常规水电站节能评估的能量转换分析与计算

王婷婷，李晓伟

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)



常规水电站节能评估的能量转换分析与计算

王婷婷，李晓伟

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

以水电站的能源转换原理为基础，系统分析其能源输入、输出种类；以电站运行流程为时间轴，划分能源利用单元；以水能的标煤转换为切入点，编制能量平衡表，核算水电站的综合能耗指标，为水电站工程项目能效水平评估提供基础依据。

能量平衡计算；能源转换；节能评估；水电站

0 引 言

《固定资产投资项目节能评估和审查暂行办法》(国家发改委2010年第6号令)明确提出，年电力消费量500万kW·h以上的固定资产投资项目，应单独编制节能评估报告书，节能审查按照项目管理权限实行分级管理。固定资产投资项目节能评估文件及其审查意见等，作为项目审批、核准或开工建设的前置性条件以及项目设计、施工和竣工验收的重要依据。

按该办法有关要求，即使按年发电2 000 h考虑，装机容量大于2 500 kW以上的常规水电站就应单独编制节能评估报告书。即，一般大中型水电站项目均需在核准前编制节能评估报告并通过审查。

然而，传统水电站的节能减排设计是将电站放在整个电网中进行电力电量平衡分析的，通过替代火电的方法计算系统节约煤耗，进而分析减排指标，即以整个电力系统为研究目标；同时，以往的节能评估多用于煤炭、钢铁、化工、火力发电等以污染型能源的开采、生产、利用为主的行业，水电站这类清洁能源的节能评估尚未开展相关研究工作。

常规水电站的节能评估需以水电站自身为研究对象，如何将水电站纳入到一个系统工程的能源转换分析中，并将能量平衡、能耗分析等通则应用到水电站的实际情况中，均为亟待解决的问题。

经研究，以水电站的能源转换原理为基础，系统分析其能源输入、输出种类；以电站运行流程为时间轴，划分能源利用单元；以水能的标煤转换为切入点，编制能量平衡表，核算电站的综合能耗指标，为项目能效水平评估提供基础依据。

1 水电站能源转换过程及消耗种类

1.1 能源转换原理

常规水电站属于以清洁能源为基础的电源建设项目，其特点不仅在于以可再生的水资源为“原料”的发电项目，更主要的是能够通过能量转换改善系统电力质量，并能发挥调频调相等辅助功能，保障电网安全稳定运行。

水电站的主要工程任务之一就是发电，即利用大坝蓄水抬高水位或利用河道天然落差所产生的水力势能，通过水轮发电机发电转换为电能，发电过程为“水能→水轮机旋转产生机械能→发电机转子转动产生电能→变压器升压→输电线路输送到电网”。水电站能源转换过程见图1。

图1 水电站能源转换过程示意

由于水力发电只是利用水流所携带的势能，无需再消耗其他动力资源，且上游梯级使用过的水流仍可为下游梯级利用。另外，由于水电站设备比较简单，其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多，如计及燃料消耗在内，火电厂的年运行费用约为同容量水电站的10～15倍。可见，水力发电是利用可再生清洁能源获取“绿色电力”的有效途径。

1.2 水电站能源消耗种类

水电站利用大坝蓄水或天然河道落差的势能发电，其能源消耗种类主要有水能、电能、柴油、汽油等。其中，水能损耗主要发生在加工转换环节的厂道部分；电能损耗主要包括加工转换设备(即水轮发电机组)能量转换过程及其附属设备所消耗的电能，以及电能输送设备(主变压器、封闭母线、GIS及高压电缆)和辅助生产设备的电能损耗，附属生产、生活设施所需的电能；汽油、柴油乃至液化石油气均发生在附属生产、生活设施中，其中柴油主要供应于柴油发电机应急电源和交通工具，汽油主要供应于运行期交通工具的使用，如考虑运行期电厂建设食堂等情况，还需考虑液化石油气的损耗。

