魏強(qiáng)林，闞永庚

（江蘇省江都水利工程管理處，225200，揚(yáng)州）

南水北調(diào)東線工程從長(zhǎng)江到黃河南岸共設(shè)有13座梯級(jí)抽水泵站，總揚(yáng)程65 m?；春蛹耙抒疸艉恿饔蛎磕暧写罅亢樗陀嗨ㄟ^(guò)淮河入江水道和入海水道排入長(zhǎng)江、黃海。東線工程的部分泵站工程可利用這些洪水和余水反向發(fā)電，這些泵站有江都三站、沙集站、劉老澗站、泗陽(yáng)站、淮安站等，有的泵站年最長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間達(dá)9個(gè)月。泵站反向發(fā)電既取得了良好效益，也充分利用了水資源。

一、江都三站的概況

江都三站建成于1969年，安裝有ZLQ13.5—8型液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵10臺(tái)套，配套1 600/600 kW、24P/48P型立式可逆電動(dòng)發(fā)電機(jī)，單機(jī)抽水流量13.5 m3/s。除抗旱、排澇外可反轉(zhuǎn)發(fā)電，在水頭4 m時(shí)單機(jī)可形成發(fā)電能力300 kW。根據(jù)南水北調(diào)東線工程的規(guī)劃，2006年9月至2009年5月，對(duì)江都三站進(jìn)行更新改造，改造后主水泵為2000ZLQ13.5—8型液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵，單機(jī)抽水流量 13.5 m3/s，轉(zhuǎn)速 214.3 r/min，配套TL 1600—28/2600型同步電動(dòng)機(jī)，總裝機(jī)容量16 000 kW。為充分利用水能資源，提高工程的綜合功能，泵站改造后保留發(fā)電功能。

二、反向發(fā)電方式及其技術(shù)比較

泵站反向發(fā)電主要有同轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速2種方式，變轉(zhuǎn)速包括變極和變頻2種形式。

1.同轉(zhuǎn)速發(fā)電

同轉(zhuǎn)速發(fā)電是指反向發(fā)電時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速與抽水時(shí)轉(zhuǎn)速相同。這種方法直接利用水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電，基本不需要增加設(shè)備和投資，方便經(jīng)濟(jì)。

由于同轉(zhuǎn)速反向發(fā)電運(yùn)行時(shí)，其高效區(qū)水頭一般低于抽水工況時(shí)的揚(yáng)程，在上下游水位差較小時(shí)，其運(yùn)行效率偏低，不能高效利用水能資源。

2.變極發(fā)電

變極發(fā)電方式是通過(guò)改變電機(jī)繞組的連接方式來(lái)改變電機(jī)的極數(shù)，電機(jī)的接線方式不同，極數(shù)也不同，從而電機(jī)轉(zhuǎn)速也不同。一般發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)速是抽水時(shí)的1/2。

變極發(fā)電雖然不需要增加其他設(shè)備，但由于電機(jī)的極數(shù)增加，使得電機(jī)體積明顯加大，不但制造成本大大增加，而且電機(jī)的效率也會(huì)降低。據(jù)測(cè)算，抽水運(yùn)行時(shí)，雙速電機(jī)比單速電機(jī)的效率低2%左右。在低水頭情況下，變極發(fā)電比同轉(zhuǎn)速效率高得多，而在1969年江都三站建站時(shí)，變頻技術(shù)還很不成熟，只有采用變極方式。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，因泵站的抽水時(shí)間遠(yuǎn)大于發(fā)電時(shí)間，以降低抽水效率達(dá)到發(fā)電的目的是不經(jīng)濟(jì)的，故一般不采用變極發(fā)電方式。

3.變頻發(fā)電

變頻發(fā)電方式是采用變頻裝置，將水泵在低速狀態(tài)下發(fā)出的低于電網(wǎng)頻率、電壓的電能轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)頻率、電壓相同的電能。該發(fā)電方式可以使水泵運(yùn)行在發(fā)電高效區(qū)，水泵機(jī)組本身不需要增加輔助設(shè)備，電機(jī)的保護(hù)及勵(lì)磁功能僅需作一些技術(shù)上的調(diào)整，但需要增加1套變頻設(shè)備以及相應(yīng)的廠房。

目前大型泵站變頻發(fā)電方式主要是根據(jù)泵站機(jī)組發(fā)電的總?cè)萘吭黾?套變頻發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)輔助設(shè)備。抽水運(yùn)行時(shí)水泵機(jī)組正常運(yùn)行，不需要使用變頻機(jī)組；發(fā)電運(yùn)行時(shí)水泵機(jī)組以低于抽水時(shí)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，發(fā)出的低頻、低電壓電能驅(qū)動(dòng)變頻機(jī)組電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出與電網(wǎng)頻率、電壓相同的電能。

表1 3種發(fā)電方式下經(jīng)濟(jì)比較

4.發(fā)電方式比較

比較以上3種發(fā)電方式，同轉(zhuǎn)速發(fā)電最簡(jiǎn)單，基本利用現(xiàn)有設(shè)備，技術(shù)方面也基本相同。變極發(fā)電也基本利用現(xiàn)有設(shè)備，僅僅是在發(fā)電時(shí)改接電機(jī)的接線以改變電機(jī)極數(shù)，其他技術(shù)方面也基本相同。變頻發(fā)電需要增加1套變頻設(shè)備（一般為變頻機(jī)組），發(fā)電運(yùn)行時(shí)，利用外部電源啟動(dòng)變頻機(jī)組，再逐臺(tái)啟動(dòng)水泵機(jī)組，逐步由水泵機(jī)組發(fā)電驅(qū)動(dòng)變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變頻電動(dòng)機(jī)向外發(fā)出電力。

