水电厂能效综合评价系统及能效综合评价方法

摘要

本发明公开了一种水电厂能效综合评价系统，包括依次连接的能效数据层、能效指标层、能效评价层和能效评价服务层。本发明还公开了一种水电厂能效综合评价方法：采用能效数据层的数据集成技术对各类能效数据进行统一处理；将上步能效数据集成后得到的数据输入到能效评价指标层，分别对各个能效指标分别进行组件化；将上步能效评价指标结果输入到能效评价层，分别对能效评价方法和节能方案组件化；将上步提供的各个组件按照能效评价流程搭建能效评价系统，利用能效评价系统可实时对能效进行评价、提供节能方案、考核节能效果。本发明的方法实现了不同水电厂、不同时期和不同状态下的能效评价。

说明书

技术领域

本发明属于与计算机技术结合的能效评价技术领域，涉及一种水电厂能 效综合评价系统，本发明还涉及一种水电厂能效综合评价方法。

背景技术

传统的水电厂能效评价体系存在诸多问题，从评价的操作手段进行分 析，主要存在以下问题：（1）能效评价是一个大量数据分析和计算的过程， 传统评价往往以人工计算为主，这样不仅耗费了大量的人力和物力，同时浪 费了时间，降低了能效评价效率；（2）水电厂能效评价是一个动态过程，需 要根据电厂不同时期、不同状态进行不同的评价。传统评价系统往往针对某 一电厂、某一时期和某一状态下进行开发的，若电厂某一方面有所改变，如 电厂增加一台机组或增加评价对象，那么原有系统将失去应用价值，不能进 行系统的扩展和移植，只有重新进行系统开发，浪费了劳动力资源。（3）传 统评价系统往往只显示最终评价结果，屏蔽了评价的具体细节，造成整个评 价过程不明了，不利于节能改造。

从评价的方式方法进行分析，主要存在以下问题：（1）传统评价方法往 往仅从发电耗水率、水量利用率、空转耗水量、水能利用提高率和厂用电率 等几个指标对水电厂能效状况进行评价，不能全面反映水电厂的能效水平； （2）传统评价方法往往只对现阶段能效水平进行评价，而没有对未来节能 潜力进行评估，且未提供可靠的节能方案；（3）传统方法往往只对能效评价， 而没有进行节能后的效果进行考核。

发明内容

本发明的目的是提供一种水电厂能效综合评价系统，对于不同水电厂、 不同时期、不同状态可快速搭建能效评价系统进行能效评价，并提供可靠的 节能方案，从而实现对水电厂高效、可靠的综合性评价。

本发明的另一目的是提供一种水电厂能效综合评价方法。

本发明所采用的技术方案是，一种水电厂能效综合评价系统，包括依次 连接的四层结构，即能效数据层、能效指标层、能效评价层和能效评价服务 层，

所述的能效数据层，采用数据集成技术对不同的能效数据进行统一处 理，使其符合统一规定，并将各种能效数据集成后提供给能效指标层；

所述的能效指标层，采用组件技术、Web Service技术将能效评价指标 封装成相对独立的组件，每个组件有多个输入接口和输出接口，每个组件的 输入是经能效数据层处理后的能效数据，每个组件的输出是提供给能效评价 层的各种过渡或最终的结果；

所述的能效评价层，提供能效评价流程、能效评价方法和节能方案。采 用组件技术对能效评价方法和节能方案进行组件化，并对组件分类注册存储 形成组件库，同时采用面向服务的体系架构（SOA）发布服务，实现服务共 享。能效评价方法组件和节能方案组件的输入为能效指标层结果，输出提供 给能效评价服务层，

所述的能效评价服务层，提供实时可视化的能效评价服务。在知识可视 化技术下，将能效指标组件、能效评价方法组件、节能方案组件和节能效果 评价组件搭建成水电厂能效综合评价系统，实现可视化界面下的能效评价。

本发明所采用的另一技术方案是，一种水电厂能效综合评价方法，利用 上述的水电厂能效综合评价系统，按照以下步骤实施：

步骤1、能效数据的集成

采用能效数据层的数据集成技术对各类能效数据进行统一处理，使其符 合统一规范要求，满足应用需求；

步骤2、能效评价指标组件化

将上步经过能效数据集成后得到的数据输入到能效评价指标层，分别对 发电耗水率、水量利用率、空转耗水量、水能利用提高率、厂用电率等能效 指标分别进行组件化，并将结果提供给能效评价层；

步骤3、能效评价方法与节能方案组件化

将上步能效评价指标结果输入到能效评价层，分别对能效评价方法和节 能方案组件化，从而可以按照能效评价流程计算能效评价结果，同时将能效 评价流程和能效评价方法与节能方案组件提供给能效评价服务层；

