農村水電節能設計方法

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隨著社會對能源需求的不斷增長，建設節能型社會已提到重要戰略高度，我國的能源政策是“開發與節約并重”，政府部門帶頭垂范，從節約一噸水、一度電做起，引導社會各方面各階層做好節能工作。電力是能源戰略的重要組成部分，如何節電、節能已成為舉國上下關注的焦點,本文就小水電設計選型和運行中有關如何提高水能轉換效率、發電效率及減少輸變電損耗、修訂并網功率因數考核標準等方面做出論述介紹，供有關行業參考。

一、提高水工設施能效

低水頭大流量的河床式、壩后式水電站，應減少進水口和攔污柵水頭損失，進水口應力求順暢，攔污柵應采用寬面布置，不要太密，尾水渠要盡量寬深，調節水庫應充分注意保持高水位運行。中高水頭的引水式水電站，盡量采用有壓引水，力求采用優化調節運行，壓力管道截面要從節能降耗方面比較確定，特別是較長的管道，以等徑變管厚為宜。如某電站設計水頭220m，有壓引水鋼管長760m，額定引用流量0.63m3/s，在初步設計時選擇下段管徑為0.5m，厚度為10mm，上段管徑為0.6m，厚度為6mm，計算重量為82t，計算水頭損失為11.4m，最大損失功率55kW，年平均損失電能15萬kW·h，施工時采用上下段管徑均為0.63m，厚度為5-6-8-10mm，計算重量為86.5t，計算水頭損失減少為6m，最大損失功率為30kW，年平均損失電能為8萬kW·h，增加4.5t的鋼管，年減少電能損失7萬kW·h，一年半就可收回投資。

二、水輪機選型與節能

水輪機的節能，最大方面是注重轉輪的最高效率和實際運行區的效率，現在水輪機轉輪的品種和規格很多，可以通過選擇轉輪型號和直徑，使水輪機在最優工況運行，還可以在一個電站內選擇不同型號和直徑的轉輪，甚至可選用不同類型的水輪機，如徑流引水式中水頭水電站，采用斜擊式與混流式水輪機混用，以保證兼顧流量變化的運行工況外仍具有較高的效率，而以前不注意能效，都按電站同一種轉輪考慮，臺數也盡量少選，更不考慮使用兩種類型水輪機。小水電的水輪機如能滿足并網運行時的穩定性，就不宜配飛輪，而應盡可能用兩支點形式，效率至少可提高1%。低水頭機組的安裝吸出高程應盡量低，理論上雖有相應規定，但實際上正吸出高程段尾水管的能量回收是很有限的，經常產生低水頭機組的效率達不到，基本上都把尾水管的吸出高度計入設計水頭。另外就是要購買效率高質量好的水輪機，雖好的廠家水輪機價格可能高10%，甚至20%，但水能轉換效率可提高3%～5%，以HL220-WJ-50型水輪機工作在52m水頭為例，效率差3%（好的水輪機效率可達89%，差的則達不到86%）也就是27kW，發電裝機的綜合造價按5500元/kW計算，價值近15萬元，而水輪機出廠價相差不到3萬元，按機組年利用小時4000h計算，約1年就可收回增加的投資，質量好的水輪機使用壽命也長，維修費用少，影響發電少，效益明顯。有的電站甚至購買舊水輪機使用，或老舊差的水輪機一直不進行更新改造，不僅經濟上不合算，同時也浪費大量水能資源。

三、發電機選配與節能

從現代小型同步發電機勵磁類型和制造使用情況看，無刷勵磁的發電機效率較高，可控硅整流次之，機械勵磁和電抗分流勵磁較差。無刷勵磁發電機的主勵磁電流回路最短，損耗最少，其他回路損耗更微小，目前主要使用在12極100～630kW以下小型發電機，一些低轉速的和800～2000kW高壓機組較少選用，主要是旋轉整流二極管容量（現已有很多大電流整流元件可供選配）、勵磁電流觀測和停機滅磁等問題，其實對小機組勵磁電流觀測（可在交流勵磁機調節電流和并網功率因數加以間接測控）和滅磁（非電機內部短路停機滅磁無大作用，內部短路機率極少，慢速滅磁也不會造成嚴重后果）不是很必要，轉速低的電機可通過增加交流勵磁機定子磁極的對數解決，該勵磁方式可使整機發電效率提高約1%，價格便宜，運行可靠，占地也少，值得廣泛采用?？煽毓鑴畲胖饕跇O低轉速和較大容量同步發電機使用，機械勵磁和電抗分流勵磁最好不用，小容量（500kW以下）發電機組最好使用異步發電機，綜合效率可提高1%～2%。

