導(dǎo)語(yǔ)：農(nóng)村水電節(jié)能設(shè)計(jì)方法一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

隨著社會(huì)對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)已提到重要戰(zhàn)略高度，我國(guó)的能源政策是“開(kāi)發(fā)與節(jié)約并重”，政府部門(mén)帶頭垂范，從節(jié)約一噸水、一度電做起，引導(dǎo)社會(huì)各方面各階層做好節(jié)能工作。電力是能源戰(zhàn)略的重要組成部分，如何節(jié)電、節(jié)能已成為舉國(guó)上下關(guān)注的焦點(diǎn),本文就小水電設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行中有關(guān)如何提高水能轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電效率及減少輸變電損耗、修訂并網(wǎng)功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)等方面做出論述介紹，供有關(guān)行業(yè)參考。

一、提高水工設(shè)施能效

低水頭大流量的河床式、壩后式水電站，應(yīng)減少進(jìn)水口和攔污柵水頭損失，進(jìn)水口應(yīng)力求順暢，攔污柵應(yīng)采用寬面布置，不要太密，尾水渠要盡量寬深，調(diào)節(jié)水庫(kù)應(yīng)充分注意保持高水位運(yùn)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(yōu)化調(diào)節(jié)運(yùn)行，壓力管道截面要從節(jié)能降耗方面比較確定，特別是較長(zhǎng)的管道，以等徑變管厚為宜。如某電站設(shè)計(jì)水頭220m，有壓引水鋼管長(zhǎng)760m，額定引用流量0.63m3/s，在初步設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算重量為82t，計(jì)算水頭損失為11.4m，最大損失功率55kW，年平均損失電能15萬(wàn)kW·h，施工時(shí)采用上下段管徑均為0.63m，厚度為5-6-8-10mm，計(jì)算重量為86.5t，計(jì)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(wàn)kW·h，增加4.5t的鋼管，年減少電能損失7萬(wàn)kW·h，一年半就可收回投資。

二、水輪機(jī)選型與節(jié)能

水輪機(jī)的節(jié)能，最大方面是注重轉(zhuǎn)輪的最高效率和實(shí)際運(yùn)行區(qū)的效率，現(xiàn)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的品種和規(guī)格很多，可以通過(guò)選擇轉(zhuǎn)輪型號(hào)和直徑，使水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行，還可以在一個(gè)電站內(nèi)選擇不同型號(hào)和直徑的轉(zhuǎn)輪，甚至可選用不同類型的水輪機(jī)，如徑流引水式中水頭水電站，采用斜擊式與混流式水輪機(jī)混用，以保證兼顧流量變化的運(yùn)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(zhuǎn)輪考慮，臺(tái)數(shù)也盡量少選，更不考慮使用兩種類型水輪機(jī)。小水電的水輪機(jī)如能滿足并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，就不宜配飛輪，而應(yīng)盡可能用兩支點(diǎn)形式，效率至少可提高1%。低水頭機(jī)組的安裝吸出高程應(yīng)盡量低，理論上雖有相應(yīng)規(guī)定，但實(shí)際上正吸出高程段尾水管的能量回收是很有限的，經(jīng)常產(chǎn)生低水頭機(jī)組的效率達(dá)不到，基本上都把尾水管的吸出高度計(jì)入設(shè)計(jì)水頭。另外就是要購(gòu)買效率高質(zhì)量好的水輪機(jī)，雖好的廠家水輪機(jī)價(jià)格可能高10%，甚至20%，但水能轉(zhuǎn)換效率可提高3%～5%，以HL220-WJ-50型水輪機(jī)工作在52m水頭為例，效率差3%（好的水輪機(jī)效率可達(dá)89%，差的則達(dá)不到86%）也就是27kW，發(fā)電裝機(jī)的綜合造價(jià)按5500元/kW計(jì)算，價(jià)值近15萬(wàn)元，而水輪機(jī)出廠價(jià)相差不到3萬(wàn)元，按機(jī)組年利用小時(shí)4000h計(jì)算，約1年就可收回增加的投資，質(zhì)量好的水輪機(jī)使用壽命也長(zhǎng)，維修費(fèi)用少，影響發(fā)電少，效益明顯。有的電站甚至購(gòu)買舊水輪機(jī)使用，或老舊差的水輪機(jī)一直不進(jìn)行更新改造，不僅經(jīng)濟(jì)上不合算，同時(shí)也浪費(fèi)大量水能資源。

