朱小山，蔣建剛

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 簡(jiǎn)介

1.1 機(jī)組轉(zhuǎn)換效率

機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率，是抽水蓄能電站的一個(gè)重要參數(shù)，它能體現(xiàn)出電站的總體設(shè)計(jì)是否合理，是否夠能最優(yōu)的發(fā)揮抽水蓄能的作用，直接反映抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行效率。抽水蓄能電站的循環(huán)效率受機(jī)組效率、水道效率、水庫(kù)滲漏、水庫(kù)蒸發(fā)等其他因素的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)組轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式是：η=發(fā)電量/抽水電量×100%。

1.2 全廠綜合效率

全廠綜合效率是全廠發(fā)電上網(wǎng)電量除以抽水受網(wǎng)電量。η=發(fā)電上網(wǎng)電量/抽水受網(wǎng)電量×100%。

2 歷年轉(zhuǎn)換效率分析

歷年轉(zhuǎn)換效率曲線見(jiàn)圖1。

圖1 歷年轉(zhuǎn)換效率曲線

（1）圖1中數(shù)據(jù)取自歷年發(fā)電量和抽水電量計(jì)算所得。

（2）從圖1曲線可以看出，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率總體呈逐年下降態(tài)勢(shì)。

（3）2006～2011年，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率保持在78.5%以上，呈緩慢下降趨勢(shì)，年平均降幅約0.05%。

（4）機(jī)組轉(zhuǎn)換效率下降降幅較大的年份發(fā)生在2012年和2014年，2012年下降0.49%，2014年下降達(dá)0.39%。

（5）2015～2019年，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率平均年下降0.12%。

3 影響機(jī)組轉(zhuǎn)換效率的因素

3.1 水頭對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)換效率的影響

由水輪機(jī)效率曲線可知，水輪機(jī)效率隨機(jī)組運(yùn)行水頭和所帶負(fù)荷的降低而降低。機(jī)組運(yùn)行時(shí)負(fù)荷設(shè)定值隨上庫(kù)水位變化而調(diào)整，高水頭高負(fù)荷發(fā)電效率高，低水頭低負(fù)荷發(fā)電效率低，一庫(kù)水發(fā)電運(yùn)行，發(fā)電機(jī)效率高低相差1.5%～2.0%，偏差隨著下庫(kù)水位的變化而變化。

通過(guò)查效率曲線，可統(tǒng)計(jì)出下庫(kù)各水位下水輪機(jī)運(yùn)行效率值，可知，下庫(kù)水位越高，機(jī)組運(yùn)行水頭區(qū)域下移，水輪機(jī)平均效率越低，且下降速率逐步加大。

由水泵效率曲線可知，機(jī)組水泵工況效率隨運(yùn)行水頭的升高而提高，高低水位抽水效率差值約為0.8%。下庫(kù)水位升高時(shí)，水泵工況運(yùn)行效率區(qū)整體下移，水泵效率線性下降，下庫(kù)水位每升高1 m，電動(dòng)機(jī)效率下降0.025%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，下庫(kù)各水頭下水泵工況平均效率見(jiàn)圖2。

圖2 水泵效率曲線

綜合水輪機(jī)和水泵效率，單純下庫(kù)水位變化引起的機(jī)組效率的變化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 下水庫(kù)水位轉(zhuǎn)換效率對(duì)照表

如圖3所示，下水庫(kù)水位除2011年和2014年上半年下水庫(kù)在相對(duì)低水位運(yùn)行，其他年度全年水位走勢(shì)基本重合，然而2014年機(jī)組效率是大幅下降的。由此可見(jiàn)下庫(kù)水位不是機(jī)組效率下降的主要因素。

圖3 各年度下庫(kù)水位趨勢(shì)對(duì)比圖

從圖4可以看出2011年～2020年下庫(kù)水位和效率變化圖形混亂，2012年、2013年、2015年、2016年有反比關(guān)系，其他年度成正比關(guān)系。由此可知，下庫(kù)水位不構(gòu)成影響效率的決定性因素。

