變速抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)維成本分析

曹 飛，牛翔宇，李慧軍，趙杰君

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

變速抽水蓄能機(jī)組的抽水功率可調(diào)，在配合電網(wǎng)運(yùn)行與提高抽水蓄能電站自身運(yùn)行性能兩方面均比定速抽水蓄能機(jī)組更有優(yōu)勢(shì)。到目前為止，我國(guó)所有在運(yùn)的蓄能電站均采用常規(guī)的定速機(jī)組，對(duì)連續(xù)變速抽水蓄能機(jī)組的建設(shè)與運(yùn)行、管理尚處空白。

2014年以來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策鼓勵(lì)抽水蓄能建設(shè)，并且鼓勵(lì)創(chuàng)新工程建設(shè)技術(shù)、提升設(shè)備技術(shù)能力，明確了要重點(diǎn)開(kāi)展變速機(jī)組等技術(shù)攻關(guān)。在此背景下，我國(guó)正迎來(lái)抽水蓄能事業(yè)的蓬勃發(fā)展期，變速機(jī)組的研究與應(yīng)用也成為一個(gè)熱點(diǎn)。近年來(lái)我國(guó)變速機(jī)組技術(shù)研究主要集中在機(jī)組結(jié)構(gòu)、機(jī)組的調(diào)節(jié)性能等方面。關(guān)于變速機(jī)組運(yùn)維成本的分析研究非常少見(jiàn)，本文在分析我國(guó)在運(yùn)的定速機(jī)組抽水蓄能電站運(yùn)維成本基礎(chǔ)上，對(duì)比變速機(jī)組與定速機(jī)組結(jié)構(gòu)上的差異，結(jié)合變速機(jī)組的運(yùn)行資料數(shù)據(jù)，對(duì)變速機(jī)組的運(yùn)維成本進(jìn)行分析。

1 抽水蓄能電站的運(yùn)維成本構(gòu)成

1.1 抽水蓄能電站運(yùn)維成本構(gòu)成

抽水蓄能電站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)主要指項(xiàng)目竣工投產(chǎn)后每年需要支出的各種經(jīng)常性費(fèi)用，其中包括材料費(fèi)、燃料及動(dòng)力費(fèi)、修理費(fèi)等[1]。

1.1.1 外購(gòu)原材料和燃料動(dòng)力費(fèi)

水力發(fā)電材料費(fèi)主要包括發(fā)電主設(shè)備、水工建筑物、公用系統(tǒng)及輔助設(shè)備、生產(chǎn)建筑物及附屬設(shè)施的日常運(yùn)行、維護(hù)、消缺、環(huán)衛(wèi)等材料成本費(fèi)用，以單位千瓦材料費(fèi)計(jì)，根據(jù)機(jī)組容量等級(jí)、機(jī)組型式等進(jìn)行取值。

圖1 7座在運(yùn)抽水蓄能電站運(yùn)維成本費(fèi)用

1.1.2 修理費(fèi)

修理費(fèi)是指為保持固定資產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，充分發(fā)揮使用效能，對(duì)其進(jìn)行必要修理所發(fā)生的費(fèi)用。修理費(fèi)主要是指發(fā)電主設(shè)備、公用系統(tǒng)及輔助設(shè)備、生產(chǎn)建筑物及附屬設(shè)施的檢修所發(fā)生的費(fèi)用、特殊項(xiàng)目檢修費(fèi)等四部分。

等級(jí)檢修費(fèi)指為恢復(fù)或提高水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主變壓器、機(jī)組控制裝置等設(shè)備及其附屬設(shè)備技術(shù)性能、指標(biāo)，維持設(shè)備設(shè)施健康而實(shí)施的機(jī)組周期性或根據(jù)機(jī)組設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，有針對(duì)性地實(shí)施的等級(jí)檢修所需的備品備件、工器具和材料費(fèi)。

公用及輔助系統(tǒng)檢修費(fèi)指公用系統(tǒng)大修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目所需的材料費(fèi)、工器具和備品備件等。

生產(chǎn)生活建筑設(shè)施檢修費(fèi)指生產(chǎn)生活建筑設(shè)施檢修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目所需的材料費(fèi)、工器具和備品備件等。

特殊檢修費(fèi)指沒(méi)有周期規(guī)律的機(jī)組非標(biāo)項(xiàng)目及大型檢修工程項(xiàng)目所需材料費(fèi)、工器具和備品備件。

