变速抽水蓄能机组的运维成本分析

曹 飞，牛翔宇，李慧军，赵杰君

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.国网新源控股有限公司，北京100761)

变速抽水蓄能机组的抽水功率可调，在配合电网运行与提高抽水蓄能电站自身运行性能两方面均比定速抽水蓄能机组更有优势。到目前为止，我国所有在运的蓄能电站均采用常规的定速机组，对连续变速抽水蓄能机组的建设与运行、管理尚处空白。

2014年以来，国家出台了一系列政策鼓励抽水蓄能建设，并且鼓励创新工程建设技术、提升设备技术能力，明确了要重点开展变速机组等技术攻关。在此背景下，我国正迎来抽水蓄能事业的蓬勃发展期，变速机组的研究与应用也成为一个热点。近年来我国变速机组技术研究主要集中在机组结构、机组的调节性能等方面。关于变速机组运维成本的分析研究非常少见，本文在分析我国在运的定速机组抽水蓄能电站运维成本基础上，对比变速机组与定速机组结构上的差异，结合变速机组的运行资料数据，对变速机组的运维成本进行分析。

1 抽水蓄能电站的运维成本构成

1.1 抽水蓄能电站运维成本构成

抽水蓄能电站运行维护费主要指项目竣工投产后每年需要支出的各种经常性费用，其中包括材料费、燃料及动力费、修理费等[1]。

1.1.1 外购原材料和燃料动力费

水力发电材料费主要包括发电主设备、水工建筑物、公用系统及辅助设备、生产建筑物及附属设施的日常运行、维护、消缺、环卫等材料成本费用，以单位千瓦材料费计，根据机组容量等级、机组型式等进行取值。

图1 7座在运抽水蓄能电站运维成本费用

1.1.2 修理费

修理费是指为保持固定资产的正常运转和使用，充分发挥使用效能，对其进行必要修理所发生的费用。修理费主要是指发电主设备、公用系统及辅助设备、生产建筑物及附属设施的检修所发生的费用、特殊项目检修费等四部分。

等级检修费指为恢复或提高水轮机、发电机、主变压器、机组控制装置等设备及其附属设备技术性能、指标，维持设备设施健康而实施的机组周期性或根据机组设备状态评估结果，有针对性地实施的等级检修所需的备品备件、工器具和材料费。

公用及辅助系统检修费指公用系统大修标准项目所需的材料费、工器具和备品备件等。

生产生活建筑设施检修费指生产生活建筑设施检修标准项目所需的材料费、工器具和备品备件等。

特殊检修费指没有周期规律的机组非标项目及大型检修工程项目所需材料费、工器具和备品备件。

1.1.3 工资及福利费

工资及福利费是抽水蓄能电站职工参与电站运行管理工作所获取的报酬以及医疗、补助等其他福利。

1.2 抽水蓄能电站实际运维成本分析

对我国在运的A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能电站进行调研发现，我国抽水蓄能电站运维费用主要包括修理费、材料费、设备检测费、委托运维费(运检)等。A、B、C、D、E、F、G 7座抽水蓄能电站的装机容量分别为80万、100万、120万、180万、100万、100万、120万kW，7座电站2012年～2017年的运维成本费用数据见图1。

在我国抽水蓄能电站现行运行检修制度下，7座抽水蓄能电站的运维成本费用与各自装机规模、电站在电网内承担的任务以及机组的运行时长等因素均有关系。修理费和委托运维费是运维成本费用中的主要部分，合计占总运维成本费用的75%左右，而材料费与设备检测费占总运维成本费用的25%左右。

根据7座电站的运维成本费用分析，各电站的修理费在2012年到2017年之间略有增长，这与近年来抽水蓄能电站在我国电网中的作用越来越突出、运行时间有所增加相关。剔除修理费最高的D电站以及最低的G电站后，其余5座电站的年平均修理费约为17元/kW。各电站年材料费相对较为固定，年平均材料费为5元/kW左右。各电站每年的设备检测费与材料费接近，年平均设备检测费也为5元/kW左右。各电站委托运维费是运维成本费用中的第二大项，年平均委托运维费为12元/kW左右。

图2 某电站变速与定速机组发电-电动机截面对比(尺寸单位：mm;高程单位：m)

2 变速机组与定速机组的结构对比

虽然抽水蓄能技术的应用历史已经有100年以上，但对其容量、控制策略、应用领域等方面性能的改进从未停止过。从20世纪90年代起抽水蓄能技术最重要的进步是可变速化的实现[2]。变速机组与定速机组相比，最大的区别在于机组能在额定同步转速附近的一定范围内无级变速运行，实现抽水入力可调，无论是提高电网安全稳定运行水平还是提高资源利用率，均具有现实意义。

变速抽水蓄能机组通常分为两类：转子绕组励磁调节方式——在发电电动机的转子绕组侧(二次绕组)加装变换装置；定子绕组频率调节方式——发电电动机定子绕组侧(一次回路)设置变换装置。尽管定子绕组频率调节方式有应用实例，但此种方式要求变换器的容量与发电电动机的容量一致，使系统造价增大，因此一般多采用转子励磁调节方式[2，4]。

交流励磁变速电机的定子与传统同步电机相同，而转子通常采用三相对称分布的励磁绕组，并通过集电环、电刷装置和一套交-交变频器相连。通过交流变频器将励磁频率变换成正负几个赫兹而形成一个可变频率和方向的交流磁场。由于定子外界磁场频率保持为50 Hz不变，当转子磁场相对于转子的转速为n2(n2=60f2/p，p为磁极对数)，此时电机的实际转速nr=n1-n2(n1为从定子侧看，转子旋转磁场的速度)，改变转子频率f2可达到变速的目的[2，4]。

