朱小山，蒋建刚

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 简介

1.1 机组转换效率

机组能量转换效率，是抽水蓄能电站的一个重要参数，它能体现出电站的总体设计是否合理，是否够能最优的发挥抽水蓄能的作用，直接反映抽水蓄能在电力系统中的运行效率。抽水蓄能电站的循环效率受机组效率、水道效率、水库渗漏、水库蒸发等其他因素的影响，在实际生产中机组转换效率计算公式是：η=发电量/抽水电量×100%。

1.2 全厂综合效率

全厂综合效率是全厂发电上网电量除以抽水受网电量。η=发电上网电量/抽水受网电量×100%。

2 历年转换效率分析

历年转换效率曲线见图1。

图1 历年转换效率曲线

（1）图1中数据取自历年发电量和抽水电量计算所得。

（2）从图1曲线可以看出，机组转换效率总体呈逐年下降态势。

（3）2006～2011年，机组转换效率保持在78.5%以上，呈缓慢下降趋势，年平均降幅约0.05%。

（4）机组转换效率下降降幅较大的年份发生在2012年和2014年，2012年下降0.49%，2014年下降达0.39%。

（5）2015～2019年，机组转换效率平均年下降0.12%。

3 影响机组转换效率的因素

3.1 水头对机组转换效率的影响

由水轮机效率曲线可知，水轮机效率随机组运行水头和所带负荷的降低而降低。机组运行时负荷设定值随上库水位变化而调整，高水头高负荷发电效率高，低水头低负荷发电效率低，一库水发电运行，发电机效率高低相差1.5%～2.0%，偏差随着下库水位的变化而变化。

通过查效率曲线，可统计出下库各水位下水轮机运行效率值，可知，下库水位越高，机组运行水头区域下移，水轮机平均效率越低，且下降速率逐步加大。

由水泵效率曲线可知，机组水泵工况效率随运行水头的升高而提高，高低水位抽水效率差值约为0.8%。下库水位升高时，水泵工况运行效率区整体下移，水泵效率线性下降，下库水位每升高1 m，电动机效率下降0.025%。经统计，下库各水头下水泵工况平均效率见图2。

图2 水泵效率曲线

综合水轮机和水泵效率，单纯下库水位变化引起的机组效率的变化计算结果见表1。

表1 下水库水位转换效率对照表

如图3所示，下水库水位除2011年和2014年上半年下水库在相对低水位运行，其他年度全年水位走势基本重合，然而2014年机组效率是大幅下降的。由此可见下库水位不是机组效率下降的主要因素。

图3 各年度下库水位趋势对比图

从图4可以看出2011年～2020年下库水位和效率变化图形混乱，2012年、2013年、2015年、2016年有反比关系，其他年度成正比关系。由此可知，下库水位不构成影响效率的决定性因素。

图4 各年度下库平均水位趋势对比图

A修前后6年时间下库水位变化对效率的影响大小见表2。

表2 A修前后机组转换效率统计

由表2可知，A修前6年机组平均效率为78.74%，A修后6年平均效率为77.30%，效率下降1.44%，其中包含了A修因素导致的效率下降为0.97%，下库水位不同（水位上升1.06 m）导致的效率下降0.47%，即下库水位上升1 m导致效率下降约为0.44%（0.47×1.0/1.06）。

3.2 1号机A修对转换效率的影响

机组A修对转换效率的影响可以通过统计A修前后月度转换效率来反映。表格中数据以每日电量为基础，剔除其中多抽多发、单机运行等非常规运行状态，保留其中两台机一次抽一库水的情况下的转换效率月度平均值。

由图5可知，2012年机组A修前，机组转换效率平均为78.19%，A修后，机组转换效率平均为77.93%，转换效率下降0.26%。由此推测1号机A修一定程度上降低了机组转换效率，原因为转轮裂纹维修后，转轮特性有所变化，水轮机/水泵效率有所下降。

图5 2012年月度转换效率曲线

3.3 2014年转换效率异常下降

2014年机组转换效率曲线见图6。

图6 2014年转换效率曲线

曲线分析：

（1）2014年机组转换效率总体呈下降趋势，与典型年度曲线不一致。

（2）2014年5月，将上水库低限水位由120 m调整至120.5 m，减少了机组在低水头低效率区运行时间，理论上机组转换效率应该提升，但通过曲线未有体现。

（3）综上分析，2014年效率下降仍然是转轮裂纹维修所致。

3.4 机组运行方式对效率的影响

沙河电站属于日调节电站，正常情况下夜间抽水，白天发电，典型循环日为一抽两发，两台机组运行时间基本相同。根据电网需要，循环日会出现一日多抽，单机连续运行等非常规运行方式，这些方式下机组转换效率会发生变化，可通过统计来分析其规律（表3）。

表3 单、双机电量、效率表电量单位：kW·h

在机组运行条件基本一致的情况下，统计数据可以看出，下午单机运行循环日机组循环效率稍有提高，分析可能原因有：①单机运行比双机运行减少了开停机次数，减少了开停机过程的流量损失，相应的增加了发电量。②单机运行时，水轮机净水头提高（同等条件下提高0.9 m），机组效率提高，发电量相应增加。

3.5 无功调节对效率的影响

2015年底之前，沙河电站机组发电和抽水基本不进行无功调节。2016年以后，电网加大对并网电厂系统电压的考核，为适应新形势下电网需求，电站制定了《220 kV母线电压调节管理规定》，并及时调整系统电压，经过运行数据统计，机组无功调节基本都发生在夜间抽水时段，基本以发出无功为主。机组抽水时发出无功功率，励磁电流增大，机端计量的抽水电量将增加，进而将降低机组转换效率。下表是同等条件下机组抽水电量的统计表，可反映抽水电量与无功负荷之间的关系。