1.3 能源利用单元

考虑常规水电站特点，将能源利用过程分为购入储存、加工转换、输送分配和最终使用4个阶段。

购入贮存：水能的购入贮存阶段指水电站坝址以上来水形成的水力势能。

加工转换：水电站加工转换过程分为水力工况和发电工况两个。其中，水力工况主要是水力势能经厂道系统转变为水力动能，能量损耗主要为厂道系统由摩擦等引起水力损耗；发电工况主要是水力动能经过水轮机、发电机转变为电能，能量损耗主要包括水轮机的机械损耗、发电机的电磁损耗等。

输送分配：电力输送分配过程中的变压器、母线、电缆损耗等。

最终使用：水电站最终用能环节可划分为上网电量、照明、采暖通风及消防给排水系统设备、水力机械及金属结构设备、控制保护系统设备及弃水。电站由于自身调节性能和电网需要，存在部分未利用水能和损失水能，如发电弃水等，此部分能量可归入最终使用的“弃水”环节。电力、柴油、汽油的最终使用阶段指各用能单位对能源的最终消耗利用。根据不同的用能单位、设备情况，能源的利用状况存在很大差别，应根据不同的工序具体分析。

2 能量平衡计算

2.1 计算原则

采用能量平衡表计算水电站的综合能耗指标。计算原则如下：

(1)能量平衡表的数据，除各种能源的实物量及等价值外，均是能源的当量值。能源等价值与当量值的计量单位均为t(标准煤)。

(2)表中各种能源的当量值总量应保持平衡；供入能量与有效能量及损失能量之和保持平衡。

2.2 能量转换平衡计算

根据上述能源利用单元的划分，以购入储存、加工转换、输送分配和最终使用四个阶段为横坐标，供入能量、有效能量、损失能量为纵坐标，编制水电站的能量转换平衡表，水电站通用平衡表见表1。

2.3 计算关键节点

(1)水能的供入及消耗。水能初始值的估算及标煤转换是能量平衡分析的切入点。首先，水力势能E=mgh=ρVgh。其中，m为质量，可考虑用坝址处年径流量计算；g为重力加速度；h为高度，可考虑采用电站多年平均运行水头，或者以额定水头进行估算。其次，将势能转换为能源当量值。1 kg标煤转换为29 260 kJ。将转换后的水能当量值放入平衡计算表的供入能量相应序列，为水电站能量转换计算提供起始依据。水能的主要损耗发生在加工转换环节的水力工况，可考虑用采用水头损失系数进行估算；此外，最终使用环节包含了部分弃水损失的能量。

表1 水电站能量平衡 t

注：表中供入能量=有效能量+损失能量；能量利用率ηe=(有效能量的当量值E2/供入能量的当量值E1)×100%；能源利用率ηd=(有效能量的当量值E2/供入能量的等价值E1d)×100%。

(2)电能的供入及消耗。电能初始值发生在加工转换环节的机械工况，其有效能量应与电站多年平均发电量相对应。在此基础上，电能损失应根据各环节机组转换效率等综合分析确定。

(3)其他能源的供入及消耗。汽油、柴油等其他能源的供入、消耗能量需根据电站规模，拟定应急电源、交通工具等附属生产、生活设施规模，分项计算。

3 案例分析

犍为航电枢纽工程是岷江下游河段(乐山-宜宾)航电规划的第3个梯级，总装机容量为500 MW，Ⅲ 级船闸通航1 000 t级船舶。该工程的能量分析较一般水电站，还应考虑航运的能量变化。

3.1 能量平衡计算

该工程电站装机容量500 MW，额定水头12.5 m，多年平均发电量为21.86亿kW·h。根据岷江流域径流分析成果，坝址处多年平均流量为2 520 m3/s，即年径流量为794.71亿m3。水力势能的水头按照本电站额定水头考虑，即水头为12.5 m。即该工程年所具备的水力势能为9.74×1012kJ，按当量值计算合标煤为332 585 t。

水电站能量转换过程中的水能损耗主要包括厂道系统的水力损耗和水轮机、发电机能量转换过程中的水能损耗及发电弃水和航运过程的水能损耗。

厂道系统的水力损耗主要指在水轮发电机组发电前，水能沿输水系统所发生的能量损失。经估算本电站水能损耗率约为4%，即水力损耗以标煤计为13 303 t，相当于水能3.89×1011kJ。

