曹 威，洪純珩

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

水電站以水能為動(dòng)力,通過水輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)電力，在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都存在著不同程度的能量損耗。隨著機(jī)組的投產(chǎn)后運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，機(jī)組過流部件磨損、引水流道淤積等因素，會(huì)造成機(jī)組的能量轉(zhuǎn)化性能的進(jìn)一步下降，導(dǎo)致顯著水能利用損失。對(duì)電站水輪發(fā)電機(jī)的能效進(jìn)行全面、合理、客觀的評(píng)價(jià),可以了解各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能源消耗狀況,促使對(duì)能源利用率低的環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，從而提高能源利用率[1]。

目前，對(duì)于水電站機(jī)組能量利用評(píng)價(jià)的量化評(píng)估方法主要有效率、耗水率、電站水能利用率等。效率是一個(gè)瞬時(shí)計(jì)算值，受機(jī)組運(yùn)行工況影響，難以對(duì)一個(gè)時(shí)段內(nèi)的能量利用情況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)機(jī)組效率只是針對(duì)發(fā)電設(shè)備本身，未考慮水電站引水流道導(dǎo)致的能量損失。耗水率反映了電站或者機(jī)組時(shí)段內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化情況，但是不能反映發(fā)電過程能量損失的原因[2]。電站水能利用率反映了電站整體的水能利用情況，不能反映機(jī)組的能效性能。

本文在分析水輪發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化過程的基礎(chǔ)上，綜合考慮電站機(jī)組運(yùn)行工況、引水流道、設(shè)備性能等，提出一種水輪發(fā)電機(jī)組能效利用分析方法，以實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)水能利用的全過程量化評(píng)估。

1 水輪發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程

水力發(fā)電是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，主要實(shí)現(xiàn)由水庫的蓄水勢(shì)能到電力系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。上游水庫的蓄水能量通過引水系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)組的水輪機(jī)以及供水系統(tǒng)；水輪機(jī)將部分水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳遞至發(fā)電機(jī)，部分能量還是通過水能形式離開機(jī)組進(jìn)入電站下游；發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，分別進(jìn)入電網(wǎng)和廠用電系統(tǒng)[3]。

圖1 水電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化過程Fig.1 Energy conversion process of hydro generator

從將水庫的蓄水勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)電能的目標(biāo)看，整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程中不可避免地存在能量損失，主要包括了引水系統(tǒng)導(dǎo)致的水能損失，即通常所說的水頭損失，水輪發(fā)電機(jī)由于其自身效率導(dǎo)致的能量損失以及部分水能未被直接利用于發(fā)電導(dǎo)致的能量損失，例如技術(shù)供水系統(tǒng)水耗、導(dǎo)葉漏水水耗、機(jī)組空載運(yùn)行水耗等。對(duì)于損失的能量，部分和機(jī)組的自身性能無關(guān)，例如技術(shù)供水系統(tǒng)的水耗、空載運(yùn)行水耗，難以避免；部分由于機(jī)組自身性能導(dǎo)致，例如引水系統(tǒng)損失、效率損失、導(dǎo)葉漏水損失，可以通過措施降低或者消除[4]。

2 評(píng)估方法

從物理學(xué)角度來看，能效是指在能源利用或變換過程中，發(fā)揮作用的能源量與實(shí)際消耗的能源量之比，提高能效是指在發(fā)揮同樣作用的情況下消耗更少的能源，故降低能耗是提高能效的關(guān)鍵[5]。能效量化評(píng)估模型建立的目的是對(duì)水輪發(fā)電機(jī)及相關(guān)結(jié)構(gòu)自身的能量轉(zhuǎn)換能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)能夠量化各環(huán)節(jié)損失的能量。根據(jù)第2節(jié)所述的能量轉(zhuǎn)換過程，不考慮與機(jī)組自身能力轉(zhuǎn)換無關(guān)的部分，將過機(jī)水能分解為：引水損失能量、固有損失能量、性能損失能量、導(dǎo)葉漏水損失能量和發(fā)電量5部分。