圖4 各年度下庫(kù)平均水位趨勢(shì)對(duì)比圖

A修前后6年時(shí)間下庫(kù)水位變化對(duì)效率的影響大小見(jiàn)表2。

表2 A修前后機(jī)組轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)

由表2可知，A修前6年機(jī)組平均效率為78.74%，A修后6年平均效率為77.30%，效率下降1.44%，其中包含了A修因素導(dǎo)致的效率下降為0.97%，下庫(kù)水位不同（水位上升1.06 m）導(dǎo)致的效率下降0.47%，即下庫(kù)水位上升1 m導(dǎo)致效率下降約為0.44%（0.47×1.0/1.06）。

3.2 1號(hào)機(jī)A修對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響

機(jī)組A修對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)A修前后月度轉(zhuǎn)換效率來(lái)反映。表格中數(shù)據(jù)以每日電量為基礎(chǔ)，剔除其中多抽多發(fā)、單機(jī)運(yùn)行等非常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，保留其中兩臺(tái)機(jī)一次抽一庫(kù)水的情況下的轉(zhuǎn)換效率月度平均值。

由圖5可知，2012年機(jī)組A修前，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率平均為78.19%，A修后，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率平均為77.93%，轉(zhuǎn)換效率下降0.26%。由此推測(cè)1號(hào)機(jī)A修一定程度上降低了機(jī)組轉(zhuǎn)換效率，原因?yàn)檗D(zhuǎn)輪裂紋維修后，轉(zhuǎn)輪特性有所變化，水輪機(jī)/水泵效率有所下降。

圖5 2012年月度轉(zhuǎn)換效率曲線

3.3 2014年轉(zhuǎn)換效率異常下降

2014年機(jī)組轉(zhuǎn)換效率曲線見(jiàn)圖6。

圖6 2014年轉(zhuǎn)換效率曲線

曲線分析：

（1）2014年機(jī)組轉(zhuǎn)換效率總體呈下降趨勢(shì)，與典型年度曲線不一致。

（2）2014年5月，將上水庫(kù)低限水位由120 m調(diào)整至120.5 m，減少了機(jī)組在低水頭低效率區(qū)運(yùn)行時(shí)間，理論上機(jī)組轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該提升，但通過(guò)曲線未有體現(xiàn)。

（3）綜上分析，2014年效率下降仍然是轉(zhuǎn)輪裂紋維修所致。

3.4 機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)效率的影響

沙河電站屬于日調(diào)節(jié)電站，正常情況下夜間抽水，白天發(fā)電，典型循環(huán)日為一抽兩發(fā)，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間基本相同。根據(jù)電網(wǎng)需要，循環(huán)日會(huì)出現(xiàn)一日多抽，單機(jī)連續(xù)運(yùn)行等非常規(guī)運(yùn)行方式，這些方式下機(jī)組轉(zhuǎn)換效率會(huì)發(fā)生變化，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)來(lái)分析其規(guī)律（表3）。

表3 單、雙機(jī)電量、效率表電量單位：kW·h

在機(jī)組運(yùn)行條件基本一致的情況下，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，下午單機(jī)運(yùn)行循環(huán)日機(jī)組循環(huán)效率稍有提高，分析可能原因有：①單機(jī)運(yùn)行比雙機(jī)運(yùn)行減少了開(kāi)停機(jī)次數(shù)，減少了開(kāi)停機(jī)過(guò)程的流量損失，相應(yīng)的增加了發(fā)電量。②單機(jī)運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)凈水頭提高（同等條件下提高0.9 m），機(jī)組效率提高，發(fā)電量相應(yīng)增加。

3.5 無(wú)功調(diào)節(jié)對(duì)效率的影響

2015年底之前，沙河電站機(jī)組發(fā)電和抽水基本不進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。2016年以后，電網(wǎng)加大對(duì)并網(wǎng)電廠系統(tǒng)電壓的考核，為適應(yīng)新形勢(shì)下電網(wǎng)需求，電站制定了《220 kV母線電壓調(diào)節(jié)管理規(guī)定》，并及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)基本都發(fā)生在夜間抽水時(shí)段，基本以發(fā)出無(wú)功為主。機(jī)組抽水時(shí)發(fā)出無(wú)功功率，勵(lì)磁電流增大，機(jī)端計(jì)量的抽水電量將增加，進(jìn)而將降低機(jī)組轉(zhuǎn)換效率。下表是同等條件下機(jī)組抽水電量的統(tǒng)計(jì)表，可反映抽水電量與無(wú)功負(fù)荷之間的關(guān)系。