容量選配也是小型發電機節能的一個主要措施，以前生產的微小型同步發電機，額定功率因數滿載的勵磁損耗功率約占標稱額定功率的2.5%，發電機定子鐵芯損耗一般在2.0%，定子線圈功率損耗一般在5.0%，現在生產的同步發電機一般分別相應減少為2.0%、1.5%、4.0%，但電機的綜合發電效率一般也只有92.5%左右（容量較小的只有90%左右，容量較大的一般可達95%）。從節能的角度講，負荷率控制在80%較好，綜合考慮節能和造價，一般負荷率控制在90%～95%為好，特別是利用小時較高的機組，應盡量不要滿負荷甚至超負荷長期運行，也不要低于30%負荷運行。當然這是指目前普通電機廠電機制造效率低而言，現在小型同步發電機與全國統一制定標準設計的節能變壓器、節能交流電動機相比，效率相當低，習慣上也都不標明損耗和效率。

四、機組配套和運行節能措施

水輪機宜工作在最佳效率區，偏離該工況效率將大幅度下降，尤其是軸流式、貫流式和混流式，只有沖擊式水輪機最高效率區較寬，發電機則工作在額定功率（容量）的70%～90%范圍效率較多，綜合水輪機和發電機工作效率的特點，一般以水輪機運轉特性曲線中最高效率點對應的出力（如水頭變化范圍較大，按最大工作水頭計算）乘以電機效率，按發電機最佳負荷率0.9計，節能效果最好。有的設計人員經常把電機配小，使之處于超負荷運行，被業主誤認為機組好，設計水平高，而實際卻是浪費資源，要么電機在高損耗區運行，要么水輪機在低效率區運行，始終沒有一個最佳效率區。就運行方式而言，日調節以上（有壓引水）的電站容易做到優化高效運行，如是徑流（引水式）水電站，則應通過選擇開大小容量的機組，適應流量（發電出力）較多的變化，流量小到機組進入嚴重低效率區運行時，則應利用前池（或修建不完全日調節池）和尾部渠道或引水壩共同短時蓄水，采用間歇開停機方式發電運行，保證機組具有一定的發電效率，尤其是反擊式水輪機組更為重要。另外還應在值班廠房裝設水位落差觀測裝置，使水庫或前池在合理的水位范圍內運行，壓力管道、壓力隧洞較長的應盡量按平衡負荷運行，一般少承擔調峰，以利于節能。

五、變壓器選擇與節能

配電變壓器的選擇已介紹很多，從效率理論上講，當變壓器的可變銅損和固定鐵損相等時運行效率最高，現在一般1000kVA左右的S9型節能變壓器，空載損耗只有負荷損耗的16%（滿載總效率已達98.8%），即負荷率在40%時效率最高，電站升壓變也是一樣，不要經常處于滿載甚至超載運行，電站裝2臺機組，完全可選1臺升壓變，3臺機組可選2臺或1臺，4臺機組選2臺，容量選擇應是機組總功率的1.25倍后再加大（或高靠）一個容量等級。如某電站裝機2×320kW＋1×200kW，選擇1臺1250kVA變壓器比選擇1臺1000kVA或選400kVA＋630kVA各1臺合算。變壓器容量選大一個等級，運行壽命和可靠性都將提高，增加投資（減少電能損耗）的回收年限一般在3～5年。另選擇升壓變的變比要適當，一般比輸電線路的額定電壓高10%，通過調整無載分接開關，使發電機保持在額定電壓運行，不應偏離太多，電壓過高或過低對節能都不利。

六、電線、電纜、高壓線路的選擇與節能

以前有色金屬較緊缺，選擇導線一般偏向按安全電流、電壓降、機械強度的原則，較少顧及經濟電流和節能。而現在，則應按增加導線截面而增加的投資（導體截面增加占輸配電總造價的比例不高）及減少電能損耗5年左右能回收的原則，選定導體截面，雖消耗有色金屬較多，但長遠的節能效益還是較為顯著的。應盡量減少0.4kV配電路徑長度，農村的小水電和用電戶往往比較分散，發供用各方應統一布局10kV公用配電網，盡量減少迂回送電，送電路徑較長的10kV線路，應在末端裝高壓電容補償，發電站基本少送無功功率，盡量保持額定電壓運行，運行電壓偏離太多對節能不利。小水電比較集中連片的應協調統一聯接后架線輸電，容量達1500kW、輸送距離在8～10km以上的可選擇輕型35kV線路送電，既節省投資又可節能。如梅山鄉龍口片有小水電5處共2945kW，原由2條10kV路送入前坪變，主線長度分別為10km和8km（導線為LGJ-50），電能輸送損耗高達10%以上，豐水期都無法正常輸電，電壓抬高到無法運行，后來統一建設小型戶外3150kVA升壓站，將1條LGJ-50導線改架為15m拔梢桿、角鋼橫擔、合成絕緣子的輕型35kV線路，投資35萬元，線損降為2%以下，年節約電能90萬kW·h，不到2年就收回投資。優化選擇離負荷中心近的、輸電線路短的電站作為調峰運行，有利于節能。

