抽水蓄能機(jī)組利用電力負(fù)荷低谷電能抽水至上水庫(kù)，儲(chǔ)蓄位能，在電力負(fù)荷高峰輸水發(fā)電至下水庫(kù)。迄今為止，抽水蓄能機(jī)組是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期長(zhǎng)、容量大、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能裝置，是能源生產(chǎn)的重要組成部分。通過(guò)配套建設(shè)抽水蓄能電站，可提高系統(tǒng)中火電站和核電站運(yùn)行效率、延長(zhǎng)機(jī)組壽命、降低維護(hù)費(fèi)用；能有效減少風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性；能發(fā)揮調(diào)頻調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動(dòng)多重功能，可提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和電網(wǎng)靈活性及可靠性，在特高壓、智能電網(wǎng)的發(fā)展中起著無(wú)可替代的作用。
抽水蓄能電站的出現(xiàn)已有100多年的歷史。西方國(guó)家抽水蓄能起步早，規(guī)模大，裝機(jī)占比在5%～10%，其中日本早在2006年就超過(guò)10%。截至2016年，全球抽水蓄能電站總裝機(jī)容量約1.4億kW，日本、美國(guó)和歐洲諸國(guó)的抽水蓄能電站裝機(jī)容量占全球的80%以上。我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量2303萬(wàn)kW，占全國(guó)電力總裝機(jī)容量的1.5%，其比重明顯偏低。為此，我國(guó)制定“十三五”期間抽水蓄能發(fā)展目標(biāo)是：全國(guó)新開(kāi)工抽水蓄能電站6000萬(wàn)kW，2020年抽水蓄能總裝機(jī)容量達(dá)到4000萬(wàn)kW，2025年達(dá)到9000萬(wàn)kW，以適應(yīng)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)及保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重大需求。由此可見(jiàn)，今后我國(guó)建設(shè)抽水蓄能電站的任務(wù)相當(dāng)繁重，發(fā)展?jié)摿薮蟆?
盡管我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)起步晚，但后發(fā)效應(yīng)明顯，起點(diǎn)較高，其中若干座大型抽水蓄能電站已處于世界先進(jìn)水平。例如，廣州、惠州抽水蓄能電站總裝機(jī)容量2400MW，為世界上最大的抽水蓄能電站；天荒坪等一批抽水蓄能電站單機(jī)容量300MW，額定水頭在500m左右，已達(dá)到單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)世界先進(jìn)水平；西龍池抽水蓄能電站單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)組最大揚(yáng)程704m，僅次于日本葛野川和神流川抽水蓄能電站機(jī)組。目前正在設(shè)計(jì)的績(jī)溪、敦煌、陽(yáng)江抽水蓄能電站，額定水頭均超過(guò)700m，單機(jī)容量分別為350MW和400MW，標(biāo)志著我國(guó)抽水蓄能建設(shè)更新發(fā)展和抽水蓄能技術(shù)全面提升。
抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)發(fā)揮的作用越巨大，必然使得機(jī)組啟停、工況轉(zhuǎn)換越頻繁，過(guò)渡過(guò)程引發(fā)的安全隱患越多。據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)，抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡工況平均每小時(shí)0.22～0.25次；如此繁復(fù)的過(guò)渡過(guò)程，使得抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)、機(jī)組、電氣處在急劇變化之中，如果設(shè)計(jì)缺陷或者控制不當(dāng)，均有可能引起嚴(yán)重的事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生的抽水蓄能電站的事故均與過(guò)渡過(guò)程有關(guān)。這不僅危及電站和機(jī)組自身安全，甚至影響電力系統(tǒng)安全。因此，抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程成為設(shè)計(jì)與運(yùn)行中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該問(wèn)題主要體現(xiàn)在如下五個(gè)方面。
�。�1）抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)保證不同于常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組，受水泵水輪機(jī)全特性的影響，尤其是反S區(qū)特性的影響較大，而常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)保證，主要取決于輸水管道系統(tǒng)的水流慣量和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此，設(shè)計(jì)階段套用水頭、單機(jī)容量、比轉(zhuǎn)速接近水泵水輪機(jī)全特性曲線，與機(jī)組招標(biāo)后真機(jī)全特性曲線可能存在一定的差異，若兩者反S區(qū)域差異明顯，其調(diào)節(jié)保證極值將有較大差別，就有可能給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，也有可能造成工程投資的浪費(fèi)。