表4 無(wú)功、抽水電量對(duì)照表

同時(shí)，對(duì)比2015年8月和2016年10月電量數(shù)據(jù)，機(jī)組除了無(wú)功外運(yùn)行條件基本一致，2015年8月，機(jī)組抽水工況不進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，日均抽水電量66.4萬(wàn)kW·h；2016年10月，機(jī)組抽水工況頻繁進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，單機(jī)平均帶10 Mvar無(wú)功運(yùn)行，日均抽水電量67萬(wàn)kW·h，日抽水電量比2015年增加6 000 kW·h左右。

3.6 變壓器損耗的影響

計(jì)算用抽水電量取自機(jī)端，電量中包含有變壓器損耗、勵(lì)磁變、廠用電等使用電量，因此主變損耗的大小將直接影響機(jī)組轉(zhuǎn)換效率。已知兩臺(tái)主變空載損耗分別為48 kW和46.4 kW，兩臺(tái)主變每日空載損耗電量2 265.6 kW·h。

由于主變損耗無(wú)法直接測(cè)量，可通過(guò)歷史上的機(jī)組停運(yùn)日（或不發(fā)電少抽水日）的受網(wǎng)電量和廠用電量的差值間接推測(cè)。同時(shí)，沙河電站廠用電計(jì)量表計(jì)安裝在廠變低壓側(cè)，此差值包含主變損耗、廠用變損耗和勵(lì)磁變損耗，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 變壓器損耗統(tǒng)計(jì)表單位：kW·h

以上數(shù)據(jù)反映2臺(tái)主變空載損耗未有增加跡象，數(shù)值上也與主變銘牌數(shù)據(jù)吻合，可排除機(jī)組轉(zhuǎn)換效率下降是由主變損耗增加引起。

3.7 水泵工況導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)曲線的影響

機(jī)組抽水工況下，調(diào)速器根據(jù)水頭協(xié)聯(lián)曲線選擇相應(yīng)的開(kāi)度，如水頭測(cè)量發(fā)生偏差，將導(dǎo)致抽水時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響水泵抽水流量，而此時(shí)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率基本不變，隨之機(jī)組抽水效率將發(fā)生改變。表6統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)機(jī)組在各水頭下導(dǎo)葉開(kāi)度數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比分析，兩臺(tái)機(jī)抽水工況下水頭協(xié)聯(lián)曲線未發(fā)生變化，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)換效率的下降基本沒(méi)有影響。

圖7 抽水工況水頭、開(kāi)度協(xié)聯(lián)曲線

表6 機(jī)組水頭、導(dǎo)葉抽樣開(kāi)度統(tǒng)計(jì)表水位、水頭單位：m

3.8 環(huán)境溫度對(duì)效率的影響

統(tǒng)計(jì)2006年以來(lái)機(jī)組轉(zhuǎn)換效率月度曲線可以看出，典型年度轉(zhuǎn)換效率曲線為中間高兩頭低，與年度氣溫度變化曲線一致。由此推測(cè)，機(jī)組轉(zhuǎn)換效率隨氣溫的升高而增高，隨著氣溫的降低而降低。歷年均值比較，年度最高和最低相差0.4%。分析造成此規(guī)律的原因有：①根據(jù)機(jī)組發(fā)電能量轉(zhuǎn)換方式氣溫升高時(shí)，水的密度ρ降低,同等功率、水頭和流量下機(jī)組發(fā)電效率增高。②迎峰度夏期間，白天會(huì)增加抽水，機(jī)組增加高效率區(qū)運(yùn)行時(shí)間，也增加了機(jī)組轉(zhuǎn)換效率。