步骤4、能效实时评价

将上步提供的能效评价组件、节能方案组件和能效评价指标组件按照能 效评价流程搭建能效评价系统，利用能效评价系统可实时对能效进行评价、 提供节能方案、考核节能效果。

本发明的有益效果是，实现不同水电厂、不同时期及不同状态能效评价 系统的快速搭建，为水电厂能效评价提供高效、实用服务，从而为节能工作 的开展提供可靠支撑。

附图说明

图1是本发明的水电厂能效综合评价系统的结构框图；

图2是本发明方法实施例应用于刘家峡水电厂能效评价的流程框图。

具体实施方式

参照图1，本发明的水电厂能效综合评价系统的结构是，包括依次连接 的四层结构，即能效数据层、能效指标层、能效评价层和能效评价服务层。 其中的能效数据层为能效指标层提供各种类型的能效数据，能效指标层将能 效评价指标封装成组件提供给能效评价层，能效评价层将能效评价方法和节 能方案封装成组件并分类存储形成组件库，同时提供给能效评价服务层，能 效评价服务层根据能效评价流程将组件搭建成能效评价系统，对水电厂能效 进行综合评价，下面对该四层结构进行详细说明。

1、能效数据层

能效数据层主要是采用数据集成技术对不同类型的能效数据进行统一 处理，使其符合使用的规范和要求。能效数据主要包括六大类数据，参照图 2中的数据类型。

1.1）水库基础数据主要包括：水库死水位、正常蓄水位、防洪汛限水位、 设计洪水为、校核洪水位、总库容、死库容、兴利库容、水位-库容关系曲 线、下游水位-流量关系曲线。

1.2）水库调度数据主要包括：调度时间、入库流量、起调水位、结束水 位、发电流量、弃水流量、下泄流量、出力、发电量。

1.3）机组特征数据主要包括：水电站装机容量、保证出力、最大引用发 电流量、机组台数、综合出力系数K、各机组容量、最大过机流量、各机组 开停机耗水量、各机组N~H~Q曲线、各机组耗水率特性曲线、水头损失曲 线、机组空载水头-流量关系曲线。

1.4）机组运行数据主要包括：运行时间、开停机状态、机组流量、机组 出力、机组发电量。

1.5）厂用电数据主要包括：厂用电动机耗电量、照明系统耗电量、电热 系统耗电量、其他辅助系统耗电量。

1.6）辅助设备数据主要包括：发电机冷却器耗水量、推力轴冷却部分耗 水量、变压器冷却耗水量、其他辅助耗水量。

2、能效指标层

能效指标层是能效评价的基础，采用组件技术和Web Service技术将能 效评价指标封装成相对独立的组件，接收能效数据层的数据进行能效指标的 计算，并将计算结果提供给能效评价层。水电厂能效评价指标对水电厂能效 评价至关重要，反映能效评价的可靠性和合理性，

图2中显示了能效评价的具体指标，主要采用发电耗水率、水量利用率、 增发电量、机组空耗流量、综合系数、空转小时数、水能利用提高率、厂用 电率、开停机次数、等效可用系数十个能效评价指标对能耗进行评价，最后 采用能效评价方法进行综合评价，以下对水电厂能效评价指标逐一进行论 述：

2.1）发电耗水率

发电耗水率是水电厂发电水量消耗指标，反映能源转化效率的综合指 标，是水电厂在一定时段内发电设备效率、水库调度和运行管理发电操作的 综合能力水平的体现，计算公式为：

$\sigma =\frac{C}{H_c\eta }---\left(1\right)$

式（1）中，σ为机组耗水率，单位为m/kW；C为常数（3600/9.81）；H_c表示净发电水头(单位为kW/m)；η为机组效率。实际评价时，可采用机组设 计耗水率和近几年的发电耗水率平均值作为耗水率标准值。

影响发电耗水率的主要因素有：a）发电水头。水电厂依靠水头和流量 发电。水头越大，水轮发电机组在能量转换的过程中效率就越高。由于水库 受水情、防汛和综合利用的影响，导致水电厂在一些时段的发电水头较低， 从而耗水率增大。b）机组效率。水轮发电机组在发电运行过程中，水能需 要克服固有的机械阻力和流动阻力，并存在水量损失。如果机组长期处于旋 转备用状态、连续运行且负荷率长期偏低，亦会造成耗水率增大。c）机组 空载流量。这是机组负荷为零的一种情况，水能全部用于维持水轮发电机组 的运转，却没有任何电量上网，因而不能创造经济收益。某些特定时段的空 载流量是机组正常运行所必需的，如机组开机后为并网所进行的转速和电压 调整、机组检修后所进行的开机试验等。但机组空载运行时间的长短，决定 着消耗水量的多少，这对于枯水期大容量机组来说，影响非常明显。d）水 库弃水。在防汛期间，当水库水位超过汛限水位时，按照水库调度规程就需 要水库开闸弃水。但是，如果在洪水到来之前，能做到准确预报、科学调度， 及时加大发电量，腾出库容，可以减少甚至避免水库弃水。

