魏強林，闞永庚

（江蘇省江都水利工程管理處，225200，揚州）

南水北調(diào)東線工程從長江到黃河南岸共設有13座梯級抽水泵站，總揚程65 m。淮河及沂沭泗河流域每年有大量洪水和余水通過淮河入江水道和入海水道排入長江、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、泗陽站、淮安站等，有的泵站年最長發(fā)電時間達9個月。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臺套，配套1 600/600 kW、24P/48P型立式可逆電動發(fā)電機，單機抽水流量13.5 m3/s。除抗旱、排澇外可反轉(zhuǎn)發(fā)電，在水頭4 m時單機可形成發(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，對江都三站進行更新改造，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型同步電動機，總裝機容量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)電時機組的轉(zhuǎn)速與抽水時轉(zhuǎn)速相同。這種方法直接利用水泵機組倒轉(zhuǎn)發(fā)電，基本不需要增加設備和投資，方便經(jīng)濟。

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

2.變極發(fā)電

變極發(fā)電方式是通過改變電機繞組的連接方式來改變電機的極數(shù)，電機的接線方式不同，極數(shù)也不同，從而電機轉(zhuǎn)速也不同。一般發(fā)電時的轉(zhuǎn)速是抽水時的1/2。

變極發(fā)電雖然不需要增加其他設備，但由于電機的極數(shù)增加，使得電機體積明顯加大，不但制造成本大大增加，而且電機的效率也會降低。據(jù)測算，抽水運行時，雙速電機比單速電機的效率低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，變頻技術還很不成熟，只有采用變極方式。在現(xiàn)有技術條件下，因泵站的抽水時間遠大于發(fā)電時間，以降低抽水效率達到發(fā)電的目的是不經(jīng)濟的，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行在發(fā)電高效區(qū)，水泵機組本身不需要增加輔助設備，電機的保護及勵磁功能僅需作一些技術上的調(diào)整，但需要增加1套變頻設備以及相應的廠房。

目前大型泵站變頻發(fā)電方式主要是根據(jù)泵站機組發(fā)電的總?cè)萘吭黾?套變頻發(fā)電機組及相應輔助設備。抽水運行時水泵機組正常運行，不需要使用變頻機組；發(fā)電運行時水泵機組以低于抽水時的轉(zhuǎn)速運行，發(fā)出的低頻、低電壓電能驅(qū)動變頻機組電動機運行，電動機驅(qū)動發(fā)電機向電網(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)電最簡單，基本利用現(xiàn)有設備，技術方面也基本相同。變極發(fā)電也基本利用現(xiàn)有設備，僅僅是在發(fā)電時改接電機的接線以改變電機極數(shù)，其他技術方面也基本相同。變頻發(fā)電需要增加1套變頻設備（一般為變頻機組），發(fā)電運行時，利用外部電源啟動變頻機組，再逐臺啟動水泵機組，逐步由水泵機組發(fā)電驅(qū)動變頻電動機帶動變頻電動機向外發(fā)出電力。

三、反向發(fā)電方式經(jīng)濟比較

1.同轉(zhuǎn)速發(fā)電

江都三站原機組為可逆式機組,因此同轉(zhuǎn)速發(fā)電時，只要考慮部分輔助設備調(diào)整改造需增加的投資，經(jīng)估算約為20萬元；年發(fā)電運行管理費平均約10萬元；同轉(zhuǎn)速發(fā)電量比變極發(fā)電量低，經(jīng)實測約為變極發(fā)電的60%，根據(jù)江都三站歷史發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計，變極發(fā)電平均年效益約為108.24萬元，同轉(zhuǎn)速發(fā)電效益約為64.94萬元。

2.變極發(fā)電

主要考慮的是變極電機與不變極電機的差價。根據(jù)上海電機廠提供的參考價格,TL 1600—28/56同步電動機的價格約為150萬元/臺，而TL1600—28同步電動機的價格約為100萬元/臺,則每臺變極電機要多投資 50萬元，10臺電機共計500萬元；因電機體積增大而導致土建增加的經(jīng)費約 60萬元，10臺合計600萬元；其余費用與同轉(zhuǎn)速發(fā)電相同。

2006年2月9日，比較江都三站原5號水泵機組（改造前），在變極和同轉(zhuǎn)速工況下倒轉(zhuǎn)發(fā)電，并進行了現(xiàn)場測試。從測試結(jié)果看，變極發(fā)電功率是同轉(zhuǎn)速的1.38倍。運行過程中，變極發(fā)電噪聲低，振動小，機組溫升低，性能穩(wěn)定。同轉(zhuǎn)速發(fā)電時，雖然機組啟動正常，但噪聲大，振動比在變極發(fā)電工況下大得多，而且機組出水量較變極發(fā)電時明顯增大。變極發(fā)電時單機出水量約9～10 m3/s，同轉(zhuǎn)速發(fā)電出水量達13～15 m3/s。因此，采用同轉(zhuǎn)速發(fā)電不僅機組運行工況差，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，增加1臺4 000 kW發(fā)電機（6 kV/50Hz）和 1臺 4 300 kW電動機（3 kV/25Hz）及相應附件，變頻機組轉(zhuǎn)速107 r/min。變頻機組約需250萬元，增加廠房造價約60萬元，相應輔助設備約需50萬元，合計360萬元，其余費用相同。

2009年3月，江都三站進行了變頻機組發(fā)電試運行，在5 m水頭下，最大單機發(fā)電功率為430 kW，機組平均發(fā)電功率在380 kW左右。同時對機組的振動、噪聲等參數(shù)進行了現(xiàn)場測試，機組運行可靠穩(wěn)定，各項指標達到設計要求。

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)電運行時平均單機功率均大于300 kW。以單機發(fā)電300 kW、電價0.3元/kWh計，至2007年，江都三站總發(fā)電收益（不考慮資金的時間價值）為3 139.09萬元，平均年發(fā)電收益為108.24萬元；平均年發(fā)電臺時為12 027.17臺時。江都三站有10臺機組，開機率按80%計，則平均年發(fā)電天數(shù)為62.64天。

設年發(fā)電效益和年運行管理費用在泵站有效壽命內(nèi)為定值，假設資金年利率為5%，設備使用年限按30年計。采用動態(tài)分析法計算江都三站3種發(fā)電運行方式凈效益終值，結(jié)果見表 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，而且對抽水運行影響大；變頻發(fā)電投資較高，收益高，對抽水運行無影響。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。

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