表4 无功、抽水电量对照表

同时，对比2015年8月和2016年10月电量数据，机组除了无功外运行条件基本一致，2015年8月，机组抽水工况不进行无功调节，日均抽水电量66.4万kW·h；2016年10月，机组抽水工况频繁进行无功调节，单机平均带10 Mvar无功运行，日均抽水电量67万kW·h，日抽水电量比2015年增加6 000 kW·h左右。

3.6 变压器损耗的影响

计算用抽水电量取自机端，电量中包含有变压器损耗、励磁变、厂用电等使用电量，因此主变损耗的大小将直接影响机组转换效率。已知两台主变空载损耗分别为48 kW和46.4 kW，两台主变每日空载损耗电量2 265.6 kW·h。

由于主变损耗无法直接测量，可通过历史上的机组停运日（或不发电少抽水日）的受网电量和厂用电量的差值间接推测。同时，沙河电站厂用电计量表计安装在厂变低压侧，此差值包含主变损耗、厂用变损耗和励磁变损耗，统计数据见表5。

表5 变压器损耗统计表单位：kW·h

以上数据反映2台主变空载损耗未有增加迹象，数值上也与主变铭牌数据吻合，可排除机组转换效率下降是由主变损耗增加引起。

3.7 水泵工况导叶协联曲线的影响

机组抽水工况下，调速器根据水头协联曲线选择相应的开度，如水头测量发生偏差，将导致抽水时导叶开度发生变化，进而影响水泵抽水流量，而此时电动机从电网吸收的有功功率基本不变，随之机组抽水效率将发生改变。表6统计了近年来机组在各水头下导叶开度数据，经对比分析，两台机抽水工况下水头协联曲线未发生变化，对机组转换效率的下降基本没有影响。

图7 抽水工况水头、开度协联曲线

表6 机组水头、导叶抽样开度统计表水位、水头单位：m

3.8 环境温度对效率的影响

统计2006年以来机组转换效率月度曲线可以看出，典型年度转换效率曲线为中间高两头低，与年度气温度变化曲线一致。由此推测，机组转换效率随气温的升高而增高，随着气温的降低而降低。历年均值比较，年度最高和最低相差0.4%。分析造成此规律的原因有：①根据机组发电能量转换方式气温升高时，水的密度ρ降低,同等功率、水头和流量下机组发电效率增高。②迎峰度夏期间，白天会增加抽水，机组增加高效率区运行时间，也增加了机组转换效率。

机组发电时能量转换方程为

式中，P为发电机输出有功功率（kW）；ρ为水的密度（103kg/m3）；g为当地的重力加速度（m/s2）；Q为发电流量（m3/s）；H为水轮机净水头，ηt为水轮机效率；ηg为发电机效率。

图8 机组转换效率月度曲线

图9 历年转换效率月度均值

3.9 水道损耗的影响

抽水蓄能电站上、下库的位置和地形条件决定了电站水头和电站输水水道的长度。在电站水头损失中，水道水头损失占一定比例，且损失大小与水道的长度成正比，水道越短水头损失越小，水道的效率越高。沙河电站上游引水隧洞长670 m。近年来，电站监测水道孔隙压力呈逐年下降趋势，故可认为电站水道损失未发生变化。

图10 输水管道孔隙压力

3.10 水库降雨和蒸发的影响

沙河电站上水库位于北半球亚热带和暖温带的过渡地带，属季风型气候，干湿冷暖四季分明，雨量丰沛，日照充足，气候宜人。据溧阳市气象局50年气象观测记录资料显示：年平均降水量1 133.6 mm，雨133 d。上水库总集雨面积为17.8万m2，折合发电量59.63万kW·h。2016年常州地区降水量达创纪录的2 165.2 mm，折合发电量113.89万kW·h。

根据溧阳市气象站资料统计，多年平均年水面蒸发量为946.5 mm，年内以7月份蒸发量最大，达到154.4 mm，1月份最小，仅34.6 mm。正常蓄水136 m时的水库面积为14.5万m2，折合发电量40.56万kW·h。

3.11 水库渗漏的影响

沙河电站上水库正常蓄水位136 m，正常消落水位120 m，死水位116 m，总库容262.27万m3，有效库容236.20万m3，死库容26.07万m3。上水库多年观测数据稳定，量水堰观测平均渗漏量为4.85 L/s，可以粗略计算出年渗漏量为15.29万m3，折合年发电量损失45.2万kW·h。

图11 上库坝角渗漏曲线

4 转换效率下降综述

抽水蓄能电站的循环效率受机组效率、变压器损耗、水道损耗、水库渗漏、水库蒸发等各种因素综合影响。通过以上分析，变压器损耗、水道损耗等机组以外因素未发生明显恶化迹象，可推测转换效率下降由机组效率下降引起。对电站机组转换影响较大的有：①机组A修转轮裂纹修复后，转轮特性发生改变，是机组效率下降的主要因素；② 机组转换效率随下库水位的变化而变化；③运行方式的调整，无功负荷的大小也产生一定的影响。

5 建议

1号机转轮于2021年进行了国产化技术改造，2号机转轮计划于2023年进行国产化技术改造，建议A修前后进行单机效率试验，以掌握更精确的数据。

（1）与调度沟通协调，尽量在较高水头运行。

（2）与沙河水库沟通协调，尽量维持沙河水库在低水位。