常規(guī)水電站節(jié)能評估的能量轉(zhuǎn)換分析與計算

王婷婷，李曉偉

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京100024)

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常規(guī)水電站節(jié)能評估的能量轉(zhuǎn)換分析與計算

王婷婷，李曉偉

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京100024)

以水電站的能源轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析其能源輸入、輸出種類；以電站運(yùn)行流程為時間軸，劃分能源利用單元；以水能的標(biāo)煤轉(zhuǎn)換為切入點(diǎn)，編制能量平衡表，核算水電站的綜合能耗指標(biāo)，為水電站工程項目能效水平評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

能量平衡計算；能源轉(zhuǎn)換；節(jié)能評估；水電站

0 引 言

《固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查暫行辦法》(國家發(fā)改委2010年第6號令)明確提出，年電力消費(fèi)量500萬kW·h以上的固定資產(chǎn)投資項目，應(yīng)單獨(dú)編制節(jié)能評估報告書，節(jié)能審查按照項目管理權(quán)限實行分級管理。固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估文件及其審查意見等，作為項目審批、核準(zhǔn)或開工建設(shè)的前置性條件以及項目設(shè)計、施工和竣工驗收的重要依據(jù)。

按該辦法有關(guān)要求，即使按年發(fā)電2 000 h考慮，裝機(jī)容量大于2 500 kW以上的常規(guī)水電站就應(yīng)單獨(dú)編制節(jié)能評估報告書。即，一般大中型水電站項目均需在核準(zhǔn)前編制節(jié)能評估報告并通過審查。

然而，傳統(tǒng)水電站的節(jié)能減排設(shè)計是將電站放在整個電網(wǎng)中進(jìn)行電力電量平衡分析的，通過替代火電的方法計算系統(tǒng)節(jié)約煤耗，進(jìn)而分析減排指標(biāo)，即以整個電力系統(tǒng)為研究目標(biāo)；同時，以往的節(jié)能評估多用于煤炭、鋼鐵、化工、火力發(fā)電等以污染型能源的開采、生產(chǎn)、利用為主的行業(yè)，水電站這類清潔能源的節(jié)能評估尚未開展相關(guān)研究工作。

常規(guī)水電站的節(jié)能評估需以水電站自身為研究對象，如何將水電站納入到一個系統(tǒng)工程的能源轉(zhuǎn)換分析中，并將能量平衡、能耗分析等通則應(yīng)用到水電站的實際情況中，均為亟待解決的問題。

經(jīng)研究，以水電站的能源轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析其能源輸入、輸出種類；以電站運(yùn)行流程為時間軸，劃分能源利用單元；以水能的標(biāo)煤轉(zhuǎn)換為切入點(diǎn)，編制能量平衡表，核算電站的綜合能耗指標(biāo)，為項目能效水平評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 水電站能源轉(zhuǎn)換過程及消耗種類

1.1 能源轉(zhuǎn)換原理

常規(guī)水電站屬于以清潔能源為基礎(chǔ)的電源建設(shè)項目，其特點(diǎn)不僅在于以可再生的水資源為“原料”的發(fā)電項目，更主要的是能夠通過能量轉(zhuǎn)換改善系統(tǒng)電力質(zhì)量，并能發(fā)揮調(diào)頻調(diào)相等輔助功能，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

水電站的主要工程任務(wù)之一就是發(fā)電，即利用大壩蓄水抬高水位或利用河道天然落差所產(chǎn)生的水力勢能，通過水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電過程為“水能→水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能→發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能→變壓器升壓→輸電線路輸送到電網(wǎng)”。水電站能源轉(zhuǎn)換過程見圖1。

圖1 水電站能源轉(zhuǎn)換過程示意

由于水力發(fā)電只是利用水流所攜帶的勢能，無需再消耗其他動力資源，且上游梯級使用過的水流仍可為下游梯級利用。另外，由于水電站設(shè)備比較簡單，其檢修、維護(hù)費(fèi)用也較同容量的火電廠低得多，如計及燃料消耗在內(nèi)，火電廠的年運(yùn)行費(fèi)用約為同容量水電站的10～15倍?？梢?，水力發(fā)電是利用可再生清潔能源獲取“綠色電力”的有效途徑。