七、并網功率因數考核及調整修訂

農村小型水電站從獨立運行到連成鄉網、縣網，現在又并入省級電網運行，以前小電網自然功率因數低，又無補償設備，所以小型發電機的額定功率因數都統一按0.8設計，1978年國家水利電力部文件規定，并網功率因數按0.8考核。隨著電力電容補償設備和技術的進步，完全可以做到在用電戶、配變電站內進行無功補償，基本做到無功功率就地平衡，使輸配電線路基本不輸送無功功率（發達國家如日本早已實現），大大減少發、輸、配電過程的電能損耗。我國大中型發電機的額定功率因數一般按0.9或0.95設計，而小水電并網發電計量至今還一直按功率因數0.8考核，加上升壓輸電聯網過程中的無功損耗，發電機的實際運行功率因數經常在0.75左右。雖然小型電機設計上允許在額定功率、額定功率因數長期運行，但這是指電機溫升在最高允許值的約束下，所能承受的最大運行容量，若電源端電壓大量抬高，升壓變則只比額定電壓高10%，有的發電機在超過額定電壓的10%以上范圍運行（如低壓電機在0.45kV運行），溫度超過75℃以上，勵磁系統也超出運行范圍，電能損耗嚴重加大，電氣設備故障率、事故率提高，壽命大為降低。例如大田縣某電站裝機2×500kW，10kV送電線路10km，導線為LGJ-50，當2臺機滿負荷在功率因數0.8運行時，包括發電機、出線電纜、升壓變（0.4/11kV）、輸電線路的有功功率可變損耗為148kW，損耗率為14.8%，機端電壓抬高到0.45kV（變電站10kV母線電壓常保持在10.5～11.0kV），運行狀況和電能損耗很惡劣，如2臺機滿負荷在功率因數0.9運行時，相應有功功率可變損耗則降為117kW，損耗率為11.7%，減少3.1%，如功率因數提高到0.95運行，有功功率可變損耗則降為105kW，損耗率為10.5%，又降低了1.2%。綜上所述，提高農村小型水電站的運行功率因數,不僅節能很顯著，還可改善小型發電機的運行可靠性、安全狀況，延長設備使用壽命?，F在，國家大力提倡節能、節約，小水電的并網考核功率因數卻未能及時進行修改，其原因主要是對小水電的歧視，損耗由電站承擔（計量裝在并網側，還加扣線損）。建議國家電監會協調供電和小水電主管部門，盡快修訂小型發電裝置并網和用電戶、輸配電功率因數考核管理辦法，在變電站或負荷中心并網計量的發電廠，按功率因數0.894（無功與有功電量比為50%）考核，在電站高壓側計量的按0.857（無功與有功電量比為60%）考核，少發無功電量按0.01元/kvarh扣減上網電費（無功電量計價原則為補償收益法，如100kvarh無功補償設施，需投資約3000元，每月可補無功電量7.2萬kvarh，電費720元，不到半年就可收回投資），超發無功不獎（只選定離負荷中心或變電站近、較大容量的電站作調壓，其超發無功按0.01元/kvarh計價），這樣，小型發電機運行功率因數將在0.838～0.819范圍內（有功與無功電量比為65%～70%,升壓變和輸電線路約損耗無功15%左右，使送到變電站的有功與無功比例為50%～55%，電網用電平均功率因數約0.9，有功與無功電量比為48%），從而做到無功功率的合理平衡，可使全社會小型發電裝置的發輸電效率平均提高2%以上，這樣具有很大的節能和經濟意義，而且很容易做到。

八、結束語

較大容量電站（裝機1萬kW左右）的綜合能效（水能理論值實際送網電能值）可達80%左右，而目前很多小水電站（裝機1600KW以下）的綜合能效只有70%左右，低了約10%。小水電最大的不足之處在于能效低，而社會上認為小水電質量不好，根本是誤解，質量并沒有差別，差別在于小電網設施和管理水平較低，供電質量和可靠性較差。根據筆者20幾年的實踐經驗和做法，在微小型水電設計選型和運行中，如重視搞好節能工作，使綜合能效提高5%～10%完全可以做到，但是大多數時候沒有得到真正重視，有的是業主和設計人員在建設時共同做，有的是運行上的綜合措施，小水電規劃設計單位、機電設備生產廠、電力生產和供應企業、發供電綜合監管部門應攜手共同努力，提高發變電設備的效率，優化設計選型，科學調度運行，合理修訂并網功率因數考核標準，做好無功功率就地補償平衡，盡量減少電能浪費，使寶貴的水能資源發揮更大的效益。