王飛虎

（安徽省機(jī)電排灌總站 合肥 230022）

我國(guó)具有豐富的水利資源，水電站的建立為水能向電能的轉(zhuǎn)化提供了場(chǎng)所，但是在發(fā)電過程中不可避免地存在著一定的能量損耗現(xiàn)象。由于機(jī)組過流部件磨損、機(jī)組的投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)、引水流道淤積等因素的影響，降低了機(jī)組的能量轉(zhuǎn)化性能，損失了水能利用。因此本文選取某水電站某臺(tái)機(jī)組進(jìn)行研究，要求對(duì)電站水輪發(fā)電機(jī)建立合理、客觀而全面的能效評(píng)價(jià)體系，正確評(píng)估生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能源消耗狀況，以此提升資源利用率。

1 水輪發(fā)電機(jī)的能量利用

耗水率、有效率、電站水能利用率是我國(guó)水電站機(jī)組能量利用中經(jīng)常采用的評(píng)估方法。效率評(píng)估中受到運(yùn)行工況影響，難以有效評(píng)估一個(gè)時(shí)段內(nèi)的能量利用情況。耗水率對(duì)發(fā)電過程能量損失的原因難以實(shí)現(xiàn)有效分析，主要反映機(jī)組時(shí)段內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化情況。電站水能利用率難以正確反映機(jī)組的能效性能，可見傳統(tǒng)的評(píng)估方式運(yùn)用中存在一定的局限性。

本文對(duì)水輪發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化過程的分析綜合考慮了引水流道、電站機(jī)組運(yùn)行工況、設(shè)備性能等多方面因素，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)水能利用科學(xué)而全面的評(píng)估。水力發(fā)電是對(duì)水力資源的一種有效運(yùn)用方式，實(shí)現(xiàn)了水庫的蓄水勢(shì)能向電力系統(tǒng)電能之間的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過程見圖1。

在引水系統(tǒng)的運(yùn)用之下，上游水庫蓄水能量能夠進(jìn)入到供水系統(tǒng)以及機(jī)組的水輪機(jī)之中，水輪機(jī)能夠?qū)⑺芡ㄟ^機(jī)械能將其轉(zhuǎn)化為電能并傳遞至發(fā)電機(jī)。部分能量離開機(jī)組直接進(jìn)入電站下游。通過發(fā)電機(jī)的運(yùn)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，并將電能輸送至用電系統(tǒng)與電網(wǎng)之中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的有效利用。

通過對(duì)水庫的蓄水勢(shì)能轉(zhuǎn)化過程的分析，能夠看到這一過程中不可避免地出現(xiàn)了能量損失現(xiàn)象，包括水能損失等。由于水輪發(fā)電機(jī)的自身運(yùn)用效能等原因，會(huì)出現(xiàn)由于發(fā)電導(dǎo)致的能量損失，常見的包括導(dǎo)葉漏水水耗、技術(shù)供水系統(tǒng)水耗、機(jī)組空載運(yùn)行水耗等。

空載運(yùn)行水耗、技術(shù)供水系統(tǒng)的水耗是系統(tǒng)運(yùn)行過程中不可避免的能量損失，與機(jī)組的自身性能無關(guān)。效率損失、引水系統(tǒng)損失、導(dǎo)葉漏水損失等是由機(jī)組自身性能而導(dǎo)致的能量損失現(xiàn)象，通過相應(yīng)措施的運(yùn)用能夠有效避免這些能量損失。

2 水輪發(fā)電機(jī)能量利用及其能效評(píng)估方法

水輪發(fā)電機(jī)能效是能源利用時(shí)能源量與實(shí)際消耗能源量之間的比值。水輪發(fā)電機(jī)能量利用效能評(píng)估過程較為復(fù)雜，需要運(yùn)用到多個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)，包括負(fù)荷、壓力、水頭、流量等，要求據(jù)此建立實(shí)時(shí)計(jì)算模塊，構(gòu)建計(jì)算流程如圖2。

在評(píng)估過程中要求首先能夠獲得水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)組超聲波流量計(jì)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀況，并能夠獲知發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、水輪機(jī)、校核效率曲線等一些基礎(chǔ)性數(shù)值。