2.1 計(jì)算模型

機(jī)組過機(jī)水能為時(shí)段內(nèi)輸入機(jī)組的理論總水能：

(1)

式中：Es為過機(jī)水能，kWh；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Hg為機(jī)組發(fā)電毛水頭，m，電站上下游水位差；Qg為機(jī)組過機(jī)流量，m3/s，機(jī)組超聲波流量計(jì)測(cè)值；t0為計(jì)算時(shí)段的起始時(shí)間；t1為計(jì)算時(shí)段的終止時(shí)間。

機(jī)組發(fā)電量為時(shí)段內(nèi)機(jī)組輸出的電能量：

(2)

式中：Ef為機(jī)組發(fā)電量，kWh；P為機(jī)組有功功率，kW。

機(jī)組性能損失能量為時(shí)段內(nèi)機(jī)組由于自身性能下降，效率偏離設(shè)計(jì)效率所導(dǎo)致的能量損失：

(3)

式中：Ex為性能損失能量，kWh；H為機(jī)組發(fā)電工作水頭，m，由蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力及蝸殼進(jìn)口斷面流速計(jì)算所得[6]；ηss為水輪機(jī)實(shí)際效率，%；ηsj為水輪機(jī)設(shè)計(jì)效率，%，由機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行水頭、負(fù)荷以及水輪機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線確定；ηfs為發(fā)電機(jī)實(shí)際效率，%，由機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行水頭、負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)效率曲線確定；Qf為機(jī)組發(fā)電流量，m3/s。

機(jī)組固有損失能量為時(shí)段內(nèi)由于機(jī)組本身設(shè)計(jì)效率達(dá)不到100%所導(dǎo)致的能量損失：

(4)

式中：Eg為機(jī)組固有損失能量，kWh。

機(jī)組引水損失能量為時(shí)段內(nèi)由于引水流道導(dǎo)致的水頭損失引起的能量損失：

(6)

式中：Ey為機(jī)組引水損失能量，kWh；ΔH為機(jī)組發(fā)電水頭損失，m，為毛水頭和工作水頭之差。

機(jī)組導(dǎo)葉漏水損失能量為時(shí)段內(nèi)由于導(dǎo)葉漏水導(dǎo)致的能量損失：

(6)

式中：Ed為機(jī)組導(dǎo)葉漏水損失能量，kWh；Qd為機(jī)組導(dǎo)葉漏水流量，m3/s，當(dāng)機(jī)組為停機(jī)態(tài)時(shí)，等于機(jī)組過機(jī)流量，當(dāng)機(jī)組為非停機(jī)態(tài)時(shí)，等于0。

在計(jì)算得到時(shí)段內(nèi)機(jī)組各部分能量后，定義機(jī)組水能利用率，計(jì)算公式如下：

L=Ef/Es

(7)

式中：L為機(jī)組水能利用率，為機(jī)組實(shí)際發(fā)電量與機(jī)組過機(jī)水能的比值，作為評(píng)估機(jī)組能量利用效率的核心指標(biāo)。

2.2 計(jì)算過程

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組能效評(píng)估，涉及大量實(shí)時(shí)參數(shù)，例如水頭、負(fù)荷、流量、壓力等，需建立實(shí)時(shí)計(jì)算模塊，計(jì)算的流程如圖2所示。

圖2 水電機(jī)組能效評(píng)估流程Fig.2 Energy efficiency evaluation process for hydropower generator

首先，應(yīng)實(shí)時(shí)獲取計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，包括從水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)組超聲波流量計(jì)等獲取的水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)以及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)/校核效率曲線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

