抽水蓄能机组调相工况简介

抽水蓄能机组调相工况简介
摘要：由于抽水蓄能机组在我国发展较晚，还有很多人，包括一些常规机组的建设者和运行人员都对抽水蓄能机组不太了解，本文简要的介绍抽水蓄能机组的特有工况：调相，以让更多的人增加对抽水蓄能机组了解。

关键词：抽水蓄能调相简介
1、抽水蓄能机组发展简介
在国外从最早的原始装置算起，抽水蓄能电站已有上百年的历史，但是具有近代工程意义的设施，则是近四五十年才出现的。

抽水蓄能建设早期是以蓄水为目的，在西欧的一些多山的国家里，利用工业多余电能把汛期的河水抽到山上的水库贮存起来，到枯水季节再放下来发电。

这相当于是季调节的抽水蓄能工程。

从刚开始蓄能电站使用的单独工作的抽水机组和发电机组，到将水泵与水轮机和一台兼作电动机与发电机的电机连接在一起的而形成的三机式机组，1937年在巴西安装的佩德拉机组和1954年在美国安装的弗拉特昂机组则是可逆式机组的先声。

从20世纪60年代起，可逆式机组就成为了主要的机型，开始得到广泛应用。

当时间进入到21世纪，无论是技术还是运营模式，抽水蓄能机组都得到的相当的发展。

2、抽水蓄能机组简介
抽水蓄能机组由可逆式水泵式轮机和发电电动机，配以常规的辅助设备，如调速器、球阀、尾水事故闸门、上库检修闸门、下库检修闸门、励磁系统等。

另外，抽水蓄能机组还有其特有的、区别于常规机组的设备：（参见图1）
换相开关或换相闸刀：由于水泵水轮机二种运行工况的水流方向相反，所以发电电动机二种运行工况旋转方向必须相反。

为此应使电动机运行时其旋转磁场的旋转方向与发电机运行时的旋转磁场方面相反，这就需改变三相绕组相序排列，所以发电电动机需加装相应的换相开关或换相闸刀SFC：变频启动装置，用于机组抽水调相工况启动，相当于抽水调相启动过程中的调速器；
拖动闸刀和被拖动闸刀、启动母线：为了满足抽水调相启动而专设的电气连接；
调相压水气系统：在机组抽水调相启动过程中和机组调相运行过程中，利用高压气将转轮室的水圧下去，使转轮在空气在旋转，即可以减少有功消耗，又可以减小机组的振动、噪音，减少对机组的损伤；
监控系统：为了适应抽水蓄能机组的各种工况，监控增设了抽水、抽水调相、发电调相等工况及相互转换程序。

目前抽水蓄能电站中广泛使用的混流可逆式水泵水轮机是以一个离心泵或混流泵的叶轮为基础，配以近似水轮机的活动导叶和固定导叶而形成的。

为了同时满足水泵和水轮机两种工况的良好性能，它和常规水轮机有以下不同：1、转轮较矮；2、直径大；3叶片数目少，如华东天荒坪300MW 机组和华东宜兴250MW机组的转轮都只有9 个叶片；4、由离心泵转化而来，流道长，离心力大，流量下降快；5、水泵工况效率高。

3、抽水蓄能机组的工况简介
由于抽水蓄能机组同时具有抽水和发电两种功能，所以也就具有较常规水轮机组更多的工况: 机组顺序控制中出现的各种状态可分为稳态、特殊状态、特定的暂态、暂态四种。

稳态可由操作员或成组控制逻辑进行选择，并可不受时间限制运行下去，它包括停机(ST)、发电(GO)、发电调
图1 典型的抽水蓄能电站电气接线简图
相(SCT)、抽水调相(SCP)、水泵(PO)五种；特殊状态也可由操作员或成组控制逻辑选择，可以维持顺序所需的一段时间，包括水泵拖动(PL)和线路充电(LC)；特定的暂态和暂态有停机转换(STST)、热备用(HSB)、溅水泵状态，均不能作为操作员选择目标，而是工况转换的过渡状态。

其中发电方向运行的工况有：发电、发电调相、线路充电、水泵拖动；
抽水方向运行的工况有：抽水、抽水调相。

其工况转换程序如图2所示。

线路充电多用于试验，它能很好的控制发电电动机的出口电压、电流，更好的满足实验要求。

黑启动（BS ）则是用于电网系统发电大的事故，整个电网停电，则具有黑启动能力的电站，利用柴油发电机和蓄电池为抽水蓄能机组创造启动条件，启动机组恢复本电站厂用电，并带动相邻无自启动能力的发电机组，逐渐扩大电网的恢复范围，最终实现整个电网的恢复。

在2005年9月，孤立运行的海南电网遭遇台风“达维”，电力设施相继遭到严重破坏，最终引发电厂连续跳机，电网解列。

事故后，南丰水电站中、大广坝电厂、洋浦电厂等电厂相继“黑启动”成功，为电网恢复打下了坚实的基础，这也是我国首次电网黑启动。

一般来说，抽水蓄能电站都配置有直流蓄电池组和柴油发电机等辅助设备，具有黑启动能力，但日调节纯抽水蓄能电站的上库水量一般都很有限，所以抽水蓄能机组的黑启动在电网事故时一般只作为一个火花石，恢复相邻大的水电或火电机组运行后即可以退出运行。