1.1.3 工資及福利費(fèi)

工資及福利費(fèi)是抽水蓄能電站職工參與電站運(yùn)行管理工作所獲取的報(bào)酬以及醫(yī)療、補(bǔ)助等其他福利。

1.2 抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)維成本分析

對(duì)我國(guó)在運(yùn)的A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)抽水蓄能電站運(yùn)維費(fèi)用主要包括修理費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)備檢測(cè)費(fèi)、委托運(yùn)維費(fèi)(運(yùn)檢)等。A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能電站的裝機(jī)容量分別為80萬(wàn)、100萬(wàn)、120萬(wàn)、180萬(wàn)、100萬(wàn)、100萬(wàn)、120萬(wàn)kW，7座電站2012年～2017年的運(yùn)維成本費(fèi)用數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

在我國(guó)抽水蓄能電站現(xiàn)行運(yùn)行檢修制度下，7座抽水蓄能電站的運(yùn)維成本費(fèi)用與各自裝機(jī)規(guī)模、電站在電網(wǎng)內(nèi)承擔(dān)的任務(wù)以及機(jī)組的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等因素均有關(guān)系。修理費(fèi)和委托運(yùn)維費(fèi)是運(yùn)維成本費(fèi)用中的主要部分，合計(jì)占總運(yùn)維成本費(fèi)用的75%左右，而材料費(fèi)與設(shè)備檢測(cè)費(fèi)占總運(yùn)維成本費(fèi)用的25%左右。

根據(jù)7座電站的運(yùn)維成本費(fèi)用分析，各電站的修理費(fèi)在2012年到2017年之間略有增長(zhǎng)，這與近年來(lái)抽水蓄能電站在我國(guó)電網(wǎng)中的作用越來(lái)越突出、運(yùn)行時(shí)間有所增加相關(guān)。剔除修理費(fèi)最高的D電站以及最低的G電站后，其余5座電站的年平均修理費(fèi)約為17元/kW。各電站年材料費(fèi)相對(duì)較為固定，年平均材料費(fèi)為5元/kW左右。各電站每年的設(shè)備檢測(cè)費(fèi)與材料費(fèi)接近，年平均設(shè)備檢測(cè)費(fèi)也為5元/kW左右。各電站委托運(yùn)維費(fèi)是運(yùn)維成本費(fèi)用中的第二大項(xiàng)，年平均委托運(yùn)維費(fèi)為12元/kW左右。

圖2 某電站變速與定速機(jī)組發(fā)電-電動(dòng)機(jī)截面對(duì)比(尺寸單位：mm;高程單位：m)

2 變速機(jī)組與定速機(jī)組的結(jié)構(gòu)對(duì)比

雖然抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用歷史已經(jīng)有100年以上，但對(duì)其容量、控制策略、應(yīng)用領(lǐng)域等方面性能的改進(jìn)從未停止過(guò)。從20世紀(jì)90年代起抽水蓄能技術(shù)最重要的進(jìn)步是可變速化的實(shí)現(xiàn)[2]。變速機(jī)組與定速機(jī)組相比，最大的區(qū)別在于機(jī)組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)抽水入力可調(diào)，無(wú)論是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平還是提高資源利用率，均具有現(xiàn)實(shí)意義。

變速抽水蓄能機(jī)組通常分為兩類(lèi)：轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式——在發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組側(cè)(二次繞組)加裝變換裝置；定子繞組頻率調(diào)節(jié)方式——發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組側(cè)(一次回路)設(shè)置變換裝置。盡管定子繞組頻率調(diào)節(jié)方式有應(yīng)用實(shí)例，但此種方式要求變換器的容量與發(fā)電電動(dòng)機(jī)的容量一致，使系統(tǒng)造價(jià)增大，因此一般多采用轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式[2，4]。

交流勵(lì)磁變速電機(jī)的定子與傳統(tǒng)同步電機(jī)相同，而轉(zhuǎn)子通常采用三相對(duì)稱(chēng)分布的勵(lì)磁繞組，并通過(guò)集電環(huán)、電刷裝置和一套交-交變頻器相連。通過(guò)交流變頻器將勵(lì)磁頻率變換成正負(fù)幾個(gè)赫茲而形成一個(gè)可變頻率和方向的交流磁場(chǎng)。由于定子外界磁場(chǎng)頻率保持為50 Hz不變，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n2(n2=60f2/p，p為磁極對(duì)數(shù))，此時(shí)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速nr=n1-n2(n1為從定子側(cè)看，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度)，改變轉(zhuǎn)子頻率f2可達(dá)到變速的目的[2，4]。

