關于水電站運行管理節能措施分析及運用效果研究

李浩權

廣州從化良湖水電經濟發展有限公司，廣東 廣州，510910

0 引言

水電站的運行管理質量和效率，影響著水力發電的效果，水電站在管理上應用節能措施有助于提升水電站的發電效率，降低對水資源、電能的損耗，充分發揮水力發電的優越性。目前，無論是大型水電站還是小型水電站都存在運行管理上的可優化空間，通過優化管理可換來水電站的節能運行和發電總量提升，促使水電站的能耗量被逐步縮減和控制，真正實現水電領域的良性運轉和可持續發展，為全國人民帶來更優質的用電體驗。

1 水電站運行管理過程中的損耗

水電站運行方式是制造水資源的高度落差，將水頭重力勢能轉化為動能帶動葉輪旋轉，繼而帶動發電機運轉，實現電能的產生和發送。所以，在水電站的運行過程中，水資源和電能是最容易出現損耗的兩個部分，也是水電站落實節能管理最需要關注的兩個方向，抓好水資源節能和電能節能，是實現水電站節能運行的必要一環。

1.1 水資源

在水電站運行過程中，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。水力發電就是一個將水資源攜帶的機械能轉化為電能的過程，能源轉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。來水量經常過大而棄水和經常不足均為設計不當，會出現大量的水資源機械能被浪費的現象，影響水電站的發電效率和總發電量。在水電站運行過程中，如果存在滲漏問題，則說明有一定量的水資源未能貢獻機械能就流到了下游，影響了水電站的整體發電量和發電效率。所以，水電站運行管理節能措施需要包含兩個部分：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。

1.2 電能

水電站借助水資源機械能產生的電能需要先供給自身機械電氣設備使用，然后進行并網發電，可以說，水電站自身機械電氣設備的使用量越高，水電站的發電總量和發電效率越低。水電站中的各種泵機、風機都是消耗電能的大件，水電站內部的照明、辦公等用電也屬于電能消耗的常規途徑，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、風機需要定期檢查，保持其處于較為健康的運行狀態和環境，避免因為磨損、老化、環境高溫導致能耗增加；照明等用電途徑可通過更換為節能照明設備的方式來降低總體電能消耗量，使水電站能夠并網發送出更多的電量，提高水電站的發電效率。

2 水電站運行管理節能案例分析

2.1 案例簡述

水電站是我國實現水力發電的重要站點，也是我國實現清潔能源應用的重要方式。隨著我國大量的水電站建設鋪開，水力所發電量在我國總用電量中的占比越來越高，水電這種發展潛力巨大、綜合社會價值高的發電方式應成為我國節能降耗的主力軍（2020年8月至2021年8月全國水電發電量如圖1所示）。以某水電站的發電機組為例，水電站配備的發電機組單一裝機容量5000kW，共配備發電機組4臺，年平均發電量接近6500萬kWh。水電站已經實現了并網發電，并且發電穩定性較好。水電站的運行管理節能初期目標為，將年平均發電量穩定在6500萬kWh以上，增加水電站的經濟效益和社會效益。

圖1 2020年8月至2021年8月全國水電發電量（圖源 智研咨詢）

2.2 進相運行靜穩試驗

發電機進項運行的靜態穩定性試驗能夠幫助水電站運維人員了解發電機的狀態，了解發電機的進項深度是否符合調度命令，限制器、保護設備是否能夠保障發電機的安全運行，以及發電機的進項深度主要受到哪種因素的影響。進項運行靜穩實驗需要實驗員逐步降低勵磁電流使發電機開始從系統吸收無功，從而降低發電機電勢、增加發動機的功角，判斷發電機的運行穩定性。水電站發電機組試驗過程中從5000kW逐步下調有功負荷值，獲取發電機組的進項無功大小、功角、端電壓值、電流值，借此來判斷發電機組進項深度主要受到哪些因素的影響。在試驗過程中發現，母線電壓、定子電流是影響發電機組進項深度的主要因素。

