靈活運行模式下的水電技術改進

[] M.

水力發電的歷史最早可追溯到19世紀80年代，如今已發展成為一項成熟且可靠的科學技術，即便在只有日常維護的條件下，水力發電機組的基荷服務年限也高達100 a。許多在19世紀末和20世紀初投入使用的水力發電站至今仍在運行。由于水電技術成熟及使用壽命長，因此有人認為該行業技術已無需改進。但是，這一觀點已經與當今水電行業不斷變化的現實脫節。水電行業的用途和相關技術已經發生了改變，這種觀點也需要相應改變。

1 行業現狀及面臨的挑戰

目前水電行業現狀和面臨的一系列挑戰使得新技術的開發和應用成為必然。過去20 a來，在多種因素的影響下，北美乃至全球范圍內包括水電站在內的發電站均須采用更加靈活的運行模式，或不同于標準的基荷運行模式。造成這種現象的主要原因是間歇性能源(主要包括風能和太陽能)發電的快速發展和廣泛應用；同時，該運行模式也增加了發電負載的不可預測性。

水電因其響應迅速、存儲容量大、燃料耗費小以及可再生等特性經常用于平衡間歇性可再生能源的負載，平衡方式包括：增加電站啟動和停機次數、保持最低負載運行、抽水蓄能電站抽水、調相運行以及不發電時的溢水操作等。簡而言之，水力發電已不再采用標準基荷運行模式，而是以一種靈活的負載能源跟蹤模式運行。

一直以來，相關部門對標準化水電運行方面的監控較為不足，一些發電機組未配有任何監控設備，卻仍在使用機械調速器和機械控制裝置，還有很多電站采用非人工操作且地理位置偏遠，發生故障和事故大多是由于機械參數未得到監控。即使有監控，通常也不會對所得數據進行分析，無法了解其運行模式和預測故障。監控不足必然會對機械設備日常維護造成影響。維護工作通常按照一定時間區間進行，對于基荷運行模式的水力發電機組而言，該方法較為合理。但隨著水電機組運行方式的變化，采用相同維修間隔周期的方法已不再適用，強制停機次數也在不斷增加。

2 水電站運行技術改進

針對以上所述的行業現狀和面臨的挑戰，美國電力科學研究院(EPRI)開展了多個研究項目，以探索和借鑒其他行業中有助于水電機組技術改進的成功經驗。每個項目的開發都旨在解決技術發展和水電站運行面臨的問題，項目之間存在一定的相似之處且相互關聯，因此一個項目的研究成果能為其他項目提供經驗和支持。

2.1 靈活運行模式的影響

過去20 a，水力發電運行模式變得愈加靈活。這種轉變是逐漸形成的，人們對其帶來的影響了解甚少。機組啟動和停機次數的增加、最小負荷、粗切區運行、泵送和調相運行等因素都可能對機械產生不利影響并增加設備耗損。機組啟動次數增加和負載頻繁變化對設備造成的損壞包括：加速發電機部件老化、轉輪葉片出現空化現象，高頻率振動增加軸承磨損、降低液壓調速器可靠性和變壓器故障。

雖然機械設備的耗損不可避免，但目前在特定的操作條件下，對機組正常運行的影響程度尚不清楚。電站業主和運營方必須了解靈活的運行方式對其設備造成的影響，以便獲取更準確的調度成本和行業機器設備損耗數據，這將有助于電站管理人員就運行機制和相關成本做出合理決策。對損耗費用的實際計算可以反映出組件性能降級率的增加，對于提供必要的電站維護資源也非常重要。

水電行業研究人員正試圖對組件的加速老化情況進行量化。一些專家將電站被迫停運次數的增加歸結為非基載運行模式電站數量的增加。北美電力可靠性委員會開發的可用性數據生成系統(NERC-GADS)主要負責數據和信息的收集，但缺乏信息深度以及在機械故障和被迫停運之前檢測到故障時的相關信息仍是目前該系統存在的問題，且系統無法量化日常維護工作頻率的增加。

EPRI開展的一個項目主要是通過利用工程設計軟件計算并量化各重要組件在不同非基載運行條件下應力、振動和機身疲勞程度增加幅度，并將這些數據與基載運行數據進行比較。這項研究成果使業主和運營方可以對靈活運行和等效的基載運行進行比較。運營方能夠將計算組件數據的方法應用到機組、電站甚至是整個機群。