2.2）水量利用率

水量利用率指水电厂入库水量同弃水量的差值与入库水量的比值，计算 公式为：

${\eta }_s=\frac{Q_r-Q_s}{Q_r}\times 100\%---\left(2\right)$

式（2）中，η_s为水量利用率，单位为%；Q_r为统计时段内的入库流量， 单位为m³/s；Q_s为统计时段内的水库弃水量，单位为m³/s。

2.3）增发电量

节能调度政策要求优先调度水电，鼓励水电多发。因此，增发电量可以 作为衡量水电企业节能调度效益的指标，计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_z=\Delta E_f+\Delta E_p+\Delta E_k\\ \Delta E_i=\Delta W_i/{\sigma }^i(i=f,p,k)\end{array}\right)---\left(3\right)$

上式（3）中，E_z为电站增发电量，单位为kW；ΔE_i为电站计算时段内 的增发电量，单位为kW；i＝f、p、k分别表示丰水期、平水期和枯水期；ΔW_i表示电站计算时段内的有效节水量，单位为10⁸m³，即电站水库调节水量扣 除实施水量调节时水量的沿程传递渗漏和水量蒸发等损失和受益电站在计 算时段内的弃水量，实际用来发电的调节水量；σⁱ为电站在计算时段内机组 耗水率，单位为m/kW。

2.4）机组空耗流量

机组空耗流量指机组在备用状态下的空转耗流量，为机组单位时间空转 耗流量与空转时间的乘积，计算公式为：

Q_T＝Q_k×T    （4）

式（4）中，Q_T为机组空耗流量，单位为m³；Q_k为计算单位时间空转 耗流量，单位为m³/s；T为机组空转时间，单位为小时。

2.5）综合系数

综合系数指标反映水电厂发电量、发电用水量和平均水头的综合指标。 计算公式为：

$k=\frac{G_t\times 3600}{Q_t\times H_p}---\left(5\right)$

式（5）中，k为综合系数；G_t为电厂统计时段内的发电量，单位为kW； Q_t为统计时段内的发电用水量，单位为10⁸m³；H_p为统计周期内的发电平 均水头，单位为m。

2.6）空转小时数

机组空转小时数是反映机组运行效率的参数，指机组在统计时间内空转 的小时数。

2.7）水能利用提高率

水能利用提高率指以当年来水按照调度图预测电量为基准，水电厂统计 时段实际电量同考核电量与考核电量的比值，计算公式为：

${\eta }_t=\frac{E_1-E_2+\mathrm{\Delta E}}{E_2}---\left(6\right)$

式（6）中，η_t为水能利用提高率，单位为%；E₁为统计时段内实际发 电量，单位为kW；E₂为统计时段内考核发电量，单位为kW；ΔE为计算期 末库容差电量，单位为kW，由蓄能曲线获得，当计算末水位高于实际末水 位时，库容差电量为负，反之为正。

2.8）厂用电率

厂用电率指统计时段内综合厂用电量与发电量的比值为：

$e_{\mathrm{cy}}=\frac{W_{\mathrm{cy}}}{W_f}\times 100\%---\left(7\right)$

式（7）中，e_cy为综合厂用电率，单位为%；W_cy为统计时段内的综合厂 用电量，单位为万kW；W_f为统计时段内电厂发电量，单位为万kW。

影响综合厂用电率的主要因素有：a）厂用电动机，电动机作为水电厂 辅助机械设备的动力部分，如主变压器的冷却油泵或风机、厂房空调系统、 空气压缩机、厂房渗漏集水井排水泵、检修集水井排水泵、机组压油泵、桥 吊及门机等，构成了水电厂最主要的用电设备，这些设备的容量、效率、运 行方式等对用电量有较大的影响。b）照明，水电厂中普遍安装有数量众多 的、光源充足的照明设施，特别是早期建设的水电厂中，由于选用的大多是 功率强大、发光效率低下的高耗能型照明灯具，如普通白炽灯、带电感型镇 流器的荧光灯等，加上全部室内空间昼夜不间断的照明使用，使得照明在厂 用电中占有相当大的比重。c）电热，水电厂中的电热，主要用于设备驱潮 和保温，由于电热大多采用常规的电阻丝，功率大、发热效率低，其运行和 停用除少数设备有严格的规定外，大多数凭值班人员的主观判断，随意性较 大，不仅对设备的运行有危害，而且增加了能耗。d）变压器轻载运行，主 变压器与发电机组的容量是配套的，当机组负荷率长期偏低时，主变压器亦 处于轻载运行状态，其铁损和铜损之和相对较大，在承担调频、调峰和事故 备用的大型水电厂中，变压器轻载运行是经常性的，因而，其功率损耗应予 以关注。e）电压及功率因数过低，水电厂虽远离大中城市，但亦有相当多 的近区负荷，这些周边地区的用电负荷大、极少配置无功补偿装置，完全依 赖电厂提供的有功功率和无功功率，由于负荷重，造成系统电压低，增加了 线损；电厂为改善电压质量，只得增发无功功率、降低运行功率因数，这同 样造成包括电厂自身在内的整个供电网络损耗增大。f）运行机组发热，发 电机运行中，由于有电流和磁场的存在，会产生铁损和铜损，这种损耗以热 的形式传给绕组和铁芯，如果不能及时有效地将热量散发出去，最常见的后 果就是使绕组温度升高、电阻增大，导致发电机的内部损耗增加、效率降低， 所以发电机空气冷却器的散热效果、进出口风的温差、冷却水的流量和水温 等因素都与发电机内部损耗有关。