2.3 進相運行溫升試驗

發電機進項運行的溫升試驗能夠幫助運維人員了解發電機在不同有功負荷下的進項無功變化，并了解發電機是否會在不同有功負荷下出現異常升溫的情況，了解發電機可能存在的、導致升溫的故障。通過靜穩試驗了解過影響發電機組進項深度的主要因素是母線電壓和定子電流，在溫升試驗中則選擇通過控制母線電壓和定子電流來保持進項深度不變，以此來判斷發電機組在不同有功負荷下的進項無功大小，并在每個不同有功負荷值的大小上進行溫度檢測，平均每20分鐘測溫一次，了解發電機組在不同運行狀態下的升溫情況。

3 水電站運行管理節能降耗方法

3.1 機組運行方式的優化方法

（1）控制水頭。水電站機組運行管理優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，保持水電站在枯水期、豐水期、平水期都能夠正常運行。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行。當上游水位下降到影響水電站機組運行的位置時停機蓄水，避免因為低水頭、低負荷造成的水資源消耗。

（2）提高機組運行效率。提高機組運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電效率和發電總量，而提高機組運行效率的方法有很多。①根據不同的上游來水量配備相應的導葉開度，隨時根據來水量進行調整，使水電站的機組保持在較為合理的運行狀態。如果水電站已經開始應用機電自動化技術，可連接智能系統來根據上游檢測數據自動調整導葉開度，降低人工操作耗費的時間和人力成本。②縮短水電站機組的開機時間。建設在豐水期、枯水期上游水位落差非常明顯地區的水電站往往面臨著枯水期需要停機蓄水的情況，待蓄水量達到預期范圍再開機發電。但水電站機組開機往往需要一定的時間，開機時間內的水資源機械能基本都損失掉了，所以縮減開機所需時間是水電站節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組時通過短時停機切換開關實現了對開機時間的大幅度縮減，從原本充油、水、氣需要至少半個小時才能開機的時間縮短至6分鐘，關鍵就在于不中斷油、水、氣的停機方式。僅這一個運行管理舉措的應用就幫助水電站實現了大量的水資源節約，提高了水電站的發電總量和效率提升。

3.2 降低廠用設備能耗

降低水電站內部機電設備、照明系統、辦公設備能耗的方式主要有三種。①通過運維團隊的設備巡視來確保機電設備處于安全穩定的運行狀態，沒有出現跑冒滴漏的現象，沒有出現環境調整設備失靈的現象，排除水電站發電機組設備的安全隱患。運維人員巡視過程中需要重點盯防油泵、水泵、風扇、壓力裝置等部分，及時發現油泵漏油、水泵漏水、風扇轉速不正常、壓力裝置漏氣等現象，及時排除發電機組運行的安全隱患，避免因故障而導致停機，減少因為停機導致的棄水和發電量損失。②根據水電站發電機組的實際需求調整環境設備的運行功率，實現節能降耗。比如水電站的發電機組由于長期運行會產生大量的熱能，熱能堆積抬高機組周邊溫度會影響機組中零部件的運行，導致零部件提前老化、催化等問題的出現，所以水電站需要安裝和使用溫控設備來輔助散熱。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境溫度必然會出現一定幅度的變化，位置靠北地區的環境溫度變化幅度更大，靠南地區的環境變化幅度更小，濕度等環境參數也如此。水電站運維管理團隊需要根據周邊環境的實際溫濕度變化來調整環境控制室設備的功率，減少這部分設備所造成的能耗。③節約水電站內照明系統、辦公設備的能耗。照明系統的節能可通過加大自然采光、更換節能燈具、使用光敏燈具來實現，之所以沒有提到聲敏燈具是因為水電站所處的位置決定了水力發電過程中伴隨著較高分貝的噪音，使用聲敏燈的節能效果不如光敏燈。辦公設備的節能則需要通過內部培訓來實現，將節能降耗、環保的思想灌輸給工作人員，讓工作人員習慣于隨手關燈、關計算機、無紙化辦公。如果市面上出現有節能效果更優秀的辦公設備，水電站可考慮及時更換現有設備，實現辦公系統節能。