三、發(fā)電機(jī)選配與節(jié)能

從現(xiàn)代小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁類型和制造使用情況看，無(wú)刷勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)效率較高，可控硅整流次之，機(jī)械勵(lì)磁和電抗分流勵(lì)磁較差。無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的主勵(lì)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(fā)電機(jī)，一些低轉(zhuǎn)速的和800～2000kW高壓機(jī)組較少選用，主要是旋轉(zhuǎn)整流二極管容量（現(xiàn)已有很多大電流整流元件可供選配）、勵(lì)磁電流觀測(cè)和停機(jī)滅磁等問(wèn)題，其實(shí)對(duì)小機(jī)組勵(lì)磁電流觀測(cè)（可在交流勵(lì)磁機(jī)調(diào)節(jié)電流和并網(wǎng)功率因數(shù)加以間接測(cè)控）和滅磁（非電機(jī)內(nèi)部短路停機(jī)滅磁無(wú)大作用，內(nèi)部短路機(jī)率極少，慢速滅磁也不會(huì)造成嚴(yán)重后果）不是很必要，轉(zhuǎn)速低的電機(jī)可通過(guò)增加交流勵(lì)磁機(jī)定子磁極的對(duì)數(shù)解決，該勵(lì)磁方式可使整機(jī)發(fā)電效率提高約1%，價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠，占地也少，值得廣泛采用?？煽毓鑴?lì)磁主要在極低轉(zhuǎn)速和較大容量同步發(fā)電機(jī)使用，機(jī)械勵(lì)磁和電抗分流勵(lì)磁最好不用，小容量（500kW以下）發(fā)電機(jī)組最好使用異步發(fā)電機(jī)，綜合效率可提高1%～2%。

容量選配也是小型發(fā)電機(jī)節(jié)能的一個(gè)主要措施，以前生產(chǎn)的微小型同步發(fā)電機(jī)，額定功率因數(shù)滿載的勵(lì)磁損耗功率約占標(biāo)稱額定功率的2.5%，發(fā)電機(jī)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(xiàn)在生產(chǎn)的同步發(fā)電機(jī)一般分別相應(yīng)減少為2.0%、1.5%、4.0%，但電機(jī)的綜合發(fā)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(dá)95%）。從節(jié)能的角度講，負(fù)荷率控制在80%較好，綜合考慮節(jié)能和造價(jià)，一般負(fù)荷率控制在90%～95%為好，特別是利用小時(shí)較高的機(jī)組，應(yīng)盡量不要滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行，也不要低于30%負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)然這是指目前普通電機(jī)廠電機(jī)制造效率低而言，現(xiàn)在小型同步發(fā)電機(jī)與全國(guó)統(tǒng)一制定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的節(jié)能變壓器、節(jié)能交流電動(dòng)機(jī)相比，效率相當(dāng)?shù)?，?xí)慣上也都不標(biāo)明損耗和效率。

四、機(jī)組配套和運(yùn)行節(jié)能措施

水輪機(jī)宜工作在最佳效率區(qū)，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(jī)最高效率區(qū)較寬，發(fā)電機(jī)則工作在額定功率（容量）的70%～90%范圍效率較多，綜合水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)工作效率的特點(diǎn)，一般以水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線中最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的出力（如水頭變化范圍較大，按最大工作水頭計(jì)算）乘以電機(jī)效率，按發(fā)電機(jī)最佳負(fù)荷率0.9計(jì)，節(jié)能效果最好。有的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常把電機(jī)配小，使之處于超負(fù)荷運(yùn)行，被業(yè)主誤認(rèn)為機(jī)組好，設(shè)計(jì)水平高，而實(shí)際卻是浪費(fèi)資源，要么電機(jī)在高損耗區(qū)運(yùn)行，要么水輪機(jī)在低效率區(qū)運(yùn)行，始終沒(méi)有一個(gè)最佳效率區(qū)。就運(yùn)行方式而言，日調(diào)節(jié)以上（有壓引水）的電站容易做到優(yōu)化高效運(yùn)行，如是徑流（引水式）水電站，則應(yīng)通過(guò)選擇開(kāi)大小容量的機(jī)組，適應(yīng)流量（發(fā)電出力）較多的變化，流量小到機(jī)組進(jìn)入嚴(yán)重低效率區(qū)運(yùn)行時(shí)，則應(yīng)利用前池（或修建不完全日調(diào)節(jié)池）和尾部渠道或引水壩共同短時(shí)蓄水，采用間歇開(kāi)停機(jī)方式發(fā)電運(yùn)行，保證機(jī)組具有一定的發(fā)電效率，尤其是反擊式水輪機(jī)組更為重要。另外還應(yīng)在值班廠房裝設(shè)水位落差觀測(cè)裝置，使水庫(kù)或前池在合理的水位范圍內(nèi)運(yùn)行，壓力管道、壓力隧洞較長(zhǎng)的應(yīng)盡量按平衡負(fù)荷運(yùn)行，一般少承擔(dān)調(diào)峰，以利于節(jié)能。

