大型蓄能泵機組與可逆機組差異性分析

謝永蘭，張軍智

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中國多數河流實施了梯級滾動開發。為適應梯級水電站附近的大規模風電、光電等新能源并網及外送需要，充分利用棄風、棄光電量，采用大流量、高揚程大型儲能泵站，從下一梯級水庫抽水至上一梯級水庫，形成梯級大型儲能泵站，實現新能源電量時移，是解決電力系統安全、穩定問題的有效途徑。

目前，國內制造的已投運的單向、高揚程、單機容量最大的水泵，是云南牛欄江干河泵站水泵，單泵電機功率22.5 MW，對應流量為7.67 m3/s，由于容量較小，無法完全滿足目前梯級水電站儲能的市場需求[1]。抽蓄電站可逆機組的水力設計是綜合考慮抽水和發電，結合抽水蓄能機組水力開發進行大流量、高揚程、大容量水泵的研發，雖然理論上可行，但是完全照搬可逆機組的有關理論進行設計，儲能泵站與抽蓄電站的經濟性相差不大。因此，本文針對蓄能泵機組與可逆機組的差異性進行探討，對儲能泵站的經濟性進一步論證。

1 蓄能泵與水泵水輪機的差異性

一般而言，可逆機組在電力系統中均承擔調峰、調頻、填谷、調相、事故備用(包括黑啟動)任務，而純水泵機組具有抽水和抽水調相功能，發電功能實現需用共用水庫的常規發電機組來完成。因此，純水泵機組的任務較單一，在水力設計、結構設計、部件材料選取、工況轉換、啟動方式、輔助設備選擇以及制造成本等方面均比可逆機組要求低[2]。本節將從以下方面探討兩者之間的差異。

1.1 水力設計方面

水泵水輪機的水力設計時，需要兼顧發電工況和抽水工況的需要，一般是以抽水工況為主、發電工況校核；而水泵機組僅考慮抽水工況，故水泵機組在水力設計方面難度相對較小。 另外，由于不用考慮水輪機工況相繼甩負荷對尾水管真空度的要求，蓄能泵的淹沒深度較可逆機組小。

1.2 工況轉換

蓄能泵的工況轉換，較可逆機組簡單，其穩定工況只有靜止、滿載抽水、抽水調相(如有)3個穩態，其控制系統較可逆機組簡單。

1.3 啟動方式選擇

目前，國內尚無單機100 MW級的大泵投運實例，水泵啟動方式選擇主要借鑒大型抽蓄電站可逆機組水泵工況的啟動，國內可逆機組水泵工況的啟動一般均采用變頻起動為主、背靠背為備用的方式。國外有些抽蓄電站利用附近已投運電站的水輪機作原動機起動水泵，如南斯拉夫的巴其那·巴斯塔電站，裝有2臺蓄能機組，距廠房不遠處有4臺100 MVA常規水輪發電機組的電站，故利用常規電站的2臺機組作為蓄能機組的起動機組，起動母線和換相隔離開關均設在高壓側[3]。

變頻起動是利用可控硅變頻器改變電源頻率，在電動機端增加1個頻率在零到額定頻率范圍內可調的電壓，使電動機加速至同頻率并入電網。目前大型抽水蓄能電站機組和大型水利工程相關水泵均采用此種方式。變頻起動的優點是設備靜止、維修方便，多臺機組可共用1套變頻裝置，主機正常運行時，起動裝置無附加損耗。缺點是投資較高，占地面積較大。變頻起動方式適用于單機容量大、機組臺數多的電站或泵站。

