變速抽水蓄能機組的運維成本分析

曹 飛，牛翔宇，李慧軍，趙杰君

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；2.國網新源控股有限公司，北京100761)

變速抽水蓄能機組的抽水功率可調，在配合電網運行與提高抽水蓄能電站自身運行性能兩方面均比定速抽水蓄能機組更有優勢。到目前為止，我國所有在運的蓄能電站均采用常規的定速機組，對連續變速抽水蓄能機組的建設與運行、管理尚處空白。

2014年以來，國家出臺了一系列政策鼓勵抽水蓄能建設，并且鼓勵創新工程建設技術、提升設備技術能力，明確了要重點開展變速機組等技術攻關。在此背景下，我國正迎來抽水蓄能事業的蓬勃發展期，變速機組的研究與應用也成為一個熱點。近年來我國變速機組技術研究主要集中在機組結構、機組的調節性能等方面。關于變速機組運維成本的分析研究非常少見，本文在分析我國在運的定速機組抽水蓄能電站運維成本基礎上，對比變速機組與定速機組結構上的差異，結合變速機組的運行資料數據，對變速機組的運維成本進行分析。

1 抽水蓄能電站的運維成本構成

1.1 抽水蓄能電站運維成本構成

抽水蓄能電站運行維護費主要指項目竣工投產后每年需要支出的各種經常性費用，其中包括材料費、燃料及動力費、修理費等[1]。

1.1.1 外購原材料和燃料動力費

水力發電材料費主要包括發電主設備、水工建筑物、公用系統及輔助設備、生產建筑物及附屬設施的日常運行、維護、消缺、環衛等材料成本費用，以單位千瓦材料費計，根據機組容量等級、機組型式等進行取值。

圖1 7座在運抽水蓄能電站運維成本費用

1.1.2 修理費

修理費是指為保持固定資產的正常運轉和使用，充分發揮使用效能，對其進行必要修理所發生的費用。修理費主要是指發電主設備、公用系統及輔助設備、生產建筑物及附屬設施的檢修所發生的費用、特殊項目檢修費等四部分。

等級檢修費指為恢復或提高水輪機、發電機、主變壓器、機組控制裝置等設備及其附屬設備技術性能、指標，維持設備設施健康而實施的機組周期性或根據機組設備狀態評估結果，有針對性地實施的等級檢修所需的備品備件、工器具和材料費。

公用及輔助系統檢修費指公用系統大修標準項目所需的材料費、工器具和備品備件等。

生產生活建筑設施檢修費指生產生活建筑設施檢修標準項目所需的材料費、工器具和備品備件等。

特殊檢修費指沒有周期規律的機組非標項目及大型檢修工程項目所需材料費、工器具和備品備件。

1.1.3 工資及福利費

工資及福利費是抽水蓄能電站職工參與電站運行管理工作所獲取的報酬以及醫療、補助等其他福利。

1.2 抽水蓄能電站實際運維成本分析

對我國在運的A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能電站進行調研發現，我國抽水蓄能電站運維費用主要包括修理費、材料費、設備檢測費、委托運維費(運檢)等。A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能電站的裝機容量分別為80萬、100萬、120萬、180萬、100萬、100萬、120萬kW，7座電站2012年～2017年的運維成本費用數據見圖1。

在我國抽水蓄能電站現行運行檢修制度下，7座抽水蓄能電站的運維成本費用與各自裝機規模、電站在電網內承擔的任務以及機組的運行時長等因素均有關系。修理費和委托運維費是運維成本費用中的主要部分，合計占總運維成本費用的75%左右，而材料費與設備檢測費占總運維成本費用的25%左右。

根據7座電站的運維成本費用分析，各電站的修理費在2012年到2017年之間略有增長，這與近年來抽水蓄能電站在我國電網中的作用越來越突出、運行時間有所增加相關。剔除修理費最高的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約為17元/kW。各電站年材料費相對較為固定，年平均材料費為5元/kW左右。各電站每年的設備檢測費與材料費接近，年平均設備檢測費也為5元/kW左右。各電站委托運維費是運維成本費用中的第二大項，年平均委托運維費為12元/kW左右。

圖2 某電站變速與定速機組發電-電動機截面對比(尺寸單位：mm;高程單位：m)

2 變速機組與定速機組的結構對比

雖然抽水蓄能技術的應用歷史已經有100年以上，但對其容量、控制策略、應用領域等方面性能的改進從未停止過。從20世紀90年代起抽水蓄能技術最重要的進步是可變速化的實現[2]。變速機組與定速機組相比，最大的區別在于機組能在額定同步轉速附近的一定范圍內無級變速運行，實現抽水入力可調，無論是提高電網安全穩定運行水平還是提高資源利用率，均具有現實意義。

變速抽水蓄能機組通常分為兩類：轉子繞組勵磁調節方式——在發電電動機的轉子繞組側(二次繞組)加裝變換裝置；定子繞組頻率調節方式——發電電動機定子繞組側(一次回路)設置變換裝置。盡管定子繞組頻率調節方式有應用實例，但此種方式要求變換器的容量與發電電動機的容量一致，使系統造價增大，因此一般多采用轉子勵磁調節方式[2，4]。