与定速抽水蓄能机组相同，变速抽水蓄能机组系统也是由水泵-水轮机、发电-电动机、变频器、控制系统组成。对于变速机组的发电-电动机，其定子与定速机组的相同，转子由圆筒状(铁芯)及外围的三相励磁绕组组成，旋转磁场即由三相交流励磁电流在转子内旋转产生。变速机组的集电环为三相环。变速机组的励磁系统为三相交流励磁电流型，其特点是低频(低于5 Hz)、大电流以及高压输出[5，6]。变速机组的水泵水轮机与定速机组的大体相同。某抽水蓄能电站变速机组与定速机组发电-电动机截面对比见图2。

变速机组与定速机组两种机型的系统组成大体相当，机组的大小尺寸较为接近。二者的主要差异是变速机组的转子样式与定速机组有所不同，另外变速机组的励磁变频装置较大。由变速机组与定速机组的结构对比可知，变速机组运行后的运维检修对象与定速机组基本一致，最大的区别在于因变速机组的励磁变频装置较大，可能导致相应的检修内容有所增加。

3 变速机组的运维成本费用分析

变速机组除了具备在抽水工况自动调整输入功率这项最突出的功能，与定速机组相比还有诸多优势。首先变速机组具有更高的运行效率，有关资料显示，采用变速机组后，在水泵水轮机运行范围内通常可提高水轮机工况效率3%～10%。例如日本大河内电站机组水轮机工况下，变速机组较定速机组提高效率3.4%。其次，变速机组全面改善了水泵水轮机的运行条件，主要体现为水泵水轮机运行空化限制条件和空蚀、泥沙磨损条件得到改善，以及水泵水轮机运行稳定性的提高等方面[4]。此外，变速机组还具有提供频率自动控制容量、实现有功功率的高速调节、使用变频交流励磁装置代替SFC进行水泵工况启动、适应更宽水头范围等多方面优势。

变速机组的优越性能使得其往往能够获得比定速机组更长的运行时间。根据全世界各个同时安装定速机组与变速机组的抽水蓄能电站运行情况，变速机组运行时间明显大幅度领先于定速机组。尤其是抽水工况，变速机组运行时间远远高于定速机组。即便是某些电站已经考虑了变速机组与定速机组运行时间的均衡性，变速机组这种运行时间长的特点仍然非常显著。日本矢木泽抽水蓄能电站变速机组较定速机组运行时间多20%～30%；日本葛野川抽水蓄能电站4号变速机组14个月累积运行小时数约为1号定速机组的5倍；根据德国金谷抽水蓄能电站运行数据，其两台变速机组10年累积运行历时约为两台定速机组的1.25倍，而抽水工况下的运行时间高达1.33倍。

由于抽水蓄能电站的运维成本对于全世界来说均是商业机密，难以了解变速抽水蓄能机组的真实运维成本数据。但经过调研以及对有关公开资料的查阅，变速抽水蓄能机组运行时间长并没有带来检修费用的增加。变速机组与定速机组两者的运行、工作内容、维护周期基本相同，仅仅是变速机组的励磁变频装置较大可能造成励磁变频装置部分的检修费用会有所增加。日本奥清津抽水蓄能电站二期1号机组为定速机组，2号机组为变速机组，变速机组的机械部分增加的主要运维工作是4年一次的更换清洗变频装置的冷却水滤芯。检修每两年进行一次，费用视设备的状态不同而不同。

与定速机组相比，由于变速机组改善了水泵水轮机的运行工况条件，其主要运行在最佳工况点，因而气蚀与泥沙磨损的状况大大地减轻，机组机械故障率可降低，可延长大修周期，检修工作量也相应减少，水泵水轮机寿命也会延长[7]。日本矢木泽抽水蓄能电站变速机组与定速机组水泵水轮机的空蚀和易损件的磨损量相同或更少，尤其在合适的转速下运行，变速机组的磨损量可减少50%；日本盐原抽水蓄能电站在0～300 MW出力范围内，变速机组的振幅约为定速机组的50%。

综合分析，安装变速机组的抽水蓄能电站在电站定员以及员工工资福利方面与定速机组抽水蓄能电站没有差别，二者运维成本中的工资福利费一致。变速机组抽水蓄能电站的运维成本费用主要也是由修理费、材料费、设备检测费、委托运维费等组成。变速机组运维成本中的增量部分是其特殊的励磁变频装置可能带来的检修费用增加[8]，运维成本的减量部分是长期运行在最优工况点带来的气蚀与泥沙磨损状况减轻、机组机械故障率降低。但不能忽视变速机组运行时间较定速机组提高了20%以上，在此情况下，变速机组运行运维成本费用与定速机组相近。根据对我国七座在运抽水蓄能电站运维成本费用的分析成果，在我国现行抽水蓄能电站运维制度下，变速机组抽水蓄能电站若投入电网运行，其年平均合计运维成本也应在40元/kW以内。

4 结 语

变速机组与定速机组两种机型的系统组成大体相当，只是在转子结构和励磁装置上有一定差异，同样容量的变速机组与定速机组的大小尺寸较为接近。二者的检修内容、检修周期基本一致。变速机组运维成本费用的增量部分是其励磁变频装置较大，可能导致相应的检修内容有所增加；变速机组运维成本费用的减量部分是其在最优工况点运行带来的气蚀与泥沙磨损状况减轻、机组机械故障率降低。变速机组运维成本费用总体与定速机组一致，但变速机组的运行时间较定速机组增加了20%以上。