1.2 水電站能源消耗種類

水電站利用大壩蓄水或天然河道落差的勢能發(fā)電，其能源消耗種類主要有水能、電能、柴油、汽油等。其中，水能損耗主要發(fā)生在加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的廠道部分；電能損耗主要包括加工轉(zhuǎn)換設(shè)備(即水輪發(fā)電機(jī)組)能量轉(zhuǎn)換過程及其附屬設(shè)備所消耗的電能，以及電能輸送設(shè)備(主變壓器、封閉母線、GIS及高壓電纜)和輔助生產(chǎn)設(shè)備的電能損耗，附屬生產(chǎn)、生活設(shè)施所需的電能；汽油、柴油乃至液化石油氣均發(fā)生在附屬生產(chǎn)、生活設(shè)施中，其中柴油主要供應(yīng)于柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源和交通工具，汽油主要供應(yīng)于運(yùn)行期交通工具的使用，如考慮運(yùn)行期電廠建設(shè)食堂等情況，還需考慮液化石油氣的損耗。

1.3 能源利用單元

考慮常規(guī)水電站特點(diǎn)，將能源利用過程分為購入儲存、加工轉(zhuǎn)換、輸送分配和最終使用4個階段。

購入貯存：水能的購入貯存階段指水電站壩址以上來水形成的水力勢能。

加工轉(zhuǎn)換：水電站加工轉(zhuǎn)換過程分為水力工況和發(fā)電工況兩個。其中，水力工況主要是水力勢能經(jīng)廠道系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗幽?，能量損耗主要為廠道系統(tǒng)由摩擦等引起水力損耗；發(fā)電工況主要是水力動能經(jīng)過水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量損耗主要包括水輪機(jī)的機(jī)械損耗、發(fā)電機(jī)的電磁損耗等。

輸送分配：電力輸送分配過程中的變壓器、母線、電纜損耗等。

最終使用：水電站最終用能環(huán)節(jié)可劃分為上網(wǎng)電量、照明、采暖通風(fēng)及消防給排水系統(tǒng)設(shè)備、水力機(jī)械及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備及棄水。電站由于自身調(diào)節(jié)性能和電網(wǎng)需要，存在部分未利用水能和損失水能，如發(fā)電棄水等，此部分能量可歸入最終使用的“棄水”環(huán)節(jié)。電力、柴油、汽油的最終使用階段指各用能單位對能源的最終消耗利用。根據(jù)不同的用能單位、設(shè)備情況，能源的利用狀況存在很大差別，應(yīng)根據(jù)不同的工序具體分析。

2 能量平衡計算

2.1 計算原則

采用能量平衡表計算水電站的綜合能耗指標(biāo)。計算原則如下：

(1)能量平衡表的數(shù)據(jù)，除各種能源的實物量及等價值外，均是能源的當(dāng)量值。能源等價值與當(dāng)量值的計量單位均為t(標(biāo)準(zhǔn)煤)。

(2)表中各種能源的當(dāng)量值總量應(yīng)保持平衡；供入能量與有效能量及損失能量之和保持平衡。

2.2 能量轉(zhuǎn)換平衡計算

根據(jù)上述能源利用單元的劃分，以購入儲存、加工轉(zhuǎn)換、輸送分配和最終使用四個階段為橫坐標(biāo)，供入能量、有效能量、損失能量為縱坐標(biāo)，編制水電站的能量轉(zhuǎn)換平衡表，水電站通用平衡表見表1。

2.3 計算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

(1)水能的供入及消耗。水能初始值的估算及標(biāo)煤轉(zhuǎn)換是能量平衡分析的切入點(diǎn)。首先，水力勢能E=mgh=ρVgh。其中，m為質(zhì)量，可考慮用壩址處年徑流量計算；g為重力加速度；h為高度，可考慮采用電站多年平均運(yùn)行水頭，或者以額定水頭進(jìn)行估算。其次，將勢能轉(zhuǎn)換為能源當(dāng)量值。1 kg標(biāo)煤轉(zhuǎn)換為29 260 kJ。將轉(zhuǎn)換后的水能當(dāng)量值放入平衡計算表的供入能量相應(yīng)序列，為水電站能量轉(zhuǎn)換計算提供起始依據(jù)。水能的主要損耗發(fā)生在加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的水力工況，可考慮用采用水頭損失系數(shù)進(jìn)行估算；此外，最終使用環(huán)節(jié)包含了部分棄水損失的能量。