�。�2）抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)也不同于常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組。受水泵水輪機(jī)全特性的影響，尤其是反S區(qū)特性的影響，低水頭下抽水蓄能機(jī)組空載穩(wěn)定性一直困擾設(shè)計(jì)與運(yùn)行，并且為了滿足水輪機(jī)工況區(qū)運(yùn)行穩(wěn)定性及良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，也需要?jiǎng)澐秩舾蓚�(gè)區(qū)間整定調(diào)速器參數(shù)，但劃分的標(biāo)準(zhǔn)缺乏理論依據(jù)。
�。�3）由于水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪徑向流道較長(zhǎng)，反S區(qū)域不僅對(duì)水擊壓強(qiáng)的作用格外顯著，而且導(dǎo)致過(guò)渡過(guò)程中脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，與常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組有明顯的差別。而設(shè)計(jì)中缺少合適的方法計(jì)人脈動(dòng)壓強(qiáng)，僅按經(jīng)驗(yàn)取值，并且導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律選取也缺乏理論依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)減輕水擊壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)的優(yōu)化目標(biāo)。
�。�4）由于水泵水輪機(jī)在甩負(fù)荷中的過(guò)機(jī)流量呈多峰性，流量由初始值減為零的時(shí)間遠(yuǎn)小于導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，因此常規(guī)水電站調(diào)壓室設(shè)置條件不適用于抽水蓄能電站。另外，抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)布置比常規(guī)水電站更為復(fù)雜，通常有樹(shù)狀布置和環(huán)狀布置兩種方式。尤其在相繼甩負(fù)荷、水力干擾等過(guò)渡過(guò)程中，兩者對(duì)調(diào)節(jié)保證極值、機(jī)組超出力存在較大的差異。由于缺少對(duì)抽水蓄能機(jī)組與輸水管道系統(tǒng)匹配性的認(rèn)知，導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)缺乏方向性的引導(dǎo)。
�。�5）從抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬的角度來(lái)看，水泵水輪機(jī)全特性曲線平面表達(dá)方式存在的多值性和對(duì)應(yīng)性問(wèn)題，即開(kāi)度線交叉、聚集、扭卷等現(xiàn)象常常導(dǎo)致迭代計(jì)算無(wú)法收斂，繼而造成數(shù)值計(jì)算結(jié)果的異常波動(dòng)；并且復(fù)雜的機(jī)組邊界條件因求解方法不當(dāng)，也可能導(dǎo)致無(wú)解或錯(cuò)解。
為了解決抽水蓄能電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的困惑，促進(jìn)其過(guò)渡過(guò)程理論與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，本書(shū)從以下五個(gè)方面對(duì)水泵水輪機(jī)全特性與抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行較系統(tǒng)全面的論述。
�。�1）水泵水輪機(jī)全特性空間曲面的構(gòu)建與變化規(guī)律，包括第1～第3章。其目的是尋找水泵水輪機(jī)全特性更適宜的表征方法，深入了解水泵水輪機(jī)流量特性、力矩特性以及流量力矩特性隨比轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，為探索抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程內(nèi)在機(jī)理，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。
�。�2）基于水泵水輪機(jī)全特性空間曲面的過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬與分析，包括第4～第6章。其目的是在建立完整的抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，證明機(jī)組方程組唯一解，提高大波動(dòng)、小波動(dòng)及水力干擾等過(guò)渡過(guò)程的模擬精度；且建立反S特性與機(jī)組甩負(fù)荷水擊壓強(qiáng)的內(nèi)在聯(lián)系，以及與飛逸穩(wěn)定性、空載穩(wěn)定性、運(yùn)行穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，為優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及整定調(diào)速器參數(shù)奠定基礎(chǔ)。
（3）基于水泵水輪機(jī)反S特性及脈動(dòng)特性的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化，包括第7～第8章。其目的是尋找抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程脈動(dòng)壓強(qiáng)的模擬方法，探索水泵水輪機(jī)反S特性和脈動(dòng)特性隨導(dǎo)葉開(kāi)度及工況點(diǎn)的變化規(guī)律，探討反S特性和脈動(dòng)特性與調(diào)節(jié)保證極值的關(guān)聯(lián)性，為導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律選取、優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)。
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