变速机组对我国抽水蓄能规划选点的影响分析

2018-07-20王婷婷张正平赵杰君王朝阳

水力发电 2018年4期

王婷婷，张正平，赵杰君，王朝阳

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.国网新源控股有限公司，北京100761)

0 概述

抽水蓄能变速机组是指机组能在额定同步转速附近的一定范围内无级变速运行，可实现水泵工况运行下调节输入功率，以满足电网快速准确进行电网频率调节的要求。然而，通过对已建变速机组电站运行情况的统计分析，变速机组的优势远不止于电网频率调节这一点。变速机组通过提高自身调节性能，不仅能够提高机组自身的运行稳定性、延长机组使用寿命，还有利于电网安全稳定运行、降低机组启停对局部电网的冲击、通过提高与可再生能源电源的契合度来提高资源利用率。

在我国推进抽水蓄能建设中研究发现，变速机组由于水头变幅要求放宽，从工程建设来看，不仅能够减少工程投资，甚至提高电站装机规模，改善电站经济指标，从而在抽水蓄能电站选点规划时，放宽抽水蓄能电站建设条件，更为广泛地优选靠近负荷中心的站址提供可能。为此，2014年11月国家发改委2482号文明确提出我国要积极推进变速机组的国产化，提高主辅设备的独立成套设计和制造能力。

变速机组的建设并不是新生事物，从20世纪60年代开始，国外水电行业就开始了可变速抽水蓄能机组的研究及试验工作，日本早在1990年就投产了首台变速机组(矢木泽抽水蓄能电站)。截止目前，国际上已采用变速机组的蓄能电站约11座、20台机组，在建约7座电站、17台机组。而我国变速机组及其配套的变频设备尚未引进技术建设的工程实例，与国际上先进的国家相比，大容量连续调速的变速机组在中国电网中的应用和管理以及设备技术自主研发和制造方面还存在一定的差距，相应的科研工作尚在初级阶段，尤其变速机组对蓄能建设影响的相关研究更是少之又少。

本文拟通过同一蓄能站址有无选取变速机组进行工程设计，在分析机组建设可行性的基础上，对比分析各方案在能量指标、经济指标方面的差异，为我国新一轮抽水蓄能选点规划和建设提供新思路。

1 变速机组在抽水蓄能电站建设方面的优势

不同的水轮机/水泵均有一定的适应的水头/扬程运行范围，超过该运行范围，将导致机组的运行不稳定，尤其对可逆式水泵水轮机，机组是以满足水泵工况主要性能为设计基础的，水轮机工况往往偏离其最优工况。因此，为满足机组稳定运行，可逆式水泵水轮机稳定运行范围较同水头段水轮机的要窄得多。《抽水蓄能电站设计导则》建议的水头变幅见表1。

根据《抽水蓄能电站设计导则》，一般单机容量300 MW的300～500 m水头段蓄能电站Hpmax/Htmin建议不超过1.25左右，如在建丰宁抽水蓄能电站额定水头420 m，Hpmax/Htmin为1.22。部分已建抽水蓄能电站比转速与最大最小水头比关系见图1。

图1 我国部分已建抽水蓄能电站比转速与最大最小水头比关系

然而，由于机组单位转速与水头的0.5次方成反比，若采用变速机组可扩大水泵水轮机水头适应范围，较小的转速变化就可适应较大的水头变幅。部分已建变速抽水蓄能电站水头变幅见表2。

表2 部分已建变速抽水蓄能电站水头变幅

从工程实例来看，日本矢木泽电站Hpmax/Htmin为2.12，是《抽水蓄能电站设计导则》推荐的适应水头变幅1.35的1.57倍；瑞士的Nant de Drance抽水蓄能电站，单机容量为174 MV·A，水泵最大扬程为395 m，最小水头为250 m，水头变幅达到1.58，是推荐适应水头变幅1.25的1.26倍。有的厂家认为，当转速变化在±10%nr时，水头变幅Hpmax/Htmin到1.5内是稳定的，同时对于中低水头段机组，适应的水头变幅范围将更大。

以华北电网某抽水蓄能电站为例，如果建设12台变速机组而不考虑厂道布置等对死水位的要求等因素，按照挖填量基本一致考虑，上水库正常蓄水位可降低5 m，Hpmax/Htmin从1.22升至1.31。当然，这一调整所带来的坝工的工程量的优化，将对蓄能机组的运行工况带来更为严峻的考验，但两者的适度结合将值得我们深入研究。

2 规划站点变速机组建设的案例分析

变速机组可扩大机组适应的水头变幅范围，从而在抽水蓄能电站选点规划时，放宽抽水蓄能电站建设条件，更为广泛地优选靠近负荷中心的站址；在相同的建设条件下，也可通过适度放宽选点水头变幅要求，来优化电站开挖量或增加电站建设规模，提高电站经济效益。

根据华北电网抽水蓄能电站规划成果，筛选了10余个因水头变幅问题影响站址规模的资源储备站点，综合考虑水源、天然地形地质条件等因素，选定某抽水蓄能站址进行典型案例分析。经估算，该抽水蓄能电站通过采用变速机组，可使装机规模由1 000 MW增加到1 200 MW，Hpmax/Htmin从1.27增加到1.42。因此，本文将在分析变速机组建设可行性的基础上，对比分析采用变速机组前后能量、经济指标变化，进而论述变速机组建设的经济合理性。

