李浩權(quán)

廣州從化良湖水電經(jīng)濟發(fā)展有限公司，廣東 廣州，510910

0 引言

水電站的運行管理質(zhì)量和效率，影響著水力發(fā)電的效果，水電站在管理上應(yīng)用節(jié)能措施有助于提升水電站的發(fā)電效率，降低對水資源、電能的損耗，充分發(fā)揮水力發(fā)電的優(yōu)越性。目前，無論是大型水電站還是小型水電站都存在運行管理上的可優(yōu)化空間，通過優(yōu)化管理可換來水電站的節(jié)能運行和發(fā)電總量提升，促使水電站的能耗量被逐步縮減和控制，真正實現(xiàn)水電領(lǐng)域的良性運轉(zhuǎn)和可持續(xù)發(fā)展，為全國人民帶來更優(yōu)質(zhì)的用電體驗。

1 水電站運行管理過程中的損耗

水電站運行方式是制造水資源的高度落差，將水頭重力勢能轉(zhuǎn)化為動能帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，繼而帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電能的產(chǎn)生和發(fā)送。所以，在水電站的運行過程中，水資源和電能是最容易出現(xiàn)損耗的兩個部分，也是水電站落實節(jié)能管理最需要關(guān)注的兩個方向，抓好水資源節(jié)能和電能節(jié)能，是實現(xiàn)水電站節(jié)能運行的必要一環(huán)。

1.1 水資源

在水電站運行過程中，水頭損失是水資源能耗的主要形式之一，滲漏是水資源能耗的主要形式之二。水力發(fā)電就是一個將水資源攜帶的機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，能源轉(zhuǎn)換過程中必然伴隨一定的能耗。來水量不由電站控制，也無需控制。來水量經(jīng)常過大而棄水和經(jīng)常不足均為設(shè)計不當，會出現(xiàn)大量的水資源機械能被浪費的現(xiàn)象，影響水電站的發(fā)電效率和總發(fā)電量。在水電站運行過程中，如果存在滲漏問題，則說明有一定量的水資源未能貢獻機械能就流到了下游，影響了水電站的整體發(fā)電量和發(fā)電效率。所以，水電站運行管理節(jié)能措施需要包含兩個部分：①控制上游水量，減少水頭損失；②定期檢查維修，減少水資源的流失和浪費。

1.2 電能

水電站借助水資源機械能產(chǎn)生的電能需要先供給自身機械電氣設(shè)備使用，然后進行并網(wǎng)發(fā)電，可以說，水電站自身機械電氣設(shè)備的使用量越高，水電站的發(fā)電總量和發(fā)電效率越低。水電站中的各種泵機、風機都是消耗電能的大件，水電站內(nèi)部的照明、辦公等用電也屬于電能消耗的常規(guī)途徑，水電站想要降低電能方面的損耗需要從以上兩部分著手。泵機、風機需要定期檢查，保持其處于較為健康的運行狀態(tài)和環(huán)境，避免因為磨損、老化、環(huán)境高溫導致能耗增加；照明等用電途徑可通過更換為節(jié)能照明設(shè)備的方式來降低總體電能消耗量，使水電站能夠并網(wǎng)發(fā)送出更多的電量，提高水電站的發(fā)電效率。

2 水電站運行管理節(jié)能案例分析

2.1 案例簡述

水電站是我國實現(xiàn)水力發(fā)電的重要站點，也是我國實現(xiàn)清潔能源應(yīng)用的重要方式。隨著我國大量的水電站建設(shè)鋪開，水力所發(fā)電量在我國總用電量中的占比越來越高，水電這種發(fā)展?jié)摿薮?、綜合社會價值高的發(fā)電方式應(yīng)成為我國節(jié)能降耗的主力軍（2020年8月至2021年8月全國水電發(fā)電量如圖1所示）。以某水電站的發(fā)電機組為例，水電站配備的發(fā)電機組單一裝機容量5000kW，共配備發(fā)電機組4臺，年平均發(fā)電量接近6500萬kWh。水電站已經(jīng)實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，并且發(fā)電穩(wěn)定性較好。水電站的運行管理節(jié)能初期目標為，將年平均發(fā)電量穩(wěn)定在6500萬kWh以上，增加水電站的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖1 2020年8月至2021年8月全國水電發(fā)電量（圖源 智研咨詢）