收集到的水力發電設備損耗加速的信息，將通過現有的水力和機械設計實踐原理進行評估，如計算流體動力學(CFD)、有限元分析(FEA)和疲勞建模，這些方法是原始設備制造商(OEM)在現代水電部件設計中采用的常規方法。通過對水輪機中各主要部件的受力情況進行評估，研究人員可以計算出瞬態工況下循環操作造成的振動和相對老化程度，并根據基本負載或最佳效率點(BEP)運行條件下的預期磨損計算出這些部件的老化程度。

曾有人問任正非，華為成功的關鍵是什么？“還是財務體系和人力資源體系?！比握堑倪@個回答被看作是對孟晚舟的極大肯定。

靈活的運行模式要求考慮機組的啟動/停止周期、最小負載和水泵等因素。此外，還要進一步研究發電機組件的熱疲勞，以及斷路器、變壓器和控制系統因循環操作引起的損耗。損耗情況將由特定運行條件下各部件加速磨損比率確定，并將參照BEP運行條件下的損耗情況。

2.2 先進傳感器技術

該項目旨在從各個行業中選取一些發展成熟和新興的傳感器技術，并將其應用至水電行業中以解決目前面臨的問題。其中一些問題來自于EPRI正在進行的“基于數據分析的水電資產管理”項目(將在 2.4作詳細說明)，該項目將識別潛在故障模式，以及確定監控或未受監控參數用于早期故障診斷，還包括一些水電行業普遍存在的問題，如轉輪空蝕破壞等。這樣做的目的是通過確定一些未受監控但具有參考價值的水電機組的固有參數，研究其技術狀況。該項研究將對其他具有相似參數的行業進行考察，以尋求可以應用于水電行業的技術，EPRI將對該技術進行實際論證。

2.3 機組狀態檢修監測

鑒于發電站運行模式的變化和工作周期的增加，該項目正在研究對水電機組性能和狀況進行監控的方法。隨著工作周期的增加，對設備狀況和監控的需求也在增加。通過增加參數數量用于監控并發現性能退化是水力發電機組狀態檢修(CBM)策略采用的常規方法。

該項目旨在利用監控技術對水電機組采用的系統CBM方法進行論證。項目的重點是實現高效率監控，即在資產可靠性和可用性方面創造最大預期收益。

項目將在選定的主機站點開展性能基線評估，評估包括當前CBM實施狀況、監控設備和傳感器，以及所收集數據的準確性和有效性。項目還將確定可為系統CBM方法提供支持的商用和新興傳感器。

2017年，作為該項目的一部分，EPRI在兩個抽水蓄能機組上安裝了水輪動態監控系統(TDMS)。這種無線射頻驅動裝置可以測量扭轉和軸向方向上的應力和振動。目前該裝置在水電系統上的測試仍處于初期階段，但其靈敏性可以識別出一定時期內水電系統的模式趨勢和變化，針對可能發生的故障向運營方發出警報。同時，運營方也會通過調整和測試考查其他一些傳感器技術，選擇結果將由故障模式和影響分析(FMEA)以及CBM方式共同決定。

2.4 基于數據分析的水電資產管理

隨著維護管理系統、機器狀態監控以及復雜數據采集與監視控制(SCADA)系統的廣泛應用，大量有關現代化水電站數據往往還未經進一步檢驗或分析就被存檔。要想合理利用數據指導水電資產管理，必須經歷復雜的分析過程以得出有效管理方法。

此項研發工作是一種基于數據的水電資產管理方法，并將選擇一座水電站對該方法進行論證。該項目將生成一個重點故障模式數據庫，有助于對即將發生的故障發出早期預警信號。項目初始工作包括為水輪機和調速器部件建立FMEA數據庫，從數據庫中提取故障特征，并執行數據分析。

電力行業在高級模式識別(APR)和數據分析方面已取得了一定進展。對發電機組運行產生的大量數據進行分析計算后，對有用的信息進行整理。電力行業正在加大對數據實時分析系統的投資，這些系統還可以在監測參數超出模型可接受范圍時向運營方發出警報。APR軟件已應用于包括水電在內的各類發電設施，它可以根據發電機組的構造模型向運營方發出非標準性參數的警報。

數據分析是大規模數據利用的重要一步，數據分析不僅可以識別出非標準參數，還可以基于已有信息診斷出問題原因，診斷的依據是機器故障特征。 2017年，EPRI開始著手收集能夠界定這些故障特征的信息。