與定速抽水蓄能機(jī)組相同，變速抽水蓄能機(jī)組系統(tǒng)也是由水泵-水輪機(jī)、發(fā)電-電動(dòng)機(jī)、變頻器、控制系統(tǒng)組成。對(duì)于變速機(jī)組的發(fā)電-電動(dòng)機(jī)，其定子與定速機(jī)組的相同，轉(zhuǎn)子由圓筒狀(鐵芯)及外圍的三相勵(lì)磁繞組組成，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即由三相交流勵(lì)磁電流在轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。變速機(jī)組的集電環(huán)為三相環(huán)。變速機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)為三相交流勵(lì)磁電流型，其特點(diǎn)是低頻(低于5 Hz)、大電流以及高壓輸出[5，6]。變速機(jī)組的水泵水輪機(jī)與定速機(jī)組的大體相同。某抽水蓄能電站變速機(jī)組與定速機(jī)組發(fā)電-電動(dòng)機(jī)截面對(duì)比見(jiàn)圖2。

變速機(jī)組與定速機(jī)組兩種機(jī)型的系統(tǒng)組成大體相當(dāng)，機(jī)組的大小尺寸較為接近。二者的主要差異是變速機(jī)組的轉(zhuǎn)子樣式與定速機(jī)組有所不同，另外變速機(jī)組的勵(lì)磁變頻裝置較大。由變速機(jī)組與定速機(jī)組的結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，變速機(jī)組運(yùn)行后的運(yùn)維檢修對(duì)象與定速機(jī)組基本一致，最大的區(qū)別在于因變速機(jī)組的勵(lì)磁變頻裝置較大，可能導(dǎo)致相應(yīng)的檢修內(nèi)容有所增加。

3 變速機(jī)組的運(yùn)維成本費(fèi)用分析

變速機(jī)組除了具備在抽水工況自動(dòng)調(diào)整輸入功率這項(xiàng)最突出的功能，與定速機(jī)組相比還有諸多優(yōu)勢(shì)。首先變速機(jī)組具有更高的運(yùn)行效率，有關(guān)資料顯示，采用變速機(jī)組后，在水泵水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)通?？商岣咚啓C(jī)工況效率3%～10%。例如日本大河內(nèi)電站機(jī)組水輪機(jī)工況下，變速機(jī)組較定速機(jī)組提高效率3.4%。其次，變速機(jī)組全面改善了水泵水輪機(jī)的運(yùn)行條件，主要體現(xiàn)為水泵水輪機(jī)運(yùn)行空化限制條件和空蝕、泥沙磨損條件得到改善，以及水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的提高等方面[4]。此外，變速機(jī)組還具有提供頻率自動(dòng)控制容量、實(shí)現(xiàn)有功功率的高速調(diào)節(jié)、使用變頻交流勵(lì)磁裝置代替SFC進(jìn)行水泵工況啟動(dòng)、適應(yīng)更寬水頭范圍等多方面優(yōu)勢(shì)。

變速機(jī)組的優(yōu)越性能使得其往往能夠獲得比定速機(jī)組更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)全世界各個(gè)同時(shí)安裝定速機(jī)組與變速機(jī)組的抽水蓄能電站運(yùn)行情況，變速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間明顯大幅度領(lǐng)先于定速機(jī)組。尤其是抽水工況，變速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于定速機(jī)組。即便是某些電站已經(jīng)考慮了變速機(jī)組與定速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的均衡性，變速機(jī)組這種運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)仍然非常顯著。日本矢木澤抽水蓄能電站變速機(jī)組較定速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間多20%～30%；日本葛野川抽水蓄能電站4號(hào)變速機(jī)組14個(gè)月累積運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為1號(hào)定速機(jī)組的5倍；根據(jù)德國(guó)金谷抽水蓄能電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，其兩臺(tái)變速機(jī)組10年累積運(yùn)行歷時(shí)約為兩臺(tái)定速機(jī)組的1.25倍，而抽水工況下的運(yùn)行時(shí)間高達(dá)1.33倍。