其次，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行各部分能量計(jì)算。水輪發(fā)電機(jī)組在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)行狀態(tài)一般分為發(fā)電態(tài)、空載態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、停機(jī)態(tài)、調(diào)相態(tài)和不定態(tài)6種狀態(tài)，6種狀態(tài)均存在能量損耗情況，其中機(jī)組空載、空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)水量損耗較大，主要為滿足調(diào)度要求，調(diào)相態(tài)、不定態(tài)在日常運(yùn)行中相對(duì)出現(xiàn)的時(shí)間很短，所以在分析計(jì)算機(jī)組自身能效時(shí)，只考慮發(fā)電態(tài)和停機(jī)態(tài)。當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電態(tài)時(shí)，機(jī)組過機(jī)水能轉(zhuǎn)化為引水損失能量、固有損失能量、性能損失能量和實(shí)際發(fā)電量；當(dāng)機(jī)組處于停機(jī)態(tài)時(shí)，機(jī)組過機(jī)水能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)葉漏水損失能量。能量計(jì)算以1 min為計(jì)算周期，計(jì)算周期時(shí)段內(nèi)采用積分方式計(jì)算。

再次，基于實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)計(jì)算日、月、年不同時(shí)段，機(jī)組過機(jī)水能轉(zhuǎn)化的各部分能量和機(jī)組水能利用率。

最后，通過計(jì)算所得的不同時(shí)間尺度的機(jī)組水能利用率以及各部分能量，評(píng)估機(jī)組的能效情況。由于水輪發(fā)電機(jī)組類型復(fù)雜多樣，且不同電站機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境也差異很大，所以對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組的能效評(píng)估，主要采取同一機(jī)組的縱向歷史對(duì)比以及廠內(nèi)同樣形式機(jī)組橫向?qū)Ρ鹊姆绞?，同時(shí)對(duì)比分析各部分能量損耗的變化情況。

3 實(shí)例應(yīng)用

以某水電站某臺(tái)機(jī)組為例，該機(jī)組為立軸混流式機(jī)組，額定容量25萬kW。根據(jù)其2018年1-6月運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算其水能的轉(zhuǎn)換利用情況，以月水能利用率為例進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 能效利用計(jì)算結(jié)果 萬kWh

各部分計(jì)算能量占總過機(jī)水能的比例見表2。

表2 能量占比計(jì)算結(jié)果 %

將1-6月的該機(jī)組的水能利用率與機(jī)組耗水率進(jìn)行比較，比較結(jié)果見圖3。

圖3 機(jī)組的水能利用率與耗水率對(duì)比Fig.3 Comparison of waterpower utilization rate and water consumption rate of hydropower generator

從圖3可以看到，機(jī)組的月水能利用率變化過程與月耗水率變化過程基本相符合，表明水能利用率的計(jì)算結(jié)果能真實(shí)反映機(jī)組的能效利用情況。

從表1數(shù)據(jù)可知，該機(jī)組1-6月份總的水能利用率為81.85%，在損失的能量中，機(jī)組性能損失能量Ex和固有損失能量Eg占據(jù)了主要部分，占比分別為7.37%和7.27%。該機(jī)組5月份的水能利用率相對(duì)其他月份明顯較低，對(duì)比表2的各月數(shù)據(jù)，可以看到5月份機(jī)組的性能損失能量占比明顯偏高，是導(dǎo)致能量利用效率降低的主要原因。分析機(jī)組1-6月份各月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，見表3。

表3 機(jī)組1-6月主要運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.3 Main operation data for 1-6 months

從表3數(shù)據(jù)可以看到，受汛前水位控制影響，5月份電站水庫月平均水位相對(duì)較低，同時(shí)該月份的平均運(yùn)行出力13.02 萬kW也是各個(gè)月份中最低的，約為額定負(fù)荷的52.1%。機(jī)組5月份相對(duì)較低的運(yùn)行水頭和運(yùn)行出力，未運(yùn)行在能量利用效率較高的工況區(qū)，是導(dǎo)致機(jī)組性能損失能量占比偏高，機(jī)組水能利用率偏低的主要原因。

4 結(jié) 論

本文提出的方法對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的能效水平進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組能效性能的全過程量化評(píng)估，并通過量化計(jì)算各環(huán)節(jié)損失的能量，輔助分析機(jī)組能效變化的原因。通過實(shí)例初步分析表明分析結(jié)果是客觀、合理的，為水電站調(diào)度計(jì)劃制作、機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行控制、檢修維護(hù)計(jì)劃安排等提供依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

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