背靠背起動是利用1臺發電機，通過電氣連接拖動另1臺水泵電機升速，直到同步并入電網。對于大型儲能泵站而言，利用常規電站的水庫做上庫和下庫，泵站站址盡可能選擇靠近常規電站站址位置，可采用背靠背起動，即利用已投運電站的水輪機作為原動機起動水泵。當已建電站水輪機容量大于水泵容量時，可采用背靠背拖動、水泵帶水起動。背靠背起動的優點是不需電網供給電源就可起動機組，對系統無擾動，起動迅速。缺點是操作較復雜，緊急停機下，背靠背起動/被起動機組滅磁開關跳閘不同步，較變頻起動電流大，對定子繞組、起動母線等存在不利影響。背靠背起動方式僅在國內抽水蓄能電站中作為備用，目前國內尚無利用附近常規發電機組實現背靠背起動的先例[4]。對于大型蓄能泵背靠背起動是主用，且起動非常頻繁，能否實現頻繁的背靠背起動，還需開展起動電氣接線的相關研究。對于大型蓄能泵而言，采用變頻起動和附近常規機組背靠背啟動理論上均可行，具體采用哪種方式，應根據泵站情況進行技術、經濟比選后確定。

1.4 結構方面

由于蓄能泵僅考慮抽水工況，不考慮水輪機工況的運行，因此，不考慮適應水輪機方向的來流，泵輪葉片出水邊形狀無需太扭曲，且可適當增加葉片低壓側厚度，改善水泵的空化性能[5]。另外，可適當降低葉片高壓側高度，改善水泵小流量駝峰特性，降低機組成本。活動導葉和固定導葉設計可不考慮水輪機工況時來流，可適當減小導葉高壓側厚度。

如果不考慮水泵啟動需求，蓄能泵可不設置導水機構，且目前國內已投運的大型水泵機組均未設置活動導葉，水泵的頂蓋結構較水泵水輪機的要簡單，尺寸也小。如果大泵設置了活動導葉，可調節水泵流量，提高水泵整體運行性能，如駝峰區裕度增加，在協聯工況水泵能量特性可得到一定程度提升。對于不設置活動導葉的蓄能泵，可借鑒常規電站筒形閥的應用，在固定導葉和泵輪之間設置筒形閥，取消水泵出水閥門，可降低部分機電設備投資和閥室部分的土建投資。值得注意的是，水泵機組配套筒形閥的設計邊界條件與常規機組配套筒形閥相比有較大變化，筒形閥動水啟閉的動態特性以及筒閥關閉時間對水泵過渡過程的影響還需深入研究。

1.5 部件材料方面

由于蓄能泵不考慮水輪機過渡過程工況，升壓水頭較可逆機組升壓水頭略低。表1為某水輪機制造廠商提供的揚程100 m水泵和水泵水輪機部件材料清單。從表1中看出：揚程100 m的水泵和水泵水輪機主要部件材料差別不大，但升壓水頭不同，水泵水輪機使用鋼板厚度較水泵略厚，最終使用材料的差異，還需根據升壓水頭的差異來確定。

表1 水泵和水泵水輪機主要部件材料清單

1.6 輔助設備選擇

對于設置了活動導葉的蓄能泵組，如果采用變頻壓水起動，其輔助系統設備與水泵水輪機基本無差別。但采用背靠背帶水起動時，可不設置壓縮空氣壓水系統。

2 電動機與發電電動機的差異性

對同等容量的與水泵相配的電動機及與水泵水輪機相配的發電電動機進行比較，其基本設計參數一致，成本沒有差異。但與水泵配套的電動機僅需按電動工況進行設計，在轉子溫升等同的前提下，單純的電動機轉子繞組用銅量會略有減少。

3 結 語

經過對可逆機組和蓄能泵機組對比分析，蓄能泵機組在設計制造難度、啟動運行、工況轉換等方面均比可逆機組要求低，大泵電機可結合附近常規發電機組進行背靠背起動，不設導水機構，可節省10%～15%的機電設備投資。另外，蓄能泵淹沒深度較可逆機組低，可節省部分土建投資。

利用可逆機組理論進行蓄能泵研發，不僅可滿足梯級電站儲能需求，而且可為我國大型跨流域大流量、高楊程提水及供水業務帶來廣闊市場前景，對國民經濟發展具有重要意義。