由于抽水蓄能電站的運(yùn)維成本對(duì)于全世界來(lái)說(shuō)均是商業(yè)機(jī)密，難以了解變速抽水蓄能機(jī)組的真實(shí)運(yùn)維成本數(shù)據(jù)。但經(jīng)過(guò)調(diào)研以及對(duì)有關(guān)公開(kāi)資料的查閱，變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)并沒(méi)有帶來(lái)檢修費(fèi)用的增加。變速機(jī)組與定速機(jī)組兩者的運(yùn)行、工作內(nèi)容、維護(hù)周期基本相同，僅僅是變速機(jī)組的勵(lì)磁變頻裝置較大可能造成勵(lì)磁變頻裝置部分的檢修費(fèi)用會(huì)有所增加。日本奧清津抽水蓄能電站二期1號(hào)機(jī)組為定速機(jī)組，2號(hào)機(jī)組為變速機(jī)組，變速機(jī)組的機(jī)械部分增加的主要運(yùn)維工作是4年一次的更換清洗變頻裝置的冷卻水濾芯。檢修每?jī)赡赀M(jìn)行一次，費(fèi)用視設(shè)備的狀態(tài)不同而不同。

與定速機(jī)組相比，由于變速機(jī)組改善了水泵水輪機(jī)的運(yùn)行工況條件，其主要運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，因而氣蝕與泥沙磨損的狀況大大地減輕，機(jī)組機(jī)械故障率可降低，可延長(zhǎng)大修周期，檢修工作量也相應(yīng)減少，水泵水輪機(jī)壽命也會(huì)延長(zhǎng)[7]。日本矢木澤抽水蓄能電站變速機(jī)組與定速機(jī)組水泵水輪機(jī)的空蝕和易損件的磨損量相同或更少，尤其在合適的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變速機(jī)組的磨損量可減少50%；日本鹽原抽水蓄能電站在0～300 MW出力范圍內(nèi)，變速機(jī)組的振幅約為定速機(jī)組的50%。

綜合分析，安裝變速機(jī)組的抽水蓄能電站在電站定員以及員工工資福利方面與定速機(jī)組抽水蓄能電站沒(méi)有差別，二者運(yùn)維成本中的工資福利費(fèi)一致。變速機(jī)組抽水蓄能電站的運(yùn)維成本費(fèi)用主要也是由修理費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)備檢測(cè)費(fèi)、委托運(yùn)維費(fèi)等組成。變速機(jī)組運(yùn)維成本中的增量部分是其特殊的勵(lì)磁變頻裝置可能帶來(lái)的檢修費(fèi)用增加[8]，運(yùn)維成本的減量部分是長(zhǎng)期運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)帶來(lái)的氣蝕與泥沙磨損狀況減輕、機(jī)組機(jī)械故障率降低。但不能忽視變速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較定速機(jī)組提高了20%以上，在此情況下，變速機(jī)組運(yùn)行運(yùn)維成本費(fèi)用與定速機(jī)組相近。根據(jù)對(duì)我國(guó)七座在運(yùn)抽水蓄能電站運(yùn)維成本費(fèi)用的分析成果，在我國(guó)現(xiàn)行抽水蓄能電站運(yùn)維制度下，變速機(jī)組抽水蓄能電站若投入電網(wǎng)運(yùn)行，其年平均合計(jì)運(yùn)維成本也應(yīng)在40元/kW以?xún)?nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

變速機(jī)組與定速機(jī)組兩種機(jī)型的系統(tǒng)組成大體相當(dāng)，只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁裝置上有一定差異，同樣容量的變速機(jī)組與定速機(jī)組的大小尺寸較為接近。二者的檢修內(nèi)容、檢修周期基本一致。變速機(jī)組運(yùn)維成本費(fèi)用的增量部分是其勵(lì)磁變頻裝置較大，可能導(dǎo)致相應(yīng)的檢修內(nèi)容有所增加；變速機(jī)組運(yùn)維成本費(fèi)用的減量部分是其在最優(yōu)工況點(diǎn)運(yùn)行帶來(lái)的氣蝕與泥沙磨損狀況減輕、機(jī)組機(jī)械故障率降低。變速機(jī)組運(yùn)維成本費(fèi)用總體與定速機(jī)組一致，但變速機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間較定速機(jī)組增加了20%以上。