五、變壓器選擇與節(jié)能

配電變壓器的選擇已介紹很多，從效率理論上講，當(dāng)變壓器的可變銅損和固定鐵損相等時(shí)運(yùn)行效率最高，現(xiàn)在一般1000kVA左右的S9型節(jié)能變壓器，空載損耗只有負(fù)荷損耗的16%（滿載總效率已達(dá)98.8%），即負(fù)荷率在40%時(shí)效率最高，電站升壓變也是一樣，不要經(jīng)常處于滿載甚至超載運(yùn)行，電站裝2臺(tái)機(jī)組，完全可選1臺(tái)升壓變，3臺(tái)機(jī)組可選2臺(tái)或1臺(tái)，4臺(tái)機(jī)組選2臺(tái)，容量選擇應(yīng)是機(jī)組總功率的1.25倍后再加大（或高靠）一個(gè)容量等級(jí)。如某電站裝機(jī)2×320kW＋1×200kW，選擇1臺(tái)1250kVA變壓器比選擇1臺(tái)1000kVA或選400kVA＋630kVA各1臺(tái)合算。變壓器容量選大一個(gè)等級(jí)，運(yùn)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(dāng)，一般比輸電線路的額定電壓高10%，通過(guò)調(diào)整無(wú)載分接開(kāi)關(guān)，使發(fā)電機(jī)保持在額定電壓運(yùn)行，不應(yīng)偏離太多，電壓過(guò)高或過(guò)低對(duì)節(jié)能都不利。

六、電線、電纜、高壓線路的選擇與節(jié)能

以前有色金屬較緊缺，選擇導(dǎo)線一般偏向按安全電流、電壓降、機(jī)械強(qiáng)度的原則，較少顧及經(jīng)濟(jì)電流和節(jié)能。而現(xiàn)在，則應(yīng)按增加導(dǎo)線截面而增加的投資（導(dǎo)體截面增加占輸配電總造價(jià)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(dǎo)體截面，雖消耗有色金屬較多，但長(zhǎng)遠(yuǎn)的節(jié)能效益還是較為顯著的。應(yīng)盡量減少0.4kV配電路徑長(zhǎng)度，農(nóng)村的小水電和用電戶往往比較分散，發(fā)供用各方應(yīng)統(tǒng)一布局10kV公用配電網(wǎng)，盡量減少迂回送電，送電路徑較長(zhǎng)的10kV線路，應(yīng)在末端裝高壓電容補(bǔ)償，發(fā)電站基本少送無(wú)功功率，盡量保持額定電壓運(yùn)行，運(yùn)行電壓偏離太多對(duì)節(jié)能不利。小水電比較集中連片的應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一聯(lián)接后架線輸電，容量達(dá)1500kW、輸送距離在8～10km以上的可選擇輕型35kV線路送電，既節(jié)省投資又可節(jié)能。如梅山鄉(xiāng)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(zhǎng)度分別為10km和8km（導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-50），電能輸送損耗高達(dá)10%以上，豐水期都無(wú)法正常輸電，電壓抬高到無(wú)法運(yùn)行，后來(lái)統(tǒng)一建設(shè)小型戶外3150kVA升壓站，將1條LGJ-50導(dǎo)線改架為15m拔梢桿、角鋼橫擔(dān)、合成絕緣子的輕型35kV線路，投資35萬(wàn)元，線損降為2%以下，年節(jié)約電能90萬(wàn)kW·h，不到2年就收回投資。優(yōu)化選擇離負(fù)荷中心近的、輸電線路短的電站作為調(diào)峰運(yùn)行，有利于節(jié)能。