此外，在机械工况下，部分水能通过水轮机转换机械能，机械能作用于发电机转换为电能，能量转换中产生部分水能损耗和机械能损耗。因此水轮机部分的转换效率考虑为93.5%，电动机转换效率考虑为98.2%，经估算本电站机械工况的水能损耗相当于标煤23 940 t。

根据该项目航运、发电调度原则，及天然来水情况，存在部分水能的损失，经估算该部分水能损耗相当于标煤约26 725 t。作为项目加工转换输出的有效能量为电力，即该电站每年可转换电能以标煤计约为268 616 t，相应电力约21.86亿kW·h，即该项目的设计多年平均发电量。

经测算，该工程在购入贮存环节的能量利用率为100%；在加工转化环节的水力工况的能量利用率为96.00%，机械工况的能量利用率为92.50%；在输送分配环节和损耗的能量利用率为99.50%；在最终使用环节的能量利用率为90.89%。整个项目的能量利用率为80.31%，其中水能利用率为88.3%，均达到国内先进水平。

3.2 成果分析

计算表明，该工程建成后运行期年综合耗能按等价值计算折合标煤为6 996.02 t，年发电收入为148 580万元，则单位产值综合能耗标煤为0.047 t/万元，与2012年四川省单位GDP能耗1.133 t/万元相比，降低了1.086 t /万元。年发电量为21.86亿kW·h，单位产量综合能耗以标煤计为0.032t/(万kW·h)，该地区100 MW等级机组的供电标煤煤耗先进水平为4.23 t /(万kW·h)。水能在能量转换前标准煤的当量值为332 585 t，考虑航运及弃水后加工转换为电力的标准煤当量值268 779 t水能转换效率为80.82%，高于2012年四川省的能源加工转换效率74.12%。

四川省十二五期间能耗增加值按标煤计约为8 509万t,因此该项目新增能源消费量占所在地“十二五”能源消费增量的0.008%。即项目增加值能耗影响所在地能源消耗增量的比例(m值)为0.008，比重远小于1%，说明该项目对四川省能源消耗总量影响较小。项目增加值能耗影响所在地单位GDP能耗的比例(n值)为-0.08，说明本项目不仅对四川省单位GDP能耗没有消极影响，而且能够有效降低本地区的单位GDP能耗。

4 结 语

(1)水电站的主要工程任务之一就是水能转换为电能。其能源消耗种类主要有水能、电能、柴油、汽油等。

(2)将常规水电站的能源利用过程分为购入储存、加工转换、输送分配和最终使用四个阶段，是水电站能量转换平衡分析的有效途径之一。

(3)能量平衡表是水电站能量平衡分析的有效计算方法，是能耗综合指标计算的依据。

(4)案例水电站各项综合能耗指标均达到国内先进水平，尤其是在能量转换效率、单位产量综合能耗、项目增加值能耗影响所在地能源消耗增量的比例、项目增加值能耗影响所在地单位GDP能耗的比例等方面，远优于国家及地方相关指标，例证也证明水电站是清洁能源，其建设是发展清洁能源推进节能减排的有效途径。

(5)能量供入、损失的估算方法简单易操作，但精确度较差，建议下一步开展相关精细研究；进一步细化能量利用单元的划分方式的研究。

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(责任编辑 陈 萍)

Energy Conservation Analysis and Computation for Energy-saving Evaluation of Conventional Hydropower Station

WANG Tingting, LI Xiaowei

(PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Based on the principle of hydropower’s energy conversion, the energy input and output types are systematically analyzed. Taking the operation process of hydropower station as timeline, the energy utilization units are divided. Taking the conversion between standard coal and water energy as starting point, the energy balance table is prepared. Based on above analyses, the comprehensive energy consumption indexes of hydropower station are evaluated which will provide the basis for the assessment of hydropower project energy efficiency．

energy balance calculation; energy conversion; energy-saving evaluation; hydropower station

2015- 10- 18

王婷婷(1978—)，女，山西太原人，高级工程师，主要从事动能经济、水资源综合规划等工作．

TV741

A

0559- 9342(2016)06- 0080- 04