關(guān)于水電站運(yùn)行管理節(jié)能措施分析及運(yùn)用效果研究

李浩權(quán)

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

0 引言

水電站的運(yùn)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(duì)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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)水電領(lǐng)域的良性運(yùn)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(yàn)。

1 水電站運(yùn)行管理過程中的損耗

水電站運(yùn)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(dòng)能帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生和發(fā)送。所以，在水電站的運(yùn)行過程中，水資源和電能是最容易出現(xiàn)損耗的兩個(gè)部分，也是水電站落實(shí)節(jié)能管理最需要關(guān)注的兩個(gè)方向，抓好水資源節(jié)能和電能節(jié)能，是實(shí)現(xiàn)水電站節(jié)能運(yùn)行的必要一環(huán)。

1.1 水資源

在水電站運(yùn)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(gè)將水資源攜帶的機(jī)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(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)大量的水資源機(jī)械能被浪費(fèi)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(yùn)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(xiàn)機(jī)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(yùn)行管理節(jié)能措施需要包含兩個(gè)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(fèi)。

1.2 電能

水電站借助水資源機(jī)械能產(chǎn)生的電能需要先供給自身機(jī)械電氣設(shè)備使用，然后進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，可以說，水電站自身機(jī)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(jī)、風(fēng)機(jī)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(jī)、風(fēng)機(jī)需要定期檢查，保持其處于較為健康的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境，避免因?yàn)槟p、老化、環(huán)境高溫導(dǎo)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(yùn)行管理節(jié)能案例分析

2.1 案例簡述

水電站是我國實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電的重要站點(diǎn)，也是我國實(shí)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薮蟆⒕C合社會(huì)價(jià)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(jī)組為例，水電站配備的發(fā)電機(jī)組單一裝機(jī)容量5000kW，共配備發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，年平均發(fā)電量接近6500萬kWh。水電站已經(jīng)實(shí)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(yùn)行管理節(jié)能初期目標(biāo)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(jì)效益和社會(huì)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(jìn)相運(yùn)行靜穩(wěn)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)進(jìn)項(xiàng)運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)軌驇椭娬具\(yùn)維人員了解發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，了解發(fā)電機(jī)的進(jìn)項(xiàng)深度是否符合調(diào)度命令，限制器、保護(hù)設(shè)備是否能夠保障發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，以及發(fā)電機(jī)的進(jìn)項(xiàng)深度主要受到哪種因素的影響。進(jìn)項(xiàng)運(yùn)行靜穩(wěn)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)員逐步降低勵(lì)磁電流使發(fā)電機(jī)開始從系統(tǒng)吸收無功，從而降低發(fā)電機(jī)電勢、增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功角，判斷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。水電站發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)過程中從5000kW逐步下調(diào)有功負(fù)荷值，獲取發(fā)電機(jī)組的進(jìn)項(xiàng)無功大小、功角、端電壓值、電流值，借此來判斷發(fā)電機(jī)組進(jìn)項(xiàng)深度主要受到哪些因素的影響。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，母線電壓、定子電流是影響發(fā)電機(jī)組進(jìn)項(xiàng)深度的主要因素。

2.3 進(jìn)相運(yùn)行溫升試驗(yàn)

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

3 水電站運(yùn)行管理節(jié)能降耗方法

3.1 機(jī)組運(yùn)行方式的優(yōu)化方法

（1）控制水頭。水電站機(jī)組運(yùn)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(yùn)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(yùn)行。當(dāng)上游水位下降到影響水電站機(jī)組運(yùn)行的位置時(shí)停機(jī)蓄水，避免因?yàn)榈退^、低負(fù)荷造成的水資源消耗。