表1 水電站能量平衡 t

注：表中供入能量=有效能量+損失能量；能量利用率ηe=(有效能量的當(dāng)量值E2/供入能量的當(dāng)量值E1)×100%；能源利用率ηd=(有效能量的當(dāng)量值E2/供入能量的等價值E1d)×100%。

(2)電能的供入及消耗。電能初始值發(fā)生在加工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的機(jī)械工況，其有效能量應(yīng)與電站多年平均發(fā)電量相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，電能損失應(yīng)根據(jù)各環(huán)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)換效率等綜合分析確定。

(3)其他能源的供入及消耗。汽油、柴油等其他能源的供入、消耗能量需根據(jù)電站規(guī)模，擬定應(yīng)急電源、交通工具等附屬生產(chǎn)、生活設(shè)施規(guī)模，分項計算。

3 案例分析

犍為航電樞紐工程是岷江下游河段(樂山-宜賓)航電規(guī)劃的第3個梯級，總裝機(jī)容量為500 MW，Ⅲ 級船閘通航1 000 t級船舶。該工程的能量分析較一般水電站，還應(yīng)考慮航運(yùn)的能量變化。

3.1 能量平衡計算

該工程電站裝機(jī)容量500 MW，額定水頭12.5 m，多年平均發(fā)電量為21.86億kW·h。根據(jù)岷江流域徑流分析成果，壩址處多年平均流量為2 520 m3/s，即年徑流量為794.71億m3。水力勢能的水頭按照本電站額定水頭考慮，即水頭為12.5 m。即該工程年所具備的水力勢能為9.74×1012kJ，按當(dāng)量值計算合標(biāo)煤為332 585 t。

水電站能量轉(zhuǎn)換過程中的水能損耗主要包括廠道系統(tǒng)的水力損耗和水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程中的水能損耗及發(fā)電棄水和航運(yùn)過程的水能損耗。

廠道系統(tǒng)的水力損耗主要指在水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電前，水能沿輸水系統(tǒng)所發(fā)生的能量損失。經(jīng)估算本電站水能損耗率約為4%，即水力損耗以標(biāo)煤計為13 303 t，相當(dāng)于水能3.89×1011kJ。

此外，在機(jī)械工況下，部分水能通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)械能，機(jī)械能作用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生部分水能損耗和機(jī)械能損耗。因此水輪機(jī)部分的轉(zhuǎn)換效率考慮為93.5%，電動機(jī)轉(zhuǎn)換效率考慮為98.2%，經(jīng)估算本電站機(jī)械工況的水能損耗相當(dāng)于標(biāo)煤23 940 t。

根據(jù)該項目航運(yùn)、發(fā)電調(diào)度原則，及天然來水情況，存在部分水能的損失，經(jīng)估算該部分水能損耗相當(dāng)于標(biāo)煤約26 725 t。作為項目加工轉(zhuǎn)換輸出的有效能量為電力，即該電站每年可轉(zhuǎn)換電能以標(biāo)煤計約為268 616 t，相應(yīng)電力約21.86億kW·h，即該項目的設(shè)計多年平均發(fā)電量。

經(jīng)測算，該工程在購入貯存環(huán)節(jié)的能量利用率為100%；在加工轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的水力工況的能量利用率為96.00%，機(jī)械工況的能量利用率為92.50%；在輸送分配環(huán)節(jié)和損耗的能量利用率為99.50%；在最終使用環(huán)節(jié)的能量利用率為90.89%。整個項目的能量利用率為80.31%，其中水能利用率為88.3%，均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