機(jī)組發(fā)電時(shí)能量轉(zhuǎn)換方程為

式中，P為發(fā)電機(jī)輸出有功功率（kW）；ρ為水的密度（103kg/m3）；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋╩/s2）；Q為發(fā)電流量（m3/s）；H為水輪機(jī)凈水頭，ηt為水輪機(jī)效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

圖8 機(jī)組轉(zhuǎn)換效率月度曲線

圖9 歷年轉(zhuǎn)換效率月度均值

3.9 水道損耗的影響

抽水蓄能電站上、下庫(kù)的位置和地形條件決定了電站水頭和電站輸水水道的長(zhǎng)度。在電站水頭損失中，水道水頭損失占一定比例，且損失大小與水道的長(zhǎng)度成正比，水道越短水頭損失越小，水道的效率越高。沙河電站上游引水隧洞長(zhǎng)670 m。近年來(lái)，電站監(jiān)測(cè)水道孔隙壓力呈逐年下降趨勢(shì)，故可認(rèn)為電站水道損失未發(fā)生變化。

圖10 輸水管道孔隙壓力

3.10 水庫(kù)降雨和蒸發(fā)的影響

沙河電站上水庫(kù)位于北半球亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡地帶，屬季風(fēng)型氣候，干濕冷暖四季分明，雨量豐沛，日照充足，氣候宜人。據(jù)溧陽(yáng)市氣象局50年氣象觀測(cè)記錄資料顯示：年平均降水量1 133.6 mm，雨133 d。上水庫(kù)總集雨面積為17.8萬(wàn)m2，折合發(fā)電量59.63萬(wàn)kW·h。2016年常州地區(qū)降水量達(dá)創(chuàng)紀(jì)錄的2 165.2 mm，折合發(fā)電量113.89萬(wàn)kW·h。

根據(jù)溧陽(yáng)市氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均年水面蒸發(fā)量為946.5 mm，年內(nèi)以7月份蒸發(fā)量最大，達(dá)到154.4 mm，1月份最小，僅34.6 mm。正常蓄水136 m時(shí)的水庫(kù)面積為14.5萬(wàn)m2，折合發(fā)電量40.56萬(wàn)kW·h。

3.11 水庫(kù)滲漏的影響

沙河電站上水庫(kù)正常蓄水位136 m，正常消落水位120 m，死水位116 m，總庫(kù)容262.27萬(wàn)m3，有效庫(kù)容236.20萬(wàn)m3，死庫(kù)容26.07萬(wàn)m3。上水庫(kù)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，量水堰觀測(cè)平均滲漏量為4.85 L/s，可以粗略計(jì)算出年滲漏量為15.29萬(wàn)m3，折合年發(fā)電量損失45.2萬(wàn)kW·h。

圖11 上庫(kù)壩角滲漏曲線

4 轉(zhuǎn)換效率下降綜述

抽水蓄能電站的循環(huán)效率受機(jī)組效率、變壓器損耗、水道損耗、水庫(kù)滲漏、水庫(kù)蒸發(fā)等各種因素綜合影響。通過(guò)以上分析，變壓器損耗、水道損耗等機(jī)組以外因素未發(fā)生明顯惡化跡象，可推測(cè)轉(zhuǎn)換效率下降由機(jī)組效率下降引起。對(duì)電站機(jī)組轉(zhuǎn)換影響較大的有：①機(jī)組A修轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)后，轉(zhuǎn)輪特性發(fā)生改變，是機(jī)組效率下降的主要因素；② 機(jī)組轉(zhuǎn)換效率隨下庫(kù)水位的變化而變化；③運(yùn)行方式的調(diào)整，無(wú)功負(fù)荷的大小也產(chǎn)生一定的影響。

5 建議

1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪于2021年進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造，2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪計(jì)劃于2023年進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造，建議A修前后進(jìn)行單機(jī)效率試驗(yàn)，以掌握更精確的數(shù)據(jù)。

（1）與調(diào)度溝通協(xié)調(diào)，盡量在較高水頭運(yùn)行。

（2）與沙河水庫(kù)溝通協(xié)調(diào)，盡量維持沙河水庫(kù)在低水位。