表3 不同机型方案特征参数指标

2.1 变速机组建设的可行性分析

某抽水蓄能电站工程区位于阴山南部的冀北山区，地势东、西高，中间低，属侵蚀中、低山区，海拔一般为700～1 600 m。上水库库区东、北、南三面环山，山体雄厚，库水向周边发生大范围邻谷渗漏的可能性不大，库盆初拟采用局部防渗型式。厂道系统沿东洋河左岸山脊布置，围岩岩性为麻粒岩，以微风化～新鲜岩体为主，围岩以Ⅲ类为主。下水库库岸山体雄厚，水量充足，地形地质条件较好，不存在永久渗漏、大规模岸坡稳定问题，具备建库条件。从规划阶段成果可以看出，该抽水蓄能电站受机组稳定系数的影响，为满足发电和正常运行所需的调节库容，上、下水库死水位偏高，以至于上、下水库死库容分别为402万m3和218万m3，工程投资及初期蓄水的难度和成本均较高。

根据上、下水库库盆的地形地质条件、水工布置以及机组水头变幅等因素的要求，拟定采用定速机组和变速机组两种机型，综合分析可变速抽蓄机组应用的可行性。经分析，由于变速机组放宽了水头变幅的要求，即使电站装机容量从1 000 MW增加到1 200 MW，上、下水库的正常蓄水位保持不变，相应死水位均下降10 m，开挖量仅分别增加11万m3和21万m3。由于上、下水库正常蓄水位一致，定速机组和变速机组方案在工程建设征地和环境影响、水工枢纽布置、施工条件等方面差别不大，但由于装机规模扩大，电站年发电量增加3.35亿kW·h。两个方案进行对比研究不同机型方案特征参数指标见表3。

经工程估算，该抽水蓄能电站工程，定速机组方案装机容量4×250 MW，工程静态投资488 091万元，单位千瓦静态投资4 881元/kW；变速机组方案装机容量4×300 MW，工程静态投资599 555万元，单位千瓦静态投资4 996元/kW。其中，由于装机规模增加并采用变速机组设备，变速机组的机电设备及安装工程较定速机组投资增加约35%，建筑工程增加约18%，施工辅助工程增加约14%。

2.2 经济比较

不同机型方案之间采用总费用现值最小法进行经济比较。各机型方案运行期取30年，社会折现率取8%，蓄能电站运行费率取2.4%。

对于不同机型方案有容量差别，以火电作为替代电站，火电容量替代系数为1.1，电量替代系数1.05。补充火电建设期取3年，与该蓄能电站同时投产运行，单位千瓦投资按4 000元/kW计，投资比例按30%、40%和30%。火电机组运行费率取4%。标煤单价按640元/t计。

依据上述所确定的参数，对各装机容量方案进行费用现值分析，成果见表4。

表4 不同机型方案经济比较成果表

从表4可以看出，随着电站装机容量的增加以及变速机组的采用，电站静态总投资增加，变速机组方案较定速机组投资增加111 464万元，补充单位千瓦投资5 573元/kW，高于变速机组单位千瓦投资，但从总费用现值来看，变速机组总费用现值较定速机组低30 210万元。由此可见，从电站建设的总体及长远角度来看，变速机组的采用是比较经济的。

2.3 综合分析

(1)从规划阶段成果可以看出，该抽水蓄能电站受机组稳定运行的影响，为满足发电和正常运行所需的调节库容，上、下水库死水位偏高，以至于上、下水库死库容均较大，且电站装机规模只能达到1 000 MW，Hpmax/Htmin为1.27。如电站采用可变速抽蓄机组，可拓宽水头变幅范围，增加电站上下水库的工作水深，进而增加电站建设规模达到1 200 MW，Hpmax/Htmin为1.42。

(2)从工程建设条件来看，定速机组和变速机组在水文泥沙、工程地质、工程建设征地和环境影响方面差别不大，由于两种方案上下水库的正常蓄水位相同，故水工枢纽布置基本相同；由于变速机组较定速机组装机容量变大，故两方案在厂道布置、机电设备、施工条件等方面有所差别，但都具备相应的建设条件。

(3)从对地形的利用方面来看，变速机组增加上下水库的消落深度，从而可降低上下水库的死水位，增加调节库容，不仅可增加装机容量，也可降低初期蓄水对死库容的蓄水需求，有利于电站初期蓄水，相应降低初期蓄水的难度和成本。

(4)通过经济比较可知，随着电站装机容量的增加，以及变速机组的采用，电站静态总投资增加，变速机组方案较定速机组投资增加11.1亿元，但总费用现值来看低于定速机组，从总体及长远来看，该电站采用变速机组是较为经济的。

由该案例工程设计成果对比分析可知，建设变速机组虽然静态总投资有所增加，但存在优化坝工工程量甚至扩大电站建设规模等可能性，使电站长期经济性趋于合理。