2.9）开停机次数

机组开停机次数是指机组在统计时段内，开机和停机的次数之和。

2.10）等效可用系数

等效可用系数指机组可用小时与等效降出力停运小时的差值与统计时 段日历小时的比值，计算公式为：

${\eta }_d=\frac{T_d}{T_t}=\frac{T_k-T_{\mathrm{ty}}}{T_t}\times 100\%---\left(8\right)$

式（8）中，η_d为等效可用系数，单位为%；T_d为等效可用小时数，单 位为小时；T_t为统计时段小时数，单位为小时；T_k为统计时段内的可用小时 数，单位为小时；T_ty为等效降出力可用小时数，单位为小时。

3、能效评价层

能效评价层是采用组件技术和Web Service技术将能效评价方法和节能 方案组件化，同时分类注册组件形成组件库，并采用SOA技术发布服务。

能效评价组件的输入是能效评价指标，能效评价组件的输出提供给能效 评价服务层。

4、能效评价服务层

能效评价服务层是按照能效评价流程将能效评价指标组件、能效评价方 法组件和节能方案组件搭建成能效评价系统，提供可视化环境下的能效实时 综合评价。

综上所述，本发明的水电厂能效综合评价方法，利用上述的水电厂能效 综合评价系统，按照以下步骤实施：

步骤1、能效数据的集成

采用能效数据层的数据集成技术对各类能效数据进行统一处理，使其符 合统一规范要求，满足应用需求；

步骤2、能效评价指标组件化

将上步经过能效数据集成后得到的数据输入到能效评价指标层，分别对 发电耗水率、水量利用率、空转耗水量、水能利用提高率、厂用电率等能效 指标分别进行组件化，并将结果提供给能效评价层；

步骤3、能效评价方法与节能方案组件化

将上步能效评价指标结果输入到能效评价层，分别对能效评价方法和节 能方案组件化，从而可以按照能效评价流程计算能效评价结果，同时将能效 评价流程和能效评价方法与节能方案组件提供给能效评价服务层；

步骤4、能效实时评价

将上步提供的能效评价组件、节能方案组件和能效评价指标组件按照能 效评价流程搭建能效评价系统，利用能效评价系统可实时对能效进行评价、 提供节能方案、考核节能效果。

实施例

是本发明方法应用在刘家峡水电厂，进行能效实时综合评价的实例。

一方面，通过能效评价系统可以对水电厂进行能效的实时综合评价：首 先，从组件库中通过Web服务的方式定制所需的能效评价指标组件、能效 评价组件将其搭建成能效评价系统，然后连接能效评价数据即可进行能效评 价。在图2中，每一个方框代表一个组件，方框中的名称为其所代表的组件 的名称，连接线代表数据流，方向代表数据的流向，点击其中任意组件即可 查看计算结果。

以刘家峡水电厂2009年部分月份数据为基础，采用打分的方法进行评 价，即给定各个指标一套考核标准，然后以各指标的实际值和考核值进行对 比，从而评判得分，完全符合标准得满分，然后依次递减，最后给出综合分 数。刘家峡水电厂满分给定1000分，按照各指标重要程度不同，给定不同 分值，评价结果如表1所示。

表1刘家峡水电厂能效综合评价结果

另一方面，通过能效评价结果可知水电厂各个环节的运行情况，从而制 定相应的节能方案，根据2009年1月份的运行情况，制定节能方案如下：

1）进行机组经济运行，减少机组开停机次数，减少机组空转运行时间；

2）对厂内冷却用电设备进行改造，降低其用电量；

3）及时关闭不用的照明电源，减少照明用电量；

4）加强径流预报，提高预报准确率，做好提前蓄水，太高发点水头， 提高机组运行效率。

本发明的水电厂能效综合评价系统及其评价方法，能够灵活实现水电厂 在不同时期、不同状态的能效实时评价系统的快速搭建，为节能工作提供更 好的服务。