尤其是在以火电为主的江苏电网来说，江苏宜兴抽水蓄能电站的建设，则是为江苏电网提供了这种火花石，使得江苏电网内的火电站运行方式更为灵活。

目前在国内一些抽水蓄能电站，还设有抽水转发电流程转换，唯一的理由是为了更好的响应事故处理速度。

但考虑到从抽水到发电，两个转向，若在短时间内转换，则水轮机轴将会承受很大的扭矩，可能导致水轮机轴的损伤，减少其运行寿命；另外蓄能机组抽水停机和发电开机要比火电站快得多，一般在3、5分钟内即能成功，在事故时，机组完全可以手动先从抽水到停机（若机组正在抽水），然后再启动到发电。

所以设置这种转换似乎已经变得不必要了。

4、调相工况简介
图2：机组顺序控制状态转换流程简图
表示稳态、特殊状态
表示特定的暂态、暂态
调相可以满足系统无功需求，稳定及调节电压，改善电网品质；可以快速负荷响应，以满足系统负荷要求；抽水启动时，为了减小有功消耗，减小机组振动，一般都先将机组启动到抽水调相工况，然后再由抽水调相转换到抽水工况。

虽然常规水轮机也可以进行调相，但由于其受泾流量限制，一般都是以丰水期作发电运行，枯水期机组轮流检修，加上国内现有的电价制度，所以出于经济性考虑，常规水电站一般都不做调相运行。

另外，抽水蓄能机组调相也具有其优势：一般来说，日调节的纯抽水蓄能电站上、下库的水量有很，只能用于一般的调峰填谷和紧急事故备用，而其本来就配备有变频启动装置，可以很方便的将机组启动到抽水调相工况，并且不会消耗本来就有很的水资源，所以，抽水蓄能机组较常规机组更适合调相运行。

4.1 发电调相的启动方式
发电调相的启动相对来说比较简单，按照发电的流程，先将机组启动，并上电网，然后将机组有功设置为0，球阀、调速器、励磁都进入调相模式运行，执行关导叶，关球阀，调相压水气系统往转轮室注入高压气体，把转轮室水位压低到并保持在调相水位，同时给转轮上下迷宫和主轴密封注入冷却水，以防止干磨擦，损坏密封，等到了预设的稳态后即是发电调相工况了。

4.2 发电转发电调相
发电转发电调相和发电调相启动的区别在于：发电调相启动是从发电启动到并网，但还没有到发电稳态就开始转发电调相，而发电转发电调相是从发电稳稳转发电调相。

4.3 抽水调相的启动方式
目前广泛应用的抽水调相启动方式以SFC变频启动为主，辅以背靠背启动。

SFC变频启动：利用SFC变频启动装置，将主变低压侧电源转变为从零到额定值的变频电源，同步地将机组拖动起来。

背靠背启动：让两台机组通过电气联系在一起，其中一台作发电机启动，称拖动机；另一台作抽水调相启动，称被拖动机。

两台机组都加上励磁，同时启动，即利用拖动机将被拖动机组同步地拖动起来。

等被拖动机并网后，拖动机要立刻断开与被拖动机的电气联系，然后可以转为发电、发电调相运行，或者转为停机。

为了减小启动时的阻力，一般在转速升高到10%－20%，监控发令给调相压水气系统，开始往转轮室注入高压气，在第一次将转轮室水位压到调相水位后，调相压水气系统通过其控制系统和水位信号反馈，自动调节补气和停止补气，在整个调相过程中维持转轮室水位在调相水位。

4.4 抽水调相转抽水
抽水转抽水调相是从抽水稳态开始，调速器、球阀、励磁进入调相模式，关闭球阀、导叶，调相压水投入运行，转轮上下迷宫和主轴密封冷却水投入，等到了稳态即可。

4.5 结束调相运行
在发电调相转发电，抽水调相转抽水的时候，都要先排尽转轮室的空气，蜗壳建压，再打开导叶、球阀，待机组的出力或入力达到额定，就达到相应的发电或抽水工况了。

发电调相停机和抽水调相停机都是先将机组从电网解列，然后走相应的停机流程，调相压水气系统先将进气阀关上，再将排气阀打开，经过一段时间（这段时间应充分考虑转轮室内的气体已排完），在到达停机转换前关上即可。

4.6 溅水泵
在抽水调相转抽水过程中，由于在排气时，转轮室的水位缓慢上升，加上转轮的高速旋转，因此压力变化比较严重，所以不能利用压力计或水位计来测量水位。

同时因为水位上升，增加了转轮转动的阻力，为了维持机组的额定转速，机组从电网吸收的有功也就随之增加，因此可以在机组安装调试时就通过实验测定当转轮室的空气排尽时，机组吸收的有功有多少，于是就将这个有功称为
溅水功率，将其作为转轮室空气已排尽的判断条件，为流程的执行提供依据。

对应的在流程中专门设置了一个暂态：溅水泵，它的几个判据是：
①球阀全关；
②调速器调相模式；
③励磁调相模式；
④溅水功率满足；
⑤发电机出口开关合上
⑥换相开关或闸刀合上抽水方向；
在抽水转抽水调相时也要经过溅水泵这个暂态，在发电转发电调相时用到溅水功率作为转轮室内气体已排尽的判据。

5、结束语
抽水蓄能电站在国外发展已相当成熟，在我国也有了一定的发展，但还有很多人对之不甚了解，本方作者希望通过自己微薄的能力，将抽水蓄能电站区别于常规电站的地方作一简单介绍，希望有更多的人对抽水蓄能电站增加了解。

参考文献
梅祖彦. 抽水蓄能发电技术. 机械工业出版社2000。