靈活運行模式下的水電技術(shù)改進(jìn)

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水力發(fā)電的歷史最早可追溯到19世紀(jì)80年代，如今已發(fā)展成為一項成熟且可靠的科學(xué)技術(shù)，即便在只有日常維護(hù)的條件下，水力發(fā)電機(jī)組的基荷服務(wù)年限也高達(dá)100 a。許多在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初投入使用的水力發(fā)電站至今仍在運行。由于水電技術(shù)成熟及使用壽命長，因此有人認(rèn)為該行業(yè)技術(shù)已無需改進(jìn)。但是，這一觀點已經(jīng)與當(dāng)今水電行業(yè)不斷變化的現(xiàn)實脫節(jié)。水電行業(yè)的用途和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了改變，這種觀點也需要相應(yīng)改變。

1 行業(yè)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

目前水電行業(yè)現(xiàn)狀和面臨的一系列挑戰(zhàn)使得新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)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(nèi)包括水電站在內(nèi)的發(fā)電站均須采用更加靈活的運行模式，或不同于標(biāo)準(zhǔn)的基荷運行模式。造成這種現(xiàn)象的主要原因是間歇性能源(主要包括風(fēng)能和太陽能)發(fā)電的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；同時，該運行模式也增加了發(fā)電負(fù)載的不可預(yù)測性。

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

一直以來，相關(guān)部門對標(biāo)準(zhǔn)化水電運行方面的監(jiān)控較為不足，一些發(fā)電機(jī)組未配有任何監(jiān)控設(shè)備，卻仍在使用機(jī)械調(diào)速器和機(jī)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(yuǎn)，發(fā)生故障和事故大多是由于機(jī)械參數(shù)未得到監(jiān)控。即使有監(jiān)控，通常也不會對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無法了解其運行模式和預(yù)測故障。監(jiān)控不足必然會對機(jī)械設(shè)備日常維護(hù)造成影響。維護(hù)工作通常按照一定時間區(qū)間進(jìn)行，對于基荷運行模式的水力發(fā)電機(jī)組而言，該方法較為合理。但隨著水電機(jī)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(jī)次數(shù)也在不斷增加。

2 水電站運行技術(shù)改進(jìn)

針對以上所述的行業(yè)現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，美國電力科學(xué)研究院(EPRI)開展了多個研究項目，以探索和借鑒其他行業(yè)中有助于水電機(jī)組技術(shù)改進(jìn)的成功經(jīng)驗。每個項目的開發(fā)都旨在解決技術(shù)發(fā)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(guān)聯(lián)，因此一個項目的研究成果能為其他項目提供經(jīng)驗和支持。

2.1 靈活運行模式的影響

過去20 a，水力發(fā)電運行模式變得愈加靈活。這種轉(zhuǎn)變是逐漸形成的，人們對其帶來的影響了解甚少。機(jī)組啟動和停機(jī)次數(shù)的增加、最小負(fù)荷、粗切區(qū)運行、泵送和調(diào)相運行等因素都可能對機(jī)械產(chǎn)生不利影響并增加設(shè)備耗損。機(jī)組啟動次數(shù)增加和負(fù)載頻繁變化對設(shè)備造成的損壞包括：加速發(fā)電機(jī)部件老化、轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)空化現(xiàn)象，高頻率振動增加軸承磨損、降低液壓調(diào)速器可靠性和變壓器故障。

雖然機(jī)械設(shè)備的耗損不可避免，但目前在特定的操作條件下，對機(jī)組正常運行的影響程度尚不清楚。電站業(yè)主和運營方必須了解靈活的運行方式對其設(shè)備造成的影響，以便獲取更準(zhǔn)確的調(diào)度成本和行業(yè)機(jī)器設(shè)備損耗數(shù)據(jù)，這將有助于電站管理人員就運行機(jī)制和相關(guān)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(hù)資源也非常重要。

水電行業(yè)研究人員正試圖對組件的加速老化情況進(jìn)行量化。一些專家將電站被迫停運次數(shù)的增加歸結(jié)為非基載運行模式電站數(shù)量的增加。北美電力可靠性委員會開發(fā)的可用性數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)(NERC-GADS)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和信息的收集，但缺乏信息深度以及在機(jī)械故障和被迫停運之前檢測到故障時的相關(guān)信息仍是目前該系統(tǒng)存在的問題，且系統(tǒng)無法量化日常維護(hù)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(shè)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(yīng)力、振動和機(jī)身疲勞程度增加幅度，并將這些數(shù)據(jù)與基載運行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這項研究成果使業(yè)主和運營方可以對靈活運行和等效的基載運行進(jìn)行比較。運營方能夠?qū)⒂嬎憬M件數(shù)據(jù)的方法應(yīng)用到機(jī)組、電站甚至是整個機(jī)群。