2.5 設備在線監控指南

對設備進行在線監控(OLM)有助于及早發現設備性能的退化并預防故障。OLM的實施涉及傳感器類型的選擇、測量類別的挑選，以及對數據質量和數據利用程度的了解。由于水電行業對OLM的重現和未來投資潛力的不斷增加，電站業主和運營方都需要一份最新的、符合其運營目標的指南來幫助選擇合適的在線傳感器，并有效地利用所收集到的數據。

該項目還將包括OLM指南編制工作，用以介紹目前通過傳感、數據收集、數據管理和軟件集成等方法評估設備狀況的成功經驗。該指南提供的信息包括必要的監控參數、可用的傳感器、有效監控的標準，以及遇到特定問題時推薦使用的傳感器等。

該指南旨在幫助用戶集中精力選擇有價值的數據傳感器，用以評估設備的狀況。傳感器的多種選擇和測量對設備故障或退化狀況的相對價值，將有助于確定在監測和診斷硬件和軟件方面進行投資的優選程度。通過提供數據采集設備、相關基礎設施和數據管理方法等方面信息，將進一步幫助用戶做出選擇，從而擴展或提升用戶在監控、診斷、鑒定設備剩余使用壽命、維護和操作等方面的能力。

2.6 靈活運行模式對轉輪采購的影響

隨著水電由基荷運行模式轉向更靈活的運行模式，轉輪的設計、采購和制造方式也需要適應這一變化。由于規范文件和設計要求還未能根據新的運行模式進行調整，目前水輪機轉輪的運行已經超出其設計范圍，使用壽命也正在大幅縮短。

在水輪機轉輪采購過程中應考慮新的運行模式，必須對指定規格和設備運行方式進行比較。該項目將會對比轉輪采購文書中指定的規格要求和機組的實際運行模式，并為符合靈活運行要求的轉輪制定規格范例。項目還將對制造過程、質量控制和保障手段進行考察，以判斷對該領域的進一步研究是否能夠延長轉輪的使用壽命。

該項目還幫助水電業主和運營方引導其客戶掌握采購相關知識，并向其展示水電機組目前的運行方式。項目將為靈活運行模式下轉輪規格提供范例，將幫助水電業主和運營方購買使用壽命長的設備，并將最大限度地減少對穩定機組的養護維修和停機時間。

3 無損檢驗技術

越來越多的報告中提到了轉子磁極和磁軛連接處的裂紋擴展問題，該問題難以在組裝發電機時檢測到。按照目前的設備表面檢查流程，必須將轉子磁極從磁軛上卸下。這一步驟通常需要將轉子從設備中取出，并進行大范圍的尺寸校核?？傮w而言，此項工作耗費時間長、占用資源多，并會導致長時間停機。如果未被及時發現疲勞裂紋，可能會帶來嚴重的故障，有時甚至需要更換整個發電機。

由于轉子磁軛和磁極周邊空間有限且屬于分層組裝，轉子在該區域的構造造成許多標準無損檢測(NDE)技術并不適用。但是，新型NDE工藝和技術可以避免嚴重的運行中斷。

目前EPRI正在開展一個項目，以確定用于該區域檢測的NDE技術，可最大限度減少對設備的拆卸。

4 結 語

目前，水力發電行業面臨的許多挑戰都源自每個電站和機組設計的特殊性。每臺機組在水位差、流量、使用年限、原始設備制造商、維修歷史或受其他原因的影響等方面均具有獨特性。這種獨特性給在線監控和維護方法的標準化，以及靈活運行模式下的機械老化的量化等工作帶來了困難。因此，要充分利用現有水電技術，對部件的加速老化和磨損程度進行量化，通過先進傳感器收集的數據進一步加強量化工作。數據只有在進行了分析和使用后才具有價值，可幫助及早檢測故障并制定相應維護策略。

本文所提及的所有項目均與技術改進緊密關系，這些技術進步可以相輔相成，如先進的傳感器使數據分析成為可能。與這些技術應用的有關經驗可為OLM指南的編寫提供必要信息。針對靈活運行模式造成設備的加速磨損問題，通過數據收集和分析可進一步解釋。這些項目均有助于轉輪采購的開展，還可以幫助業界更好地將變化的運行模式與設備規格相匹配。

以上項目將有助于水電行業應對目前面臨的關鍵性挑戰，EPRI也鼓勵其他行業利益相關者參與到項目實施中。