江都泵站机组反向发电方式选择与效益分析

魏强林，阚永庚

（江苏省江都水利工程管理处，225200，扬州）

南水北调东线工程从长江到黄河南岸共设有13座梯级抽水泵站，总扬程65 m。淮河及沂沭泗河流域每年有大量洪水和余水通过淮河入江水道和入海水道排入长江、黄海。东线工程的部分泵站工程可利用这些洪水和余水反向发电，这些泵站有江都三站、沙集站、刘老涧站、泗阳站、淮安站等，有的泵站年最长发电时间达9个月。泵站反向发电既取得了良好效益，也充分利用了水资源。

一、江都三站的概况

江都三站建成于1969年，安装有ZLQ13.5—8型液压全调节立式轴流泵10台套，配套1 600/600 kW、24P/48P型立式可逆电动发电机，单机抽水流量13.5 m3/s。除抗旱、排涝外可反转发电，在水头4 m时单机可形成发电能力300 kW。根据南水北调东线工程的规划，2006年9月至2009年5月，对江都三站进行更新改造，改造后主水泵为2000ZLQ13.5—8型液压全调节立式轴流泵，单机抽水流量 13.5 m3/s，转速 214.3 r/min，配套TL 1600—28/2600型同步电动机，总装机容量16 000 kW。为充分利用水能资源，提高工程的综合功能，泵站改造后保留发电功能。

二、反向发电方式及其技术比较

泵站反向发电主要有同转速和变转速2种方式，变转速包括变极和变频2种形式。

1.同转速发电

同转速发电是指反向发电时机组的转速与抽水时转速相同。这种方法直接利用水泵机组倒转发电，基本不需要增加设备和投资，方便经济。

由于同转速反向发电运行时，其高效区水头一般低于抽水工况时的扬程，在上下游水位差较小时，其运行效率偏低，不能高效利用水能资源。

2.变极发电

变极发电方式是通过改变电机绕组的连接方式来改变电机的极数，电机的接线方式不同，极数也不同，从而电机转速也不同。一般发电时的转速是抽水时的1/2。

变极发电虽然不需要增加其他设备，但由于电机的极数增加，使得电机体积明显加大，不但制造成本大大增加，而且电机的效率也会降低。据测算，抽水运行时，双速电机比单速电机的效率低2%左右。在低水头情况下，变极发电比同转速效率高得多，而在1969年江都三站建站时，变频技术还很不成熟，只有采用变极方式。在现有技术条件下，因泵站的抽水时间远大于发电时间，以降低抽水效率达到发电的目的是不经济的，故一般不采用变极发电方式。

3.变频发电

变频发电方式是采用变频装置，将水泵在低速状态下发出的低于电网频率、电压的电能转换为和电网频率、电压相同的电能。该发电方式可以使水泵运行在发电高效区，水泵机组本身不需要增加辅助设备，电机的保护及励磁功能仅需作一些技术上的调整，但需要增加1套变频设备以及相应的厂房。

目前大型泵站变频发电方式主要是根据泵站机组发电的总容量增加1套变频发电机组及相应辅助设备。抽水运行时水泵机组正常运行，不需要使用变频机组；发电运行时水泵机组以低于抽水时的转速运行，发出的低频、低电压电能驱动变频机组电动机运行，电动机驱动发电机向电网发出与电网频率、电压相同的电能。

表1 3种发电方式下经济比较

4.发电方式比较

比较以上3种发电方式，同转速发电最简单，基本利用现有设备，技术方面也基本相同。变极发电也基本利用现有设备，仅仅是在发电时改接电机的接线以改变电机极数，其他技术方面也基本相同。变频发电需要增加1套变频设备（一般为变频机组），发电运行时，利用外部电源启动变频机组，再逐台启动水泵机组，逐步由水泵机组发电驱动变频电动机带动变频电动机向外发出电力。

三、反向发电方式经济比较

1.同转速发电

江都三站原机组为可逆式机组,因此同转速发电时，只要考虑部分辅助设备调整改造需增加的投资，经估算约为20万元；年发电运行管理费平均约10万元；同转速发电量比变极发电量低，经实测约为变极发电的60%，根据江都三站历史发电数据统计，变极发电平均年效益约为108.24万元，同转速发电效益约为64.94万元。

2.变极发电

主要考虑的是变极电机与不变极电机的差价。根据上海电机厂提供的参考价格,TL 1600—28/56同步电动机的价格约为150万元/台，而TL1600—28同步电动机的价格约为100万元/台,则每台变极电机要多投资 50万元，10台电机共计500万元；因电机体积增大而导致土建增加的经费约 60万元，10台合计600万元；其余费用与同转速发电相同。

2006年2月9日，比较江都三站原5号水泵机组（改造前），在变极和同转速工况下倒转发电，并进行了现场测试。从测试结果看，变极发电功率是同转速的1.38倍。运行过程中，变极发电噪声低，振动小，机组温升低，性能稳定。同转速发电时，虽然机组启动正常，但噪声大，振动比在变极发电工况下大得多，而且机组出水量较变极发电时明显增大。变极发电时单机出水量约9～10 m3/s，同转速发电出水量达13～15 m3/s。因此，采用同转速发电不仅机组运行工况差，而且发电效率也比变极发电低得多。

3.变频发电

变频发电时，增加1台4 000 kW发电机（6 kV/50Hz）和 1台 4 300 kW电动机（3 kV/25Hz）及相应附件，变频机组转速107 r/min。变频机组约需250万元，增加厂房造价约60万元，相应辅助设备约需50万元，合计360万元，其余费用相同。

2009年3月，江都三站进行了变频机组发电试运行，在5 m水头下，最大单机发电功率为430 kW，机组平均发电功率在380 kW左右。同时对机组的振动、噪声等参数进行了现场测试，机组运行可靠稳定，各项指标达到设计要求。

四、江都三站反向发电效益分析

改造前的江都三站多年发电运行时平均单机功率均大于300 kW。以单机发电300 kW、电价0.3元/kWh计，至2007年，江都三站总发电收益（不考虑资金的时间价值）为3 139.09万元，平均年发电收益为108.24万元；平均年发电台时为12 027.17台时。江都三站有10台机组，开机率按80%计，则平均年发电天数为62.64天。

设年发电效益和年运行管理费用在泵站有效寿命内为定值，假设资金年利率为5%，设备使用年限按30年计。采用动态分析法计算江都三站3种发电运行方式净效益终值，结果见表 1。

从表1可以看出，同转速发电投资少，收益也低；变极发电一次性投资高，收益较高，但综合收益低，而且对抽水运行影响大；变频发电投资较高，收益高，对抽水运行无影响。因此，在发电水头较低的情况下，变频发电是最理想的选择。

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