收集到的水力發(fā)電設(shè)備損耗加速的信息，將通過現(xiàn)有的水力和機(jī)械設(shè)計實踐原理進(jìn)行評估，如計算流體動力學(xué)(CFD)、有限元分析(FEA)和疲勞建模，這些方法是原始設(shè)備制造商(OEM)在現(xiàn)代水電部件設(shè)計中采用的常規(guī)方法。通過對水輪機(jī)中各主要部件的受力情況進(jìn)行評估，研究人員可以計算出瞬態(tài)工況下循環(huán)操作造成的振動和相對老化程度，并根據(jù)基本負(fù)載或最佳效率點(BEP)運行條件下的預(yù)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(guān)鍵是什么？“還是財務(wù)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(jī)組的啟動/停止周期、最小負(fù)載和水泵等因素。此外，還要進(jìn)一步研究發(fā)電機(jī)組件的熱疲勞，以及斷路器、變壓器和控制系統(tǒng)因循環(huán)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(jìn)傳感器技術(shù)

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

2.3 機(jī)組狀態(tài)檢修監(jiān)測

鑒于發(fā)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(jī)組性能和狀況進(jìn)行監(jiān)控的方法。隨著工作周期的增加，對設(shè)備狀況和監(jiān)控的需求也在增加。通過增加參數(shù)數(shù)量用于監(jiān)控并發(fā)現(xiàn)性能退化是水力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢修(CBM)策略采用的常規(guī)方法。

該項目旨在利用監(jiān)控技術(shù)對水電機(jī)組采用的系統(tǒng)CBM方法進(jìn)行論證。項目的重點是實現(xiàn)高效率監(jiān)控，即在資產(chǎn)可靠性和可用性方面創(chuàng)造最大預(yù)期收益。

項目將在選定的主機(jī)站點開展性能基線評估，評估包括當(dāng)前CBM實施狀況、監(jiān)控設(shè)備和傳感器，以及所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。項目還將確定可為系統(tǒng)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(jī)組上安裝了水輪動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(TDMS)。這種無線射頻驅(qū)動裝置可以測量扭轉(zhuǎn)和軸向方向上的應(yīng)力和振動。目前該裝置在水電系統(tǒng)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(nèi)水電系統(tǒng)的模式趨勢和變化，針對可能發(fā)生的故障向運營方發(fā)出警報。同時，運營方也會通過調(diào)整和測試考查其他一些傳感器技術(shù)，選擇結(jié)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(shù)據(jù)分析的水電資產(chǎn)管理

隨著維護(hù)管理系統(tǒng)、機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控以及復(fù)雜數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，大量有關(guān)現(xiàn)代化水電站數(shù)據(jù)往往還未經(jīng)進(jìn)一步檢驗或分析就被存檔。要想合理利用數(shù)據(jù)指導(dǎo)水電資產(chǎn)管理，必須經(jīng)歷復(fù)雜的分析過程以得出有效管理方法。

此項研發(fā)工作是一種基于數(shù)據(jù)的水電資產(chǎn)管理方法，并將選擇一座水電站對該方法進(jìn)行論證。該項目將生成一個重點故障模式數(shù)據(jù)庫，有助于對即將發(fā)生的故障發(fā)出早期預(yù)警信號。項目初始工作包括為水輪機(jī)和調(diào)速器部件建立FMEA數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中提取故障特征，并執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。

電力行業(yè)在高級模式識別(APR)和數(shù)據(jù)分析方面已取得了一定進(jìn)展。對發(fā)電機(jī)組運行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算后，對有用的信息進(jìn)行整理。電力行業(yè)正在加大對數(shù)據(jù)實時分析系統(tǒng)的投資，這些系統(tǒng)還可以在監(jiān)測參數(shù)超出模型可接受范圍時向運營方發(fā)出警報。APR軟件已應(yīng)用于包括水電在內(nèi)的各類發(fā)電設(shè)施，它可以根據(jù)發(fā)電機(jī)組的構(gòu)造模型向運營方發(fā)出非標(biāo)準(zhǔn)性參數(shù)的警報。