3.3 水電站水頭損失方面的節能控制

水電站在常規運行過程中需要定期清污，以保證機組處于正常的運行狀態。如果機組處于污損狀態，雜物、泥沙會阻礙水資源機械能對機組葉輪的推動，影響水資源機械能向電能的轉化效率，造成水頭損失。所以，水電站需要組織工人三班倒進行清污，盡可能保證機組的運行狀態不受雜物、泥沙影響，降低因污損導致的水頭損失。但這樣的三班倒清污帶來了新問題，常規清污機的使用需要空載，這個過程中必然會浪費大量的機組運行時間，不僅影響水電站機組的發電效率，還會造成大量的水資源機械能被浪費。建設在黃河這樣泥沙量較大或污染較為嚴重的河流上時，水電站每天要面對大量的清污壓力，一次清污可能需要機組空載時間長達1個小時，無論水電站配備的一臺機組容量是5000kW還是50kW，1個小時的損失量都不可小覷。為了提高清污效率，縮減清污機使用所需要消耗的時間，可以對清污機進行改進，將清污機電動機的接法改動為三角形或星型，使清污機電動機的轉速得到提升，縮短清污機對一臺機組進行清污所需要的時間，減少水電站的水頭損失，實現水電站的節能降耗。

3.4 空庫納洪增效節能

豐水期由于上游地區大量降雨或長時間降雨，上游水位提升雖然給水電站大量發電帶來的可能，但水電站能夠快速反應、及時開機納空成為關鍵。水電站需要與上游水電站、氣象部門做好聯系，提前掌握洪峰到來的時間，提前了解未來幾天甚至幾周內的降雨情況，預估出大致可能的上游來水量，提前開機納空庫容，降低因為開機不及時導致的棄水量，增加水電站的發電量。通過空庫納洪，水電站每年都能夠實現發電總量的大幅度提升，創造出較大的經濟效益。

3.5 認真執行交接班和設備巡查規定

日常運維、設備巡查是保證水電站發電機組設備處于安全運行狀態的好辦法，為了保證運維人員之間的信息溝通暢通，避免在運維組員交接班過程中出現信息遺漏的情況，水電站應當建立較為嚴格的交接班制度、設備巡查制度、機組設備檔案管理制度，并對這些制度進行管理落實，切實提升水電站機組設備運維人員的價值和作用。在運維人員交接班過程中，交班一方不僅要提供本班次設備巡查的結果、參數，還要將巡查中發現的問題、未能解決的隱患等信息認真交接給接班一方，確保交接過程中信息無遺漏。為了避免人為操作導致的信息遺漏或失誤，水電站運維團隊需要建立機組設備的電子檔案和設備巡查電子文檔，通過一鍵傳輸的方式實現交接班，還能夠在電子文檔中保留每個班次運維人員操作的痕跡，提高交接班和設備巡查的工作有效性。

3.6 解決因設備缺陷導致的能耗問題

設備缺陷導致能耗問題通常指因為設備故障導致的停轉，水電站機組停轉會直接導致大量的棄水產生，浪費大量的水資源，還會降低水電站的發電總量。定期對水電站發電機組設備進行運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性的，從發現故障到維修完成、開機運行所消耗的時間越長，水電站在此期間的能耗量越大。在自動化技術、智能化技術逐步在我國工業領域普及的今天，水電站應積極進行自動化、智能化建設，用傳感器、自動儀表等設備對水電站發電機組設備進行監控，采集設備運行產生的各種參數，經過計算機平臺匯總和分析后判斷機組是否存在隱藏的安全隱患或故障。一旦發現有未能在日常運維中被發現、解決的安全問題，及時派遣運維人員前去處理，保證水電站發電機組長期處于穩定運行狀態，節約水電站發電能耗，提高水電站的發電量和發電效率。

4 結語

我國是世界上能源消耗量第二大的國家，水力發電的發電量和發電效率提升直接關系到我國對火力發電依賴的擺脫程度，減少環境污染的進展程度。目前，我國水電站在運行中還存在運行管理不足的問題，節能工作沒能做到位，還存在較多影響發電效率、影響水電站社會效益產出的因素。本文從提高機組運行、減少水頭損失、降低廠用設備能耗、空庫納洪、做好運維管理等幾個方面進行了分析和討論，希望可以為眾多大小水電站的運行管理提供一些思路和幫助，提高水電站的發電效能。