2.2 進相運行靜穩(wěn)試驗

發(fā)電機進項運行的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗?zāi)軌驇椭娬具\維人員了解發(fā)電機的狀態(tài)，了解發(fā)電機的進項深度是否符合調(diào)度命令，限制器、保護設(shè)備是否能夠保障發(fā)電機的安全運行，以及發(fā)電機的進項深度主要受到哪種因素的影響。進項運行靜穩(wěn)實驗需要實驗員逐步降低勵磁電流使發(fā)電機開始從系統(tǒng)吸收無功，從而降低發(fā)電機電勢、增加發(fā)動機的功角，判斷發(fā)電機的運行穩(wěn)定性。水電站發(fā)電機組試驗過程中從5000kW逐步下調(diào)有功負荷值，獲取發(fā)電機組的進項無功大小、功角、端電壓值、電流值，借此來判斷發(fā)電機組進項深度主要受到哪些因素的影響。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，母線電壓、定子電流是影響發(fā)電機組進項深度的主要因素。

2.3 進相運行溫升試驗

發(fā)電機進項運行的溫升試驗?zāi)軌驇椭\維人員了解發(fā)電機在不同有功負荷下的進項無功變化，并了解發(fā)電機是否會在不同有功負荷下出現(xiàn)異常升溫的情況，了解發(fā)電機可能存在的、導致升溫的故障。通過靜穩(wěn)試驗了解過影響發(fā)電機組進項深度的主要因素是母線電壓和定子電流，在溫升試驗中則選擇通過控制母線電壓和定子電流來保持進項深度不變，以此來判斷發(fā)電機組在不同有功負荷下的進項無功大小，并在每個不同有功負荷值的大小上進行溫度檢測，平均每20分鐘測溫一次，了解發(fā)電機組在不同運行狀態(tài)下的升溫情況。

3 水電站運行管理節(jié)能降耗方法

3.1 機組運行方式的優(yōu)化方法

（1）控制水頭。水電站機組運行管理優(yōu)化的手段之一就是控制水頭，將上游來水量控制在較為合適的范圍內(nèi)，保持水電站在枯水期、豐水期、平水期都能夠正常運行。在枯水期，水電站可通過降低出庫流量的方式來避免上游水位快速下降，保證水電站的正常運行。當上游水位下降到影響水電站機組運行的位置時停機蓄水，避免因為低水頭、低負荷造成的水資源消耗。

（2）提高機組運行效率。提高機組運行效率是降低水資源能耗的重要途徑，能夠有效提升水電站的發(fā)電效率和發(fā)電總量，而提高機組運行效率的方法有很多。①根據(jù)不同的上游來水量配備相應(yīng)的導葉開度，隨時根據(jù)來水量進行調(diào)整，使水電站的機組保持在較為合理的運行狀態(tài)。如果水電站已經(jīng)開始應(yīng)用機電自動化技術(shù)，可連接智能系統(tǒng)來根據(jù)上游檢測數(shù)據(jù)自動調(diào)整導葉開度，降低人工操作耗費的時間和人力成本。②縮短水電站機組的開機時間。建設(shè)在豐水期、枯水期上游水位落差非常明顯地區(qū)的水電站往往面臨著枯水期需要停機蓄水的情況，待蓄水量達到預期范圍再開機發(fā)電。但水電站機組開機往往需要一定的時間，開機時間內(nèi)的水資源機械能基本都損失掉了，所以縮減開機所需時間是水電站節(jié)能降耗的重要手段之一。梅江中下游的某水電站在使用燈泡貫流式機組時通過短時停機切換開關(guān)實現(xiàn)了對開機時間的大幅度縮減，從原本充油、水、氣需要至少半個小時才能開機的時間縮短至6分鐘，關(guān)鍵就在于不中斷油、水、氣的停機方式。僅這一個運行管理舉措的應(yīng)用就幫助水電站實現(xiàn)了大量的水資源節(jié)約，提高了水電站的發(fā)電總量和效率提升。