交流勵磁變速電機的定子與傳統同步電機相同，而轉子通常采用三相對稱分布的勵磁繞組，并通過集電環、電刷裝置和一套交-交變頻器相連。通過交流變頻器將勵磁頻率變換成正負幾個赫茲而形成一個可變頻率和方向的交流磁場。由于定子外界磁場頻率保持為50 Hz不變，當轉子磁場相對于轉子的轉速為n2(n2=60f2/p，p為磁極對數)，此時電機的實際轉速nr=n1-n2(n1為從定子側看，轉子旋轉磁場的速度)，改變轉子頻率f2可達到變速的目的[2，4]。

與定速抽水蓄能機組相同，變速抽水蓄能機組系統也是由水泵-水輪機、發電-電動機、變頻器、控制系統組成。對于變速機組的發電-電動機，其定子與定速機組的相同，轉子由圓筒狀(鐵芯)及外圍的三相勵磁繞組組成，旋轉磁場即由三相交流勵磁電流在轉子內旋轉產生。變速機組的集電環為三相環。變速機組的勵磁系統為三相交流勵磁電流型，其特點是低頻(低于5 Hz)、大電流以及高壓輸出[5，6]。變速機組的水泵水輪機與定速機組的大體相同。某抽水蓄能電站變速機組與定速機組發電-電動機截面對比見圖2。

變速機組與定速機組兩種機型的系統組成大體相當，機組的大小尺寸較為接近。二者的主要差異是變速機組的轉子樣式與定速機組有所不同，另外變速機組的勵磁變頻裝置較大。由變速機組與定速機組的結構對比可知，變速機組運行后的運維檢修對象與定速機組基本一致，最大的區別在于因變速機組的勵磁變頻裝置較大，可能導致相應的檢修內容有所增加。

3 變速機組的運維成本費用分析

變速機組除了具備在抽水工況自動調整輸入功率這項最突出的功能，與定速機組相比還有諸多優勢。首先變速機組具有更高的運行效率，有關資料顯示，采用變速機組后，在水泵水輪機運行范圍內通常可提高水輪機工況效率3%～10%。例如日本大河內電站機組水輪機工況下，變速機組較定速機組提高效率3.4%。其次，變速機組全面改善了水泵水輪機的運行條件，主要體現為水泵水輪機運行空化限制條件和空蝕、泥沙磨損條件得到改善，以及水泵水輪機運行穩定性的提高等方面[4]。此外，變速機組還具有提供頻率自動控制容量、實現有功功率的高速調節、使用變頻交流勵磁裝置代替SFC進行水泵工況啟動、適應更寬水頭范圍等多方面優勢。

變速機組的優越性能使得其往往能夠獲得比定速機組更長的運行時間。根據全世界各個同時安裝定速機組與變速機組的抽水蓄能電站運行情況，變速機組運行時間明顯大幅度領先于定速機組。尤其是抽水工況，變速機組運行時間遠遠高于定速機組。即便是某些電站已經考慮了變速機組與定速機組運行時間的均衡性，變速機組這種運行時間長的特點仍然非常顯著。日本矢木澤抽水蓄能電站變速機組較定速機組運行時間多20%～30%；日本葛野川抽水蓄能電站4號變速機組14個月累積運行小時數約為1號定速機組的5倍；根據德國金谷抽水蓄能電站運行數據，其兩臺變速機組10年累積運行歷時約為兩臺定速機組的1.25倍，而抽水工況下的運行時間高達1.33倍。

由于抽水蓄能電站的運維成本對于全世界來說均是商業機密，難以了解變速抽水蓄能機組的真實運維成本數據。但經過調研以及對有關公開資料的查閱，變速抽水蓄能機組運行時間長并沒有帶來檢修費用的增加。變速機組與定速機組兩者的運行、工作內容、維護周期基本相同，僅僅是變速機組的勵磁變頻裝置較大可能造成勵磁變頻裝置部分的檢修費用會有所增加。日本奧清津抽水蓄能電站二期1號機組為定速機組，2號機組為變速機組，變速機組的機械部分增加的主要運維工作是4年一次的更換清洗變頻裝置的冷卻水濾芯。檢修每兩年進行一次，費用視設備的狀態不同而不同。

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

綜合分析，安裝變速機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組抽水蓄能電站沒有差別，二者運維成本中的工資福利費一致。變速機組抽水蓄能電站的運維成本費用主要也是由修理費、材料費、設備檢測費、委托運維費等組成。變速機組運維成本中的增量部分是其特殊的勵磁變頻裝置可能帶來的檢修費用增加[8]，運維成本的減量部分是長期運行在最優工況點帶來的氣蝕與泥沙磨損狀況減輕、機組機械故障率降低。但不能忽視變速機組運行時間較定速機組提高了20%以上，在此情況下，變速機組運行運維成本費用與定速機組相近。根據對我國七座在運抽水蓄能電站運維成本費用的分析成果，在我國現行抽水蓄能電站運維制度下，變速機組抽水蓄能電站若投入電網運行，其年平均合計運維成本也應在40元/kW以內。

4 結 語

變速機組與定速機組兩種機型的系統組成大體相當，只是在轉子結構和勵磁裝置上有一定差異，同樣容量的變速機組與定速機組的大小尺寸較為接近。二者的檢修內容、檢修周期基本一致。變速機組運維成本費用的增量部分是其勵磁變頻裝置較大，可能導致相應的檢修內容有所增加；變速機組運維成本費用的減量部分是其在最優工況點運行帶來的氣蝕與泥沙磨損狀況減輕、機組機械故障率降低。變速機組運維成本費用總體與定速機組一致，但變速機組的運行時間較定速機組增加了20%以上。