圖1 水電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化過程圖

圖2 水電機(jī)組能效評(píng)估流程圖

圖3 機(jī)組水能耗水率與利用率對(duì)比圖

表1 各個(gè)月份能效利用計(jì)算結(jié)果表

表2 各個(gè)月份能量占比計(jì)算結(jié)果表

表3 該水電站某臺(tái)機(jī)組 1～6月主要運(yùn)行數(shù)據(jù)表

結(jié)合各個(gè)運(yùn)行模塊計(jì)算能量，要求在這一過程中能夠充分結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機(jī)組具有空載態(tài)、停機(jī)態(tài)、不定態(tài)、發(fā)電態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、調(diào)相態(tài)共六種狀態(tài)，這些狀態(tài)均具有不同程度的能量損耗。其中水量損耗較大的為空轉(zhuǎn)運(yùn)行以及機(jī)組空載狀態(tài)。日常運(yùn)行中，調(diào)相態(tài)、不定態(tài)的運(yùn)行時(shí)間一般較短，這主要是為了能夠滿足調(diào)度要求。因此在計(jì)算機(jī)組自身能效分析過程中，主要是在停機(jī)態(tài)與發(fā)電態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算。在機(jī)組處于發(fā)電態(tài)下，機(jī)組過機(jī)水能可以轉(zhuǎn)化為固有損失能量、實(shí)際發(fā)電量、引水損失能量、性能損失能量等。在機(jī)組停機(jī)態(tài)下，機(jī)組過機(jī)水能可以轉(zhuǎn)化為導(dǎo)葉漏水損失能量。計(jì)算周期設(shè)置為 1min，采用積分方式進(jìn)行周期時(shí)段內(nèi)的能量計(jì)算。

選取日、月、年不同時(shí)段，對(duì)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，得出機(jī)組水能利用率。通過有效的數(shù)據(jù)分析得出各部分能量、判斷不同時(shí)間段機(jī)組水能利用率。目前我國(guó)具有多種類型的水輪發(fā)電機(jī)組，不同電站機(jī)組運(yùn)行環(huán)境差異較大。因此在水輪發(fā)電機(jī)組的能效評(píng)估與分析過程中，在廠內(nèi)采取橫向?qū)Ρ鹊挠?jì)算方式，針對(duì)同一機(jī)組，采取不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ扰c分析，以此判斷各部分能量損耗的變化情況。

3 水輪發(fā)電機(jī)能量利用及其能效評(píng)估案例分析

本文研究中選擇某水電站某臺(tái)機(jī)組作為研究對(duì)象，該機(jī)組為立軸混流式機(jī)組，額定容量25 萬kW。選取該機(jī)組 2018年1～6月的數(shù)據(jù)，分析各月水能利用率，見表1。

計(jì)算各個(gè)月份的能量占總過機(jī)水能的比例，計(jì)算結(jié)果見表2。

將該機(jī)組2018年1～6月機(jī)組耗水率與水能利用率進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如圖3。

從圖3中能夠看出該水電站某臺(tái)機(jī)組2018年1～6月總體水能利用率為81.85%，固有損失能量 Eg（ 7.27%） 與機(jī)組性能損失能量 Ex（7.37%） 是能量損失的重要構(gòu)成部分。 5月份水能利用率較低，綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠看出5月份機(jī)組性能損失高于其他月份，因此降低了能量利用效率。該機(jī)組2018年1～6月機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

從表3中機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠看出，電站水庫月平均水位較低的月份為5月份，主要是受到汛前水位控制的影響，在這六個(gè)月份中，5月份平均運(yùn)行出力只達(dá)到額定負(fù)荷的52.1%，為13.02 萬kW，為最低值。機(jī)組5月份表現(xiàn)出了顯著的機(jī)組水能利用率偏低、機(jī)組性能損失能量占比偏高的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致機(jī)組水能利用率偏低，出現(xiàn)了較低的運(yùn)行出力與運(yùn)行水頭。

4 結(jié)語

本文在研究中選取某水電站某臺(tái)機(jī)組作案例分析，分析其水輪發(fā)電機(jī)的能效水平，以此量化評(píng)估機(jī)組能效性能的全過程，并計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)中損失的能量。該機(jī)組2018年5月份水能利用率較低，主要是由于機(jī)組水能利用率偏低、機(jī)組性能損失能量占比偏高，降低了機(jī)組水能利用率。本文對(duì)機(jī)組能效變化原因的分析研究，對(duì)于促進(jìn)水電站調(diào)度計(jì)劃的完善，加強(qiáng)檢修維護(hù)計(jì)劃安排，實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行控制，具有一定的參考價(jià)值■