水轮发电机能量利用及其能效评估法研究

王飞虎

（安徽省机电排灌总站 合肥 230022）

我国具有丰富的水利资源，水电站的建立为水能向电能的转化提供了场所，但是在发电过程中不可避免地存在着一定的能量损耗现象。由于机组过流部件磨损、机组的投产运行时间过长、引水流道淤积等因素的影响，降低了机组的能量转化性能，损失了水能利用。因此本文选取某水电站某台机组进行研究，要求对电站水轮发电机建立合理、客观而全面的能效评价体系，正确评估生产环节的能源消耗状况，以此提升资源利用率。

1 水轮发电机的能量利用

耗水率、有效率、电站水能利用率是我国水电站机组能量利用中经常采用的评估方法。效率评估中受到运行工况影响，难以有效评估一个时段内的能量利用情况。耗水率对发电过程能量损失的原因难以实现有效分析，主要反映机组时段内的能量转化情况。电站水能利用率难以正确反映机组的能效性能，可见传统的评估方式运用中存在一定的局限性。

本文对水轮发电机能量转化过程的分析综合考虑了引水流道、电站机组运行工况、设备性能等多方面因素，能够实现对水轮发电机水能利用科学而全面的评估。水力发电是对水力资源的一种有效运用方式，实现了水库的蓄水势能向电力系统电能之间的转化，其转化过程见图1。

在引水系统的运用之下，上游水库蓄水能量能够进入到供水系统以及机组的水轮机之中，水轮机能够将水能通过机械能将其转化为电能并传递至发电机。部分能量离开机组直接进入电站下游。通过发电机的运用，能够有效实现机械能向电能的转化，并将电能输送至用电系统与电网之中，以此实现对能量的有效利用。

通过对水库的蓄水势能转化过程的分析，能够看到这一过程中不可避免地出现了能量损失现象，包括水能损失等。由于水轮发电机的自身运用效能等原因，会出现由于发电导致的能量损失，常见的包括导叶漏水水耗、技术供水系统水耗、机组空载运行水耗等。

空载运行水耗、技术供水系统的水耗是系统运行过程中不可避免的能量损失，与机组的自身性能无关。效率损失、引水系统损失、导叶漏水损失等是由机组自身性能而导致的能量损失现象，通过相应措施的运用能够有效避免这些能量损失。

2 水轮发电机能量利用及其能效评估方法

水轮发电机能效是能源利用时能源量与实际消耗能源量之间的比值。水轮发电机能量利用效能评估过程较为复杂，需要运用到多个实时参数，包括负荷、压力、水头、流量等，要求据此建立实时计算模块，构建计算流程如图2。

在评估过程中要求首先能够获得水电站计算机监控系统、机组超声波流量计、水调自动化系统中水轮发电机组的实时运行数据与运行状况，并能够获知发电机设计、水轮机、校核效率曲线等一些基础性数值。

图1 水电机组能量转化过程图

图2 水电机组能效评估流程图

图3 机组水能耗水率与利用率对比图

表1 各个月份能效利用计算结果表

表2 各个月份能量占比计算结果表

表3 该水电站某台机组 1～6月主要运行数据表

结合各个运行模块计算能量，要求在这一过程中能够充分结合机组的运行状态。在计算机监控系统中，水轮发电机组具有空载态、停机态、不定态、发电态、空转态、调相态共六种状态，这些状态均具有不同程度的能量损耗。其中水量损耗较大的为空转运行以及机组空载状态。日常运行中，调相态、不定态的运行时间一般较短，这主要是为了能够满足调度要求。因此在计算机组自身能效分析过程中，主要是在停机态与发电态状态下进行计算。在机组处于发电态下，机组过机水能可以转化为固有损失能量、实际发电量、引水损失能量、性能损失能量等。在机组停机态下，机组过机水能可以转化为导叶漏水损失能量。计算周期设置为 1min，采用积分方式进行周期时段内的能量计算。

选取日、月、年不同时段，对数值进行实时计算，得出机组水能利用率。通过有效的数据分析得出各部分能量、判断不同时间段机组水能利用率。目前我国具有多种类型的水轮发电机组，不同电站机组运行环境差异较大。因此在水轮发电机组的能效评估与分析过程中，在厂内采取横向对比的计算方式，针对同一机组，采取不同时间段的数据进行纵向对比与分析，以此判断各部分能量损耗的变化情况。

3 水轮发电机能量利用及其能效评估案例分析

本文研究中选择某水电站某台机组作为研究对象，该机组为立轴混流式机组，额定容量25 万kW。选取该机组 2018年1～6月的数据，分析各月水能利用率，见表1。

计算各个月份的能量占总过机水能的比例，计算结果见表2。

将该机组2018年1～6月机组耗水率与水能利用率进行对比，比较结果如图3。

从图3中能够看出该水电站某台机组2018年1～6月总体水能利用率为81.85%，固有损失能量 Eg（ 7.27%） 与机组性能损失能量 Ex（7.37%） 是能量损失的重要构成部分。 5月份水能利用率较低，综合各项数据能够看出5月份机组性能损失高于其他月份，因此降低了能量利用效率。该机组2018年1～6月机组运行数据见表3。

从表3中机组的各项运行数据能够看出，电站水库月平均水位较低的月份为5月份，主要是受到汛前水位控制的影响，在这六个月份中，5月份平均运行出力只达到额定负荷的52.1%，为13.02 万kW，为最低值。机组5月份表现出了显著的机组水能利用率偏低、机组性能损失能量占比偏高的现象，因此导致机组水能利用率偏低，出现了较低的运行出力与运行水头。

4 结语

本文在研究中选取某水电站某台机组作案例分析，分析其水轮发电机的能效水平，以此量化评估机组能效性能的全过程，并计算各个环节中损失的能量。该机组2018年5月份水能利用率较低，主要是由于机组水能利用率偏低、机组性能损失能量占比偏高，降低了机组水能利用率。本文对机组能效变化原因的分析研究，对于促进水电站调度计划的完善，加强检修维护计划安排，实现机组实时运行控制，具有一定的参考价值■