七、并網(wǎng)功率因數(shù)考核及調(diào)整修訂

農(nóng)村小型水電站從獨(dú)立運(yùn)行到連成鄉(xiāng)網(wǎng)、縣網(wǎng)，現(xiàn)在又并入省級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行，以前小電網(wǎng)自然功率因數(shù)低，又無(wú)補(bǔ)償設(shè)備，所以小型發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)都統(tǒng)一按0.8設(shè)計(jì)，1978年國(guó)家水利電力部文件規(guī)定，并網(wǎng)功率因數(shù)按0.8考核。隨著電力電容補(bǔ)償設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，完全可以做到在用電戶、配變電站內(nèi)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，基本做到無(wú)功功率就地平衡，使輸配電線路基本不輸送無(wú)功功率（發(fā)達(dá)國(guó)家如日本早已實(shí)現(xiàn)），大大減少發(fā)、輸、配電過(guò)程的電能損耗。我國(guó)大中型發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)一般按0.9或0.95設(shè)計(jì)，而小水電并網(wǎng)發(fā)電計(jì)量至今還一直按功率因數(shù)0.8考核，加上升壓輸電聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中的無(wú)功損耗，發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)經(jīng)常在0.75左右。雖然小型電機(jī)設(shè)計(jì)上允許在額定功率、額定功率因數(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行，但這是指電機(jī)溫升在最高允許值的約束下，所能承受的最大運(yùn)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(fā)電機(jī)在超過(guò)額定電壓的10%以上范圍運(yùn)行（如低壓電機(jī)在0.45kV運(yùn)行），溫度超過(guò)75℃以上，勵(lì)磁系統(tǒng)也超出運(yùn)行范圍，電能損耗嚴(yán)重加大，電氣設(shè)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(jī)2×500kW，10kV送電線路10km，導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-50，當(dāng)2臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷在功率因數(shù)0.8運(yùn)行時(shí)，包括發(fā)電機(jī)、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(jī)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(yùn)行狀況和電能損耗很惡劣，如2臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷在功率因數(shù)0.9運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)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(shù)提高到0.95運(yùn)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(nóng)村小型水電站的運(yùn)行功率因數(shù),不僅節(jié)能很顯著，還可改善小型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性、安全狀況，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命?，F(xiàn)在，國(guó)家大力提倡節(jié)能、節(jié)約，小水電的并網(wǎng)考核功率因數(shù)卻未能及時(shí)進(jìn)行修改，其原因主要是對(duì)小水電的歧視，損耗由電站承擔(dān)（計(jì)量裝在并網(wǎng)側(cè)，還加扣線損）。建議國(guó)家電監(jiān)會(huì)協(xié)調(diào)供電和小水電主管部門(mén)，盡快修訂小型發(fā)電裝置并網(wǎng)和用電戶、輸配電功率因數(shù)考核管理辦法，在變電站或負(fù)荷中心并網(wǎng)計(jì)量的發(fā)電廠，按功率因數(shù)0.894（無(wú)功與有功電量比為50%）考核，在電站高壓側(cè)計(jì)量的按0.857（無(wú)功與有功電量比為60%）考核，少發(fā)無(wú)功電量按0.01元/kvarh扣減上網(wǎng)電費(fèi)（無(wú)功電量計(jì)價(jià)原則為補(bǔ)償收益法，如100kvarh無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施，需投資約3000元，每月可補(bǔ)無(wú)功電量7.2萬(wàn)kvarh，電費(fèi)720元，不到半年就可收回投資），超發(fā)無(wú)功不獎(jiǎng)（只選定離負(fù)荷中心或變電站近、較大容量的電站作調(diào)壓，其超發(fā)無(wú)功按0.01元/kvarh計(jì)價(jià)），這樣，小型發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)將在0.838～0.819范圍內(nèi)（有功與無(wú)功電量比為65%～70%,升壓變和輸電線路約損耗無(wú)功15%左右，使送到變電站的有功與無(wú)功比例為50%～55%，電網(wǎng)用電平均功率因數(shù)約0.9，有功與無(wú)功電量比為48%），從而做到無(wú)功功率的合理平衡，可使全社會(huì)小型發(fā)電裝置的發(fā)輸電效率平均提高2%以上，這樣具有很大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)意義，而且很容易做到。

八、結(jié)束語(yǔ)

較大容量電站（裝機(jī)1萬(wàn)kW左右）的綜合能效（水能理論值實(shí)際送網(wǎng)電能值）可達(dá)80%左右，而目前很多小水電站（裝機(jī)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(huì)上認(rèn)為小水電質(zhì)量不好，根本是誤解，質(zhì)量并沒(méi)有差別，差別在于小電網(wǎng)設(shè)施和管理水平較低，供電質(zhì)量和可靠性較差。根據(jù)筆者20幾年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和做法，在微小型水電設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行中，如重視搞好節(jié)能工作，使綜合能效提高5%～10%完全可以做到，但是大多數(shù)時(shí)候沒(méi)有得到真正重視，有的是業(yè)主和設(shè)計(jì)人員在建設(shè)時(shí)共同做，有的是運(yùn)行上的綜合措施，小水電規(guī)劃設(shè)計(jì)單位、機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)廠、電力生產(chǎn)和供應(yīng)企業(yè)、發(fā)供電綜合監(jiān)管部門(mén)應(yīng)攜手共同努力，提高發(fā)變電設(shè)備的效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)選型，科學(xué)調(diào)度運(yùn)行，合理修訂并網(wǎng)功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)，做好無(wú)功功率就地補(bǔ)償平衡，盡量減少電能浪費(fèi)，使寶貴的水能資源發(fā)揮更大的效益。