2.0亿kW的风电是非常困难的。如蒙西电网2010年投入的风电容量仅为3600MW，但在冬季供暖期间，特别是在夜间，几乎全部停机弃风，以保证电网运行的安全。在蒙东地区大约只有三分之一的风电容量能够上网。主要原因也是电网难以消纳。目前在风电资源比较丰富的地区，不能很好的消纳风电的另外一个原因，就是电网缺乏有效的调节手段。在目前消纳风电比较有效的手段，就是配套建设一定规模的抽水蓄能电站。根据目前的研究成果，在2020年规划建设2.0亿kW风电容量，考虑电网本身的需要，需要配套建设约1.0亿kW的蓄能电站，才能够很好的将规划建设的风电容量消纳。根据对风电的特性进行研究，在电网负荷低谷时段，弃风率达到60%，而在其他时段弃风不要超过30%，这样风电95%的电量可以得到有效利用。因此单从配合风电考虑，约需要配套风电容量的30～40%的蓄能电站容量，可以使建设的风电容量能够在电网内消纳。蓄能电站配合核电运行根据规划，到2020年规划建设核电容量约70000MW。核电的运行较风电要求更高，不能够出现任何差错，在电网中只能在基荷运行。为保证核电安全、稳定运行也需要配套一定规模的蓄能电站。我国蓄能电站建设还处于起步阶段，建设中还有很多问题需要逐步解决，如上网电价的问题，这是目前制约我国蓄能电站发展的主要问题之一。我国对蓄能电站的需求规模是比较大的，按照2020年1.0亿kW的需求规模，分析，在现状的基础上，还要增加约800