數(shù)據(jù)分析是大規(guī)模數(shù)據(jù)利用的重要一步，數(shù)據(jù)分析不僅可以識別出非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，還可以基于已有信息診斷出問題原因，診斷的依據(jù)是機(jī)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(shè)備在線監(jiān)控指南

對設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)控(OLM)有助于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能的退化并預(yù)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(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)利用程度的了解。由于水電行業(yè)對OLM的重現(xiàn)和未來投資潛力的不斷增加，電站業(yè)主和運營方都需要一份最新的、符合其運營目標(biāo)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)管理和軟件集成等方法評估設(shè)備狀況的成功經(jīng)驗。該指南提供的信息包括必要的監(jiān)控參數(shù)、可用的傳感器、有效監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)傳感器，用以評估設(shè)備的狀況。傳感器的多種選擇和測量對設(shè)備故障或退化狀況的相對價值，將有助于確定在監(jiān)測和診斷硬件和軟件方面進(jìn)行投資的優(yōu)選程度。通過提供數(shù)據(jù)采集設(shè)備、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)管理方法等方面信息，將進(jìn)一步幫助用戶做出選擇，從而擴(kuò)展或提升用戶在監(jiān)控、診斷、鑒定設(shè)備剩余使用壽命、維護(hù)和操作等方面的能力。

2.6 靈活運行模式對轉(zhuǎn)輪采購的影響

隨著水電由基荷運行模式轉(zhuǎn)向更靈活的運行模式，轉(zhuǎn)輪的設(shè)計、采購和制造方式也需要適應(yīng)這一變化。由于規(guī)范文件和設(shè)計要求還未能根據(jù)新的運行模式進(jìn)行調(diào)整，目前水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的運行已經(jīng)超出其設(shè)計范圍，使用壽命也正在大幅縮短。

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

該項目還幫助水電業(yè)主和運營方引導(dǎo)其客戶掌握采購相關(guān)知識，并向其展示水電機(jī)組目前的運行方式。項目將為靈活運行模式下轉(zhuǎn)輪規(guī)格提供范例，將幫助水電業(yè)主和運營方購買使用壽命長的設(shè)備，并將最大限度地減少對穩(wěn)定機(jī)組的養(yǎng)護(hù)維修和停機(jī)時間。

3 無損檢驗技術(shù)

越來越多的報告中提到了轉(zhuǎn)子磁極和磁軛連接處的裂紋擴(kuò)展問題，該問題難以在組裝發(fā)電機(jī)時檢測到。按照目前的設(shè)備表面檢查流程，必須將轉(zhuǎn)子磁極從磁軛上卸下。這一步驟通常需要將轉(zhuǎn)子從設(shè)備中取出，并進(jìn)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(dǎo)致長時間停機(jī)。如果未被及時發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，可能會帶來嚴(yán)重的故障，有時甚至需要更換整個發(fā)電機(jī)。

由于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極周邊空間有限且屬于分層組裝，轉(zhuǎn)子在該區(qū)域的構(gòu)造造成許多標(biāo)準(zhǔn)無損檢測(NDE)技術(shù)并不適用。但是，新型NDE工藝和技術(shù)可以避免嚴(yán)重的運行中斷。

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

4 結(jié) 語

目前，水力發(fā)電行業(yè)面臨的許多挑戰(zhàn)都源自每個電站和機(jī)組設(shè)計的特殊性。每臺機(jī)組在水位差、流量、使用年限、原始設(shè)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(jiān)控和維護(hù)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，以及靈活運行模式下的機(jī)械老化的量化等工作帶來了困難。因此，要充分利用現(xiàn)有水電技術(shù)，對部件的加速老化和磨損程度進(jìn)行量化，通過先進(jìn)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步加強量化工作。數(shù)據(jù)只有在進(jìn)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(yīng)維護(hù)策略。

本文所提及的所有項目均與技術(shù)改進(jìn)緊密關(guān)系，這些技術(shù)進(jìn)步可以相輔相成，如先進(jìn)的傳感器使數(shù)據(jù)分析成為可能。與這些技術(shù)應(yīng)用的有關(guān)經(jīng)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(shè)備的加速磨損問題，通過數(shù)據(jù)收集和分析可進(jìn)一步解釋。這些項目均有助于轉(zhuǎn)輪采購的開展，還可以幫助業(yè)界更好地將變化的運行模式與設(shè)備規(guī)格相匹配。

以上項目將有助于水電行業(yè)應(yīng)對目前面臨的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，EPRI也鼓勵其他行業(yè)利益相關(guān)者參與到項目實施中。