大型蓄能泵机组与可逆机组差异性分析

谢永兰，张军智

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中国多数河流实施了梯级滚动开发。为适应梯级水电站附近的大规模风电、光电等新能源并网及外送需要，充分利用弃风、弃光电量，采用大流量、高扬程大型储能泵站，从下一梯级水库抽水至上一梯级水库，形成梯级大型储能泵站，实现新能源电量时移，是解决电力系统安全、稳定问题的有效途径。

目前，国内制造的已投运的单向、高扬程、单机容量最大的水泵，是云南牛栏江干河泵站水泵，单泵电机功率22.5 MW，对应流量为7.67 m3/s，由于容量较小，无法完全满足目前梯级水电站储能的市场需求[1]。抽蓄电站可逆机组的水力设计是综合考虑抽水和发电，结合抽水蓄能机组水力开发进行大流量、高扬程、大容量水泵的研发，虽然理论上可行，但是完全照搬可逆机组的有关理论进行设计，储能泵站与抽蓄电站的经济性相差不大。因此，本文针对蓄能泵机组与可逆机组的差异性进行探讨，对储能泵站的经济性进一步论证。

1 蓄能泵与水泵水轮机的差异性

一般而言，可逆机组在电力系统中均承担调峰、调频、填谷、调相、事故备用(包括黑启动)任务，而纯水泵机组具有抽水和抽水调相功能，发电功能实现需用共用水库的常规发电机组来完成。因此，纯水泵机组的任务较单一，在水力设计、结构设计、部件材料选取、工况转换、启动方式、辅助设备选择以及制造成本等方面均比可逆机组要求低[2]。本节将从以下方面探讨两者之间的差异。

1.1 水力设计方面

水泵水轮机的水力设计时，需要兼顾发电工况和抽水工况的需要，一般是以抽水工况为主、发电工况校核；而水泵机组仅考虑抽水工况，故水泵机组在水力设计方面难度相对较小。 另外，由于不用考虑水轮机工况相继甩负荷对尾水管真空度的要求，蓄能泵的淹没深度较可逆机组小。

1.2 工况转换

蓄能泵的工况转换，较可逆机组简单，其稳定工况只有静止、满载抽水、抽水调相(如有)3个稳态，其控制系统较可逆机组简单。

1.3 启动方式选择

目前，国内尚无单机100 MW级的大泵投运实例，水泵启动方式选择主要借鉴大型抽蓄电站可逆机组水泵工况的启动，国内可逆机组水泵工况的启动一般均采用变频起动为主、背靠背为备用的方式。国外有些抽蓄电站利用附近已投运电站的水轮机作原动机起动水泵，如南斯拉夫的巴其那·巴斯塔电站，装有2台蓄能机组，距厂房不远处有4台100 MVA常规水轮发电机组的电站，故利用常规电站的2台机组作为蓄能机组的起动机组，起动母线和换相隔离开关均设在高压侧[3]。

变频起动是利用可控硅变频器改变电源频率，在电动机端增加1个频率在零到额定频率范围内可调的电压，使电动机加速至同频率并入电网。目前大型抽水蓄能电站机组和大型水利工程相关水泵均采用此种方式。变频起动的优点是设备静止、维修方便，多台机组可共用1套变频装置，主机正常运行时，起动装置无附加损耗。缺点是投资较高，占地面积较大。变频起动方式适用于单机容量大、机组台数多的电站或泵站。

背靠背起动是利用1台发电机，通过电气连接拖动另1台水泵电机升速，直到同步并入电网。对于大型储能泵站而言，利用常规电站的水库做上库和下库，泵站站址尽可能选择靠近常规电站站址位置，可采用背靠背起动，即利用已投运电站的水轮机作为原动机起动水泵。当已建电站水轮机容量大于水泵容量时，可采用背靠背拖动、水泵带水起动。背靠背起动的优点是不需电网供给电源就可起动机组，对系统无扰动，起动迅速。缺点是操作较复杂，紧急停机下，背靠背起动/被起动机组灭磁开关跳闸不同步，较变频起动电流大，对定子绕组、起动母线等存在不利影响。背靠背起动方式仅在国内抽水蓄能电站中作为备用，目前国内尚无利用附近常规发电机组实现背靠背起动的先例[4]。对于大型蓄能泵背靠背起动是主用，且起动非常频繁，能否实现频繁的背靠背起动，还需开展起动电气接线的相关研究。对于大型蓄能泵而言，采用变频起动和附近常规机组背靠背启动理论上均可行，具体采用哪种方式，应根据泵站情况进行技术、经济比选后确定。

1.4 结构方面

由于蓄能泵仅考虑抽水工况，不考虑水轮机工况的运行，因此，不考虑适应水轮机方向的来流，泵轮叶片出水边形状无需太扭曲，且可适当增加叶片低压侧厚度，改善水泵的空化性能[5]。另外，可适当降低叶片高压侧高度，改善水泵小流量驼峰特性，降低机组成本。活动导叶和固定导叶设计可不考虑水轮机工况时来流，可适当减小导叶高压侧厚度。

如果不考虑水泵启动需求，蓄能泵可不设置导水机构，且目前国内已投运的大型水泵机组均未设置活动导叶，水泵的顶盖结构较水泵水轮机的要简单，尺寸也小。如果大泵设置了活动导叶，可调节水泵流量，提高水泵整体运行性能，如驼峰区裕度增加，在协联工况水泵能量特性可得到一定程度提升。对于不设置活动导叶的蓄能泵，可借鉴常规电站筒形阀的应用，在固定导叶和泵轮之间设置筒形阀，取消水泵出水阀门，可降低部分机电设备投资和阀室部分的土建投资。值得注意的是，水泵机组配套筒形阀的设计边界条件与常规机组配套筒形阀相比有较大变化，筒形阀动水启闭的动态特性以及筒阀关闭时间对水泵过渡过程的影响还需深入研究。

1.5 部件材料方面

由于蓄能泵不考虑水轮机过渡过程工况，升压水头较可逆机组升压水头略低。表1为某水轮机制造厂商提供的扬程100 m水泵和水泵水轮机部件材料清单。从表1中看出：扬程100 m的水泵和水泵水轮机主要部件材料差别不大，但升压水头不同，水泵水轮机使用钢板厚度较水泵略厚，最终使用材料的差异，还需根据升压水头的差异来确定。

表1 水泵和水泵水轮机主要部件材料清单

1.6 辅助设备选择

对于设置了活动导叶的蓄能泵组，如果采用变频压水起动，其辅助系统设备与水泵水轮机基本无差别。但采用背靠背带水起动时，可不设置压缩空气压水系统。

2 电动机与发电电动机的差异性

对同等容量的与水泵相配的电动机及与水泵水轮机相配的发电电动机进行比较，其基本设计参数一致，成本没有差异。但与水泵配套的电动机仅需按电动工况进行设计，在转子温升等同的前提下，单纯的电动机转子绕组用铜量会略有减少。

3 结 语

经过对可逆机组和蓄能泵机组对比分析，蓄能泵机组在设计制造难度、启动运行、工况转换等方面均比可逆机组要求低，大泵电机可结合附近常规发电机组进行背靠背起动，不设导水机构，可节省10%～15%的机电设备投资。另外，蓄能泵淹没深度较可逆机组低，可节省部分土建投资。

利用可逆机组理论进行蓄能泵研发，不仅可满足梯级电站储能需求，而且可为我国大型跨流域大流量、高杨程提水及供水业务带来广阔市场前景，对国民经济发展具有重要意义。