水輪發電機能量利用及其能效評估法研究

王飛虎

（安徽省機電排灌總站 合肥 230022）

我國具有豐富的水利資源，水電站的建立為水能向電能的轉化提供了場所，但是在發電過程中不可避免地存在著一定的能量損耗現象。由于機組過流部件磨損、機組的投產運行時間過長、引水流道淤積等因素的影響，降低了機組的能量轉化性能，損失了水能利用。因此本文選取某水電站某臺機組進行研究，要求對電站水輪發電機建立合理、客觀而全面的能效評價體系，正確評估生產環節的能源消耗狀況，以此提升資源利用率。

1 水輪發電機的能量利用

耗水率、有效率、電站水能利用率是我國水電站機組能量利用中經常采用的評估方法。效率評估中受到運行工況影響，難以有效評估一個時段內的能量利用情況。耗水率對發電過程能量損失的原因難以實現有效分析，主要反映機組時段內的能量轉化情況。電站水能利用率難以正確反映機組的能效性能，可見傳統的評估方式運用中存在一定的局限性。

本文對水輪發電機能量轉化過程的分析綜合考慮了引水流道、電站機組運行工況、設備性能等多方面因素，能夠實現對水輪發電機水能利用科學而全面的評估。水力發電是對水力資源的一種有效運用方式，實現了水庫的蓄水勢能向電力系統電能之間的轉化，其轉化過程見圖1。

在引水系統的運用之下，上游水庫蓄水能量能夠進入到供水系統以及機組的水輪機之中，水輪機能夠將水能通過機械能將其轉化為電能并傳遞至發電機。部分能量離開機組直接進入電站下游。通過發電機的運用，能夠有效實現機械能向電能的轉化，并將電能輸送至用電系統與電網之中，以此實現對能量的有效利用。

通過對水庫的蓄水勢能轉化過程的分析，能夠看到這一過程中不可避免地出現了能量損失現象，包括水能損失等。由于水輪發電機的自身運用效能等原因，會出現由于發電導致的能量損失，常見的包括導葉漏水水耗、技術供水系統水耗、機組空載運行水耗等。

空載運行水耗、技術供水系統的水耗是系統運行過程中不可避免的能量損失，與機組的自身性能無關。效率損失、引水系統損失、導葉漏水損失等是由機組自身性能而導致的能量損失現象，通過相應措施的運用能夠有效避免這些能量損失。

2 水輪發電機能量利用及其能效評估方法

水輪發電機能效是能源利用時能源量與實際消耗能源量之間的比值。水輪發電機能量利用效能評估過程較為復雜，需要運用到多個實時參數，包括負荷、壓力、水頭、流量等，要求據此建立實時計算模塊，構建計算流程如圖2。

在評估過程中要求首先能夠獲得水電站計算機監控系統、機組超聲波流量計、水調自動化系統中水輪發電機組的實時運行數據與運行狀況，并能夠獲知發電機設計、水輪機、校核效率曲線等一些基礎性數值。

圖1 水電機組能量轉化過程圖

圖2 水電機組能效評估流程圖

圖3 機組水能耗水率與利用率對比圖

表1 各個月份能效利用計算結果表

表2 各個月份能量占比計算結果表

表3 該水電站某臺機組 1～6月主要運行數據表

結合各個運行模塊計算能量，要求在這一過程中能夠充分結合機組的運行狀態。在計算機監控系統中，水輪發電機組具有空載態、停機態、不定態、發電態、空轉態、調相態共六種狀態，這些狀態均具有不同程度的能量損耗。其中水量損耗較大的為空轉運行以及機組空載狀態。日常運行中，調相態、不定態的運行時間一般較短，這主要是為了能夠滿足調度要求。因此在計算機組自身能效分析過程中，主要是在停機態與發電態狀態下進行計算。在機組處于發電態下，機組過機水能可以轉化為固有損失能量、實際發電量、引水損失能量、性能損失能量等。在機組停機態下，機組過機水能可以轉化為導葉漏水損失能量。計算周期設置為 1min，采用積分方式進行周期時段內的能量計算。

選取日、月、年不同時段，對數值進行實時計算，得出機組水能利用率。通過有效的數據分析得出各部分能量、判斷不同時間段機組水能利用率。目前我國具有多種類型的水輪發電機組，不同電站機組運行環境差異較大。因此在水輪發電機組的能效評估與分析過程中，在廠內采取橫向對比的計算方式，針對同一機組，采取不同時間段的數據進行縱向對比與分析，以此判斷各部分能量損耗的變化情況。

3 水輪發電機能量利用及其能效評估案例分析

本文研究中選擇某水電站某臺機組作為研究對象，該機組為立軸混流式機組，額定容量25 萬kW。選取該機組 2018年1～6月的數據，分析各月水能利用率，見表1。

計算各個月份的能量占總過機水能的比例，計算結果見表2。

將該機組2018年1～6月機組耗水率與水能利用率進行對比，比較結果如圖3。

從圖3中能夠看出該水電站某臺機組2018年1～6月總體水能利用率為81.85%，固有損失能量 Eg（ 7.27%） 與機組性能損失能量 Ex（7.37%） 是能量損失的重要構成部分。 5月份水能利用率較低，綜合各項數據能夠看出5月份機組性能損失高于其他月份，因此降低了能量利用效率。該機組2018年1～6月機組運行數據見表3。

從表3中機組的各項運行數據能夠看出，電站水庫月平均水位較低的月份為5月份，主要是受到汛前水位控制的影響，在這六個月份中，5月份平均運行出力只達到額定負荷的52.1%，為13.02 萬kW，為最低值。機組5月份表現出了顯著的機組水能利用率偏低、機組性能損失能量占比偏高的現象，因此導致機組水能利用率偏低，出現了較低的運行出力與運行水頭。

4 結語

本文在研究中選取某水電站某臺機組作案例分析，分析其水輪發電機的能效水平，以此量化評估機組能效性能的全過程，并計算各個環節中損失的能量。該機組2018年5月份水能利用率較低，主要是由于機組水能利用率偏低、機組性能損失能量占比偏高，降低了機組水能利用率。本文對機組能效變化原因的分析研究，對于促進水電站調度計劃的完善，加強檢修維護計劃安排，實現機組實時運行控制，具有一定的參考價值■