3.2 降低廠用設(shè)備能耗

降低水電站內(nèi)部機電設(shè)備、照明系統(tǒng)、辦公設(shè)備能耗的方式主要有三種。①通過運維團隊的設(shè)備巡視來確保機電設(shè)備處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，沒有出現(xiàn)跑冒滴漏的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)環(huán)境調(diào)整設(shè)備失靈的現(xiàn)象，排除水電站發(fā)電機組設(shè)備的安全隱患。運維人員巡視過程中需要重點盯防油泵、水泵、風扇、壓力裝置等部分，及時發(fā)現(xiàn)油泵漏油、水泵漏水、風扇轉(zhuǎn)速不正常、壓力裝置漏氣等現(xiàn)象，及時排除發(fā)電機組運行的安全隱患，避免因故障而導致停機，減少因為停機導致的棄水和發(fā)電量損失。②根據(jù)水電站發(fā)電機組的實際需求調(diào)整環(huán)境設(shè)備的運行功率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。比如水電站的發(fā)電機組由于長期運行會產(chǎn)生大量的熱能，熱能堆積抬高機組周邊溫度會影響機組中零部件的運行，導致零部件提前老化、催化等問題的出現(xiàn)，所以水電站需要安裝和使用溫控設(shè)備來輔助散熱。水電站所處的地理位置決定了其在一年四季、晝夜交替中的周邊環(huán)境溫度必然會出現(xiàn)一定幅度的變化，位置靠北地區(qū)的環(huán)境溫度變化幅度更大，靠南地區(qū)的環(huán)境變化幅度更小，濕度等環(huán)境參數(shù)也如此。水電站運維管理團隊需要根據(jù)周邊環(huán)境的實際溫濕度變化來調(diào)整環(huán)境控制室設(shè)備的功率，減少這部分設(shè)備所造成的能耗。③節(jié)約水電站內(nèi)照明系統(tǒng)、辦公設(shè)備的能耗。照明系統(tǒng)的節(jié)能可通過加大自然采光、更換節(jié)能燈具、使用光敏燈具來實現(xiàn)，之所以沒有提到聲敏燈具是因為水電站所處的位置決定了水力發(fā)電過程中伴隨著較高分貝的噪音，使用聲敏燈的節(jié)能效果不如光敏燈。辦公設(shè)備的節(jié)能則需要通過內(nèi)部培訓來實現(xiàn)，將節(jié)能降耗、環(huán)保的思想灌輸給工作人員，讓工作人員習慣于隨手關(guān)燈、關(guān)計算機、無紙化辦公。如果市面上出現(xiàn)有節(jié)能效果更優(yōu)秀的辦公設(shè)備，水電站可考慮及時更換現(xiàn)有設(shè)備，實現(xiàn)辦公系統(tǒng)節(jié)能。

3.3 水電站水頭損失方面的節(jié)能控制

水電站在常規(guī)運行過程中需要定期清污，以保證機組處于正常的運行狀態(tài)。如果機組處于污損狀態(tài)，雜物、泥沙會阻礙水資源機械能對機組葉輪的推動，影響水資源機械能向電能的轉(zhuǎn)化效率，造成水頭損失。所以，水電站需要組織工人三班倒進行清污，盡可能保證機組的運行狀態(tài)不受雜物、泥沙影響，降低因污損導致的水頭損失。但這樣的三班倒清污帶來了新問題，常規(guī)清污機的使用需要空載，這個過程中必然會浪費大量的機組運行時間，不僅影響水電站機組的發(fā)電效率，還會造成大量的水資源機械能被浪費。建設(shè)在黃河這樣泥沙量較大或污染較為嚴重的河流上時，水電站每天要面對大量的清污壓力，一次清污可能需要機組空載時間長達1個小時，無論水電站配備的一臺機組容量是5000kW還是50kW，1個小時的損失量都不可小覷。為了提高清污效率，縮減清污機使用所需要消耗的時間，可以對清污機進行改進，將清污機電動機的接法改動為三角形或星型，使清污機電動機的轉(zhuǎn)速得到提升，縮短清污機對一臺機組進行清污所需要的時間，減少水電站的水頭損失，實現(xiàn)水電站的節(jié)能降耗。