三、反向發(fā)電方式經(jīng)濟(jì)比較

1.同轉(zhuǎn)速發(fā)電

江都三站原機(jī)組為可逆式機(jī)組,因此同轉(zhuǎn)速發(fā)電時(shí)，只要考慮部分輔助設(shè)備調(diào)整改造需增加的投資，經(jīng)估算約為20萬(wàn)元；年發(fā)電運(yùn)行管理費(fèi)平均約10萬(wàn)元；同轉(zhuǎn)速發(fā)電量比變極發(fā)電量低，經(jīng)實(shí)測(cè)約為變極發(fā)電的60%，根據(jù)江都三站歷史發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，變極發(fā)電平均年效益約為108.24萬(wàn)元，同轉(zhuǎn)速發(fā)電效益約為64.94萬(wàn)元。

2.變極發(fā)電

主要考慮的是變極電機(jī)與不變極電機(jī)的差價(jià)。根據(jù)上海電機(jī)廠提供的參考價(jià)格,TL 1600—28/56同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格約為150萬(wàn)元/臺(tái)，而TL1600—28同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格約為100萬(wàn)元/臺(tái),則每臺(tái)變極電機(jī)要多投資 50萬(wàn)元，10臺(tái)電機(jī)共計(jì)500萬(wàn)元；因電機(jī)體積增大而導(dǎo)致土建增加的經(jīng)費(fèi)約 60萬(wàn)元，10臺(tái)合計(jì)600萬(wàn)元；其余費(fèi)用與同轉(zhuǎn)速發(fā)電相同。

2006年2月9日，比較江都三站原5號(hào)水泵機(jī)組（改造前），在變極和同轉(zhuǎn)速工況下倒轉(zhuǎn)發(fā)電，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果看，變極發(fā)電功率是同轉(zhuǎn)速的1.38倍。運(yùn)行過(guò)程中，變極發(fā)電噪聲低，振動(dòng)小，機(jī)組溫升低，性能穩(wěn)定。同轉(zhuǎn)速發(fā)電時(shí)，雖然機(jī)組啟動(dòng)正常，但噪聲大，振動(dòng)比在變極發(fā)電工況下大得多，而且機(jī)組出水量較變極發(fā)電時(shí)明顯增大。變極發(fā)電時(shí)單機(jī)出水量約9～10 m3/s，同轉(zhuǎn)速發(fā)電出水量達(dá)13～15 m3/s。因此，采用同轉(zhuǎn)速發(fā)電不僅機(jī)組運(yùn)行工況差，而且發(fā)電效率也比變極發(fā)電低得多。

3.變頻發(fā)電

變頻發(fā)電時(shí)，增加1臺(tái)4 000 kW發(fā)電機(jī)（6 kV/50Hz）和 1臺(tái) 4 300 kW電動(dòng)機(jī)（3 kV/25Hz）及相應(yīng)附件，變頻機(jī)組轉(zhuǎn)速107 r/min。變頻機(jī)組約需250萬(wàn)元，增加廠房造價(jià)約60萬(wàn)元，相應(yīng)輔助設(shè)備約需50萬(wàn)元，合計(jì)360萬(wàn)元，其余費(fèi)用相同。

2009年3月，江都三站進(jìn)行了變頻機(jī)組發(fā)電試運(yùn)行，在5 m水頭下，最大單機(jī)發(fā)電功率為430 kW，機(jī)組平均發(fā)電功率在380 kW左右。同時(shí)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、噪聲等參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，機(jī)組運(yùn)行可靠穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

四、江都三站反向發(fā)電效益分析

改造前的江都三站多年發(fā)電運(yùn)行時(shí)平均單機(jī)功率均大于300 kW。以單機(jī)發(fā)電300 kW、電價(jià)0.3元/kWh計(jì)，至2007年，江都三站總發(fā)電收益（不考慮資金的時(shí)間價(jià)值）為3 139.09萬(wàn)元，平均年發(fā)電收益為108.24萬(wàn)元；平均年發(fā)電臺(tái)時(shí)為12 027.17臺(tái)時(shí)。江都三站有10臺(tái)機(jī)組，開(kāi)機(jī)率按80%計(jì)，則平均年發(fā)電天數(shù)為62.64天。

設(shè)年發(fā)電效益和年運(yùn)行管理費(fèi)用在泵站有效壽命內(nèi)為定值，假設(shè)資金年利率為5%，設(shè)備使用年限按30年計(jì)。采用動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算江都三站3種發(fā)電運(yùn)行方式凈效益終值，結(jié)果見(jiàn)表 1。

從表1可以看出，同轉(zhuǎn)速發(fā)電投資少，收益也低；變極發(fā)電一次性投資高，收益較高，但綜合收益低，而且對(duì)抽水運(yùn)行影響大；變頻發(fā)電投資較高，收益高，對(duì)抽水運(yùn)行無(wú)影響。因此，在發(fā)電水頭較低的情況下，變頻發(fā)電是最理想的選擇。

[1]莫岳平.軸流泵站反向發(fā)電運(yùn)行方式選擇的研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào),1999(2).

[2]劉寧,汪易森.南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測(cè)試[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006.

[3]問(wèn)澤杭,莫兆祥.變頻發(fā)電技術(shù)在劉老澗泵站反向發(fā)電中的應(yīng)用 [J].人民長(zhǎng)江,2009(20).

[4]陳守倫.工程經(jīng)濟(jì)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1996.

[5]蘭才有,儀修堂,段桂芳,等.南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組選型方法探討[J].排灌機(jī)械,2004(1).

[6]徐付祥.諫壁抽水站技術(shù)改造后的試運(yùn)行分析[J].排灌機(jī)械,2005(4).