抽水蓄能机组水泵工况启动概述
【摘要】近年来抽水蓄能电站在国内大量兴建，引发越来越多的人关注。

但由浅入深介绍该型机组特点的文章为数不多，本文力求以浅显的原理介绍抽水蓄能机组的特点，以供非此专业人士快速熟悉抽水蓄能机组之用。

由于作者水平有限，请各位专业人士不吝赐教，给予斧正。

【关键词】抽水蓄能机组；充气压水；变频启动装置；排气充水；排气造压
引言
抽水蓄能机组与常规水轮发电机组最大的区别就是不仅可以发电，还可以反向旋转以水泵的形式抽水。

当电网电能超过负荷需求时，启动机组以水泵工况运行将下库水抽到上库暂时存放起来；当电网电能低于负荷需求时，启动机组以发电工况运行利用存储在上库的水能发电供给电网。

机组将电能以水力势能的形式临时存储起来，实现了电能的存储，故而称为蓄能机组。

抽水蓄能机组有效的均衡了电网负荷的峰谷差，确保电网的安全经济运行。

机组的水泵工况启动较发电工况启动更为复杂，以下将进行详细说明。

1、水泵启动方式
抽水蓄能机组水泵工况运行实质上是同步电动机运行。

众所周知，同步电动机不可以直接启动，目前最为经济便捷的启动方式是变频启动方式。

因此，抽水蓄能电站几乎均设置一台静止变频启动装置（SFC）。

SFC拖动机组从零转速到额定转速，实现了同步电动机的平稳启动。

这只是为启动机组提供了可能性，光有SFC还不能立即实现机组水泵方式启动。

为了尽量提高机组调节电网峰谷差能力，抽水蓄能机组容量被尽可能地增大。

但受目前技术所制约，国内大型抽水蓄能机组单机容量最高已达300MW，即将向400MW，甚至更高的容量发展。

然而就300MW容量机组来说，其转动惯量已达数百（kN·m）数量级。

转动惯量越大，需要的启动转矩就越大，SFC 的容量也越大，而SFC的造价随着容量增加成倍增加。

因此，为尽量降低SFC的容量，人们想方设法减轻机组启动的阻力矩。

水泵如能在空气中被启动，阻力矩的减少将是非常可观的。

2、充气压水
为实现水泵在空气中启动，在SFC拖动机组启动之前，需要将水泵轮暴露在空气中。

这样就需要一套高压空气压缩系统，利用压缩空气将水位压低直到泵轮从水中完全脱离为止。

这个过程就是抽水蓄能机组水泵工况启动的第一步：充气压水。

充气压水步骤实现了将水位压到转轮以下某一位置并保持。

从高压气罐到转轮室的气管路设置一个大通径的空气阀，还要并联一个较小通径的空气阀。

大通径的空气阀作为主要充气阀门，实现水位快速下降。

当水位下降到要求高度时，关闭充气阀门。

为补充因转轮密封等处的漏气，需要打开小通径的阀门补气。

通过水位监测自动控制补气阀门的开关实现水位稳定在转轮下某一范围内，确保水泵成功启动。

充气压水步骤完成后，即可启动SFC拖动机组到额度转速。

3、排气造压
当机组转速达到额定转速并且同期并网成功之后，SFC退出并停机。

水泵工况启动流程就进入排气造压过程。

首先关闭补气阀门，然后打开排气阀门将转轮下空气通过排气管路排往排水廊道。

当空气被排尽就进入造压过程。

排气造压为整个水泵工况启动流程最重要的步骤，关系水泵能否成功启动抽水。

此过程也是启动过程中最恶劣的过程，因为过程中机组会产生较大振动。

水泵轮在混有空气的水中转动是产生振动的主要原因，因此判断空气是否排尽就非常重要。

当空气完全排尽才能关闭排气阀，才能保证造压顺利进行。

判断空气是否排尽的通常做法是根据转轮下水位高度决定，当转轮最高位液位开关闭合后再增加适当延时时间，即认为空气已经排尽，然后关闭排气阀门进入造压过程。

水泵的固有特性决定了大型水泵在开始抽水之前泵轮出口要承受一定的水压，该水压使水泵开始抽水时电动机电能平稳地转化为机械能。

否则功率突增不仅会使电动机承受较大的电流，还会使水泵轮产生巨大的机械振动带来机械损害的可能。

保持水压的水位专业上称其为异常低扬程水位。

水泵安全启动的一个条件就是出口水位不低于异常低扬程水位。

保持异常低扬程的措施就是在水泵出口设置阀门等措施，而抽水蓄能机组用水轮机的导水机构导叶充当此措施。

在水泵造压之前关闭导叶，使出水管道封闭一定的水位不低于异常低扬程。

要使水泵能在打开导叶的瞬间实现成功抽水，而不会导致水倒流的前提条件就是水泵轮与导叶之间的压力要高于导叶后出水管道异常低扬程产生的水压。

使水泵轮与导叶间压力升高的过程就是造压过程。

实际上当排气阀门关闭后，造压过程在很短时间内即完成。

当监测到水泵轮与导叶之间的压力高于某一压力值，即可打开导叶实现抽水。

随着导叶逐渐打开直到最大开度，水泵轮输出的机械能逐渐达到最大。

4、实例分析
以下以国内某抽水蓄能电站水泵启动过程中各参数变化趋势图进一步说明水泵工况启动过程。

趋势图中（水泵轮水位，右坐标）曲线在80秒左右迅速下降表明该过程为充气压水过程。

该水位在水泵启动过程中一直保持在相对固定的位置。

然后（机组转速，左坐标）曲线表示机组转速从零逐渐升高的额定转速。

该过程表示机组在SFC的拖动下达到额定转速。

在460秒左右开始打开排气阀门排气，水泵轮水位迅速下降，同时泵轮与导叶间压力迅速升高，此时（有功功率，左坐标）曲线也增加，经过大约20秒的延时认为造压成功，接着快速打开导叶。

随着消耗有功功率的迅速增加表明水泵工况启动成功。

5、总结
综上所述，水泵工况启动流程总结如下。

首先机组在静止状态进入充气压水过程。

第二，机组启动过程。

SFC拖动机组从零转速到额定转速并同期并网，机组同期并网完成即可停止SFC。

第三，排气充水过程。

关闭保持水位的那个充气阀门，打开排气阀门使水泵轮重新浸入水中。

当空气排尽立即关闭排气阀门，进入造压过程。

第四，造压过程。

水泵轮在水中转动使泵轮与阀门之间的压力迅速升高，当压力高于设定值表明造压成功，可以打开阀门抽水。

在实际操作过程中，判断造压成功的条件不只是压力，也有的机组用电动机消耗有功功率来判断。

压力升高的过程实质上也反映电动机消耗有功功率的升高，两者意义一样。