3.4 空庫納洪增效節(jié)能

豐水期由于上游地區(qū)大量降雨或長時間降雨，上游水位提升雖然給水電站大量發(fā)電帶來的可能，但水電站能夠快速反應(yīng)、及時開機納空成為關(guān)鍵。水電站需要與上游水電站、氣象部門做好聯(lián)系，提前掌握洪峰到來的時間，提前了解未來幾天甚至幾周內(nèi)的降雨情況，預估出大致可能的上游來水量，提前開機納空庫容，降低因為開機不及時導致的棄水量，增加水電站的發(fā)電量。通過空庫納洪，水電站每年都能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電總量的大幅度提升，創(chuàng)造出較大的經(jīng)濟效益。

3.5 認真執(zhí)行交接班和設(shè)備巡查規(guī)定

日常運維、設(shè)備巡查是保證水電站發(fā)電機組設(shè)備處于安全運行狀態(tài)的好辦法，為了保證運維人員之間的信息溝通暢通，避免在運維組員交接班過程中出現(xiàn)信息遺漏的情況，水電站應(yīng)當建立較為嚴格的交接班制度、設(shè)備巡查制度、機組設(shè)備檔案管理制度，并對這些制度進行管理落實，切實提升水電站機組設(shè)備運維人員的價值和作用。在運維人員交接班過程中，交班一方不僅要提供本班次設(shè)備巡查的結(jié)果、參數(shù)，還要將巡查中發(fā)現(xiàn)的問題、未能解決的隱患等信息認真交接給接班一方，確保交接過程中信息無遺漏。為了避免人為操作導致的信息遺漏或失誤，水電站運維團隊需要建立機組設(shè)備的電子檔案和設(shè)備巡查電子文檔，通過一鍵傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)交接班，還能夠在電子文檔中保留每個班次運維人員操作的痕跡，提高交接班和設(shè)備巡查的工作有效性。

3.6 解決因設(shè)備缺陷導致的能耗問題

設(shè)備缺陷導致能耗問題通常指因為設(shè)備故障導致的停轉(zhuǎn)，水電站機組停轉(zhuǎn)會直接導致大量的棄水產(chǎn)生，浪費大量的水資源，還會降低水電站的發(fā)電總量。定期對水電站發(fā)電機組設(shè)備進行運維和檢修是解決這一問題的好辦法，但總有一些故障屬于突發(fā)性的，從發(fā)現(xiàn)故障到維修完成、開機運行所消耗的時間越長，水電站在此期間的能耗量越大。在自動化技術(shù)、智能化技術(shù)逐步在我國工業(yè)領(lǐng)域普及的今天，水電站應(yīng)積極進行自動化、智能化建設(shè)，用傳感器、自動儀表等設(shè)備對水電站發(fā)電機組設(shè)備進行監(jiān)控，采集設(shè)備運行產(chǎn)生的各種參數(shù)，經(jīng)過計算機平臺匯總和分析后判斷機組是否存在隱藏的安全隱患或故障。一旦發(fā)現(xiàn)有未能在日常運維中被發(fā)現(xiàn)、解決的安全問題，及時派遣運維人員前去處理，保證水電站發(fā)電機組長期處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，節(jié)約水電站發(fā)電能耗，提高水電站的發(fā)電量和發(fā)電效率。

4 結(jié)語

我國是世界上能源消耗量第二大的國家，水力發(fā)電的發(fā)電量和發(fā)電效率提升直接關(guān)系到我國對火力發(fā)電依賴的擺脫程度，減少環(huán)境污染的進展程度。目前，我國水電站在運行中還存在運行管理不足的問題，節(jié)能工作沒能做到位，還存在較多影響發(fā)電效率、影響水電站社會效益產(chǎn)出的因素。本文從提高機組運行、減少水頭損失、降低廠用設(shè)備能耗、空庫納洪、做好運維管理等幾個方面進行了分析和討論，希望可以為眾多大小水電站的運行管理提供一些思路和幫助，提高水電站的發(fā)電效能。