（2）提高機(jī)組運(yùn)行效率。提高機(jī)組運(yùn)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(jī)組運(yùn)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(dǎo)葉開度，隨時(shí)根據(jù)來水量進(jìn)行調(diào)整，使水電站的機(jī)組保持在較為合理的運(yùn)行狀態(tài)。如果水電站已經(jīng)開始應(yīng)用機(jī)電自動(dòng)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(dòng)調(diào)整導(dǎo)葉開度，降低人工操作耗費(fèi)的時(shí)間和人力成本。②縮短水電站機(jī)組的開機(jī)時(shí)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(jī)蓄水的情況，待蓄水量達(dá)到預(yù)期范圍再開機(jī)發(fā)電。但水電站機(jī)組開機(jī)往往需要一定的時(shí)間，開機(jī)時(shí)間內(nèi)的水資源機(jī)械能基本都損失掉了，所以縮減開機(jī)所需時(shí)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(jī)組時(shí)通過短時(shí)停機(jī)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)開機(jī)時(shí)間的大幅度縮減，從原本充油、水、氣需要至少半個(gè)小時(shí)才能開機(jī)的時(shí)間縮短至6分鐘，關(guān)鍵就在于不中斷油、水、氣的停機(jī)方式。僅這一個(gè)運(yùn)行管理舉措的應(yīng)用就幫助水電站實(shí)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(jī)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(yùn)維團(tuán)隊(duì)的設(shè)備巡視來確保機(jī)電設(shè)備處于安全穩(wěn)定的運(yùn)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(jī)組設(shè)備的安全隱患。運(yùn)維人員巡視過程中需要重點(diǎn)盯防油泵、水泵、風(fēng)扇、壓力裝置等部分，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油泵漏油、水泵漏水、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不正常、壓力裝置漏氣等現(xiàn)象，及時(shí)排除發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全隱患，避免因故障而導(dǎo)致停機(jī)，減少因?yàn)橥C(jī)導(dǎo)致的棄水和發(fā)電量損失。②根據(jù)水電站發(fā)電機(jī)組的實(shí)際需求調(diào)整環(huán)境設(shè)備的運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。比如水電站的發(fā)電機(jī)組由于長期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，熱能堆積抬高機(jī)組周邊溫度會(huì)影響機(jī)組中零部件的運(yùn)行，導(dǎo)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(huì)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(yùn)維管理團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)周邊環(huán)境的實(shí)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(shí)現(xiàn)，之所以沒有提到聲敏燈具是因?yàn)樗娬舅幍奈恢脹Q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(xùn)來實(shí)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(xí)慣于隨手關(guān)燈、關(guān)計(jì)算機(jī)、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(shí)更換現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)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(yùn)行過程中需要定期清污，以保證機(jī)組處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。如果機(jī)組處于污損狀態(tài)，雜物、泥沙會(huì)阻礙水資源機(jī)械能對(duì)機(jī)組葉輪的推動(dòng)，影響水資源機(jī)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(jìn)行清污，盡可能保證機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不受雜物、泥沙影響，降低因污損導(dǎo)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(jī)的使用需要空載，這個(gè)過程中必然會(huì)浪費(fèi)大量的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，不僅影響水電站機(jī)組的發(fā)電效率，還會(huì)造成大量的水資源機(jī)械能被浪費(fèi)。建設(shè)在黃河這樣泥沙量較大或污染較為嚴(yán)重的河流上時(shí)，水電站每天要面對(duì)大量的清污壓力，一次清污可能需要機(jī)組空載時(shí)間長達(dá)1個(gè)小時(shí)，無論水電站配備的一臺(tái)機(jī)組容量是5000kW還是50kW，1個(gè)小時(shí)的損失量都不可小覷。為了提高清污效率，縮減清污機(jī)使用所需要消耗的時(shí)間，可以對(duì)清污機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，將清污機(jī)電動(dòng)機(jī)的接法改動(dòng)為三角形或星型，使清污機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到提升，縮短清污機(jī)對(duì)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行清污所需要的時(shí)間，減少水電站的水頭損失，實(shí)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(shí)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(shí)開機(jī)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(shí)間，提前了解未來幾天甚至幾周內(nèi)的降雨情況，預(yù)估出大致可能的上游來水量，提前開機(jī)納空庫容，降低因?yàn)殚_機(jī)不及時(shí)導(dǎo)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(jì)效益。

3.5 認(rèn)真執(zhí)行交接班和設(shè)備巡查規(guī)定

日常運(yùn)維、設(shè)備巡查是保證水電站發(fā)電機(jī)組設(shè)備處于安全運(yùn)行狀態(tài)的好辦法，為了保證運(yùn)維人員之間的信息溝通暢通，避免在運(yùn)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(dāng)建立較為嚴(yán)格的交接班制度、設(shè)備巡查制度、機(jī)組設(shè)備檔案管理制度，并對(duì)這些制度進(jìn)行管理落實(shí)，切實(shí)提升水電站機(jī)組設(shè)備運(yùn)維人員的價(jià)值和作用。在運(yùn)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(rèn)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(dǎo)致的信息遺漏或失誤，水電站運(yùn)維團(tuán)隊(duì)需要建立機(jī)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?shí)現(xiàn)交接班，還能夠在電子文檔中保留每個(gè)班次運(yùn)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(dǎo)致的能耗問題

設(shè)備缺陷導(dǎo)致能耗問題通常指因?yàn)樵O(shè)備故障導(dǎo)致的停轉(zhuǎn)，水電站機(jī)組停轉(zhuǎn)會(huì)直接導(dǎo)致大量的棄水產(chǎn)生，浪費(fèi)大量的水資源，還會(huì)降低水電站的發(fā)電總量。定期對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行運(yùn)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(jī)運(yùn)行所消耗的時(shí)間越長，水電站在此期間的能耗量越大。在自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)化、智能化建設(shè)，用傳感器、自動(dòng)儀表等設(shè)備對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，采集設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的各種參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)平臺(tái)匯總和分析后判斷機(jī)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(yùn)維中被發(fā)現(xiàn)、解決的安全問題，及時(shí)派遣運(yùn)維人員前去處理，保證水電站發(fā)電機(jī)組長期處于穩(wěn)定運(yùn)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(duì)火力發(fā)電依賴的擺脫程度，減少環(huán)境污染的進(jìn)展程度。目前，我國水電站在運(yùn)行中還存在運(yùn)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(huì)效益產(chǎn)出的因素。本文從提高機(jī)組運(yùn)行、減少水頭損失、降低廠用設(shè)備能耗、空庫納洪、做好運(yùn)維管理等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析和討論，希望可以為眾多大小水電站的運(yùn)行管理提供一些思路和幫助，提高水電站的發(fā)電效能。