3.2 成果分析

計算表明，該工程建成后運(yùn)行期年綜合耗能按等價值計算折合標(biāo)煤為6 996.02 t，年發(fā)電收入為148 580萬元，則單位產(chǎn)值綜合能耗標(biāo)煤為0.047 t/萬元，與2012年四川省單位GDP能耗1.133 t/萬元相比，降低了1.086 t /萬元。年發(fā)電量為21.86億kW·h，單位產(chǎn)量綜合能耗以標(biāo)煤計為0.032t/(萬kW·h)，該地區(qū)100 MW等級機(jī)組的供電標(biāo)煤煤耗先進(jìn)水平為4.23 t /(萬kW·h)。水能在能量轉(zhuǎn)換前標(biāo)準(zhǔn)煤的當(dāng)量值為332 585 t，考慮航運(yùn)及棄水后加工轉(zhuǎn)換為電力的標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量值268 779 t水能轉(zhuǎn)換效率為80.82%，高于2012年四川省的能源加工轉(zhuǎn)換效率74.12%。

四川省十二五期間能耗增加值按標(biāo)煤計約為8 509萬t,因此該項目新增能源消費(fèi)量占所在地“十二五”能源消費(fèi)增量的0.008%。即項目增加值能耗影響所在地能源消耗增量的比例(m值)為0.008，比重遠(yuǎn)小于1%，說明該項目對四川省能源消耗總量影響較小。項目增加值能耗影響所在地單位GDP能耗的比例(n值)為-0.08，說明本項目不僅對四川省單位GDP能耗沒有消極影響，而且能夠有效降低本地區(qū)的單位GDP能耗。

4 結(jié) 語

(1)水電站的主要工程任務(wù)之一就是水能轉(zhuǎn)換為電能。其能源消耗種類主要有水能、電能、柴油、汽油等。

(2)將常規(guī)水電站的能源利用過程分為購入儲存、加工轉(zhuǎn)換、輸送分配和最終使用四個階段，是水電站能量轉(zhuǎn)換平衡分析的有效途徑之一。

(3)能量平衡表是水電站能量平衡分析的有效計算方法，是能耗綜合指標(biāo)計算的依據(jù)。

(4)案例水電站各項綜合能耗指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，尤其是在能量轉(zhuǎn)換效率、單位產(chǎn)量綜合能耗、項目增加值能耗影響所在地能源消耗增量的比例、項目增加值能耗影響所在地單位GDP能耗的比例等方面，遠(yuǎn)優(yōu)于國家及地方相關(guān)指標(biāo)，例證也證明水電站是清潔能源，其建設(shè)是發(fā)展清潔能源推進(jìn)節(jié)能減排的有效途徑。

(5)能量供入、損失的估算方法簡單易操作，但精確度較差，建議下一步開展相關(guān)精細(xì)研究；進(jìn)一步細(xì)化能量利用單元的劃分方式的研究。

[1]國家發(fā)展改革委資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)司等. 固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查工作指南[M]. 北京： 中國市場出版社， 2014．

[2]顏芳. 工業(yè)固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估程序探討[J]. 中國能源， 2010， 32(8)： 37- 39．

[3]王侃宏， 侯佳松， 戚高啟. 淺析中國固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 能源與節(jié)能， 2011 (6)： 25- 27．

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[8]GB/T 28751—2012 企業(yè)能量平衡表編制方法[S].

(責(zé)任編輯 陳 萍)

Energy Conservation Analysis and Computation for Energy-saving Evaluation of Conventional Hydropower Station

WANG Tingting, LI Xiaowei

(PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Based on the principle of hydropower’s energy conversion, the energy input and output types are systematically analyzed. Taking the operation process of hydropower station as timeline, the energy utilization units are divided. Taking the conversion between standard coal and water energy as starting point, the energy balance table is prepared. Based on above analyses, the comprehensive energy consumption indexes of hydropower station are evaluated which will provide the basis for the assessment of hydropower project energy efficiency．

energy balance calculation; energy conversion; energy-saving evaluation; hydropower station

2015- 10- 18

王婷婷(1978—)，女，山西太原人，高級工程師，主要從事動能經(jīng)濟(jì)、水資源綜合規(guī)劃等工作．

TV741

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0559- 9342(2016)06- 0080- 04