基于智能水電站的機(jī)組能效狀態(tài)評價方法

田德智，張樂辰，李 宇，張?zhí)?/p>

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856200；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

現(xiàn)如今，電力行業(yè)已從電力供應(yīng)不足時代粗放式的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷で蟮统杀?、高效率、低污染的生產(chǎn)方式。水電作為可再生的清潔能源在新時代的發(fā)展需求下有著廣闊的發(fā)展前景，如何做到高效率的安全生產(chǎn)是水電企業(yè)必須思考的課題。在實(shí)際生產(chǎn)工作中，水電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電效益受到多個環(huán)節(jié)的影響，對機(jī)組作能效評價是保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效手段。

隨著國務(wù)院《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》、國家發(fā)改委、能源局《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》等文件的出臺，推進(jìn)能源生產(chǎn)、消費(fèi)智能化，帶動產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，構(gòu)建安全高效的智慧能源體系已成為能源企業(yè)今后的發(fā)展方向[1]。在智能水力發(fā)電模式下，對機(jī)組能效狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，有助于動態(tài)了解機(jī)組運(yùn)行過程的性能和效率，一方面保障電站生產(chǎn)的安全性和可靠性，另一面保障機(jī)組運(yùn)行在高效率范圍，提高電站生產(chǎn)效益[2]。

DG水電站作為華電集團(tuán)公司新建水電站代表，在集團(tuán)公司《智能水力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》要求下開展智能水電站建設(shè)的試點(diǎn)研究。基于一體化平臺開發(fā)和建設(shè)各功能模塊，經(jīng)過智能應(yīng)用分析和處理的結(jié)果存儲在一體化平臺并可供其他應(yīng)用訪問及使用[3]。智能水電站的建設(shè)為在線監(jiān)測機(jī)組能效狀態(tài)提供了平臺和數(shù)據(jù)來源。本文基于DG智能水電站建設(shè)提出水電機(jī)組能效評價方法[4-5]，為該電站在運(yùn)行期的高效、安全生產(chǎn)提供保障。

1 智能水電站建設(shè)思路

1.1 智能水電站設(shè)計思路及體系架構(gòu)

該智能水電站遵循《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》的要求，采用“橫向分區(qū)、縱向分層”的方式設(shè)計并建設(shè)橫跨安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)以及安全I(xiàn)II區(qū)的廠級智能水力發(fā)電一體化平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、編碼、存儲和處理，消除“信息孤島”。其中，平臺安全Ⅰ區(qū)應(yīng)具備計算機(jī)監(jiān)控功能，平臺安全Ⅱ區(qū)應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行(優(yōu)化調(diào)度)和設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測功能，安全Ⅲ區(qū)部署大壩安全分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水電遠(yuǎn)程診斷、防汛決策支持、安全防護(hù)管理等應(yīng)用。

DG智能水電站一體化平臺安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)采用虛擬化架構(gòu)，打破傳統(tǒng)單服務(wù)器單應(yīng)用的傳統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計模式，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用抽象化，并使其與基礎(chǔ)硬件架構(gòu)分離。一體化平臺安全Ⅱ區(qū)和管理信息大區(qū)部分自底向上分為物理層、虛擬化層、數(shù)據(jù)平臺層及服務(wù)層，為各應(yīng)用提供數(shù)據(jù)及服務(wù)支持。

1.2 水電診斷平臺架構(gòu)

水電設(shè)備的安全運(yùn)行是水電企業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，DG智能水電站設(shè)計中安全Ⅲ區(qū)部署了水電遠(yuǎn)程診斷平臺，DG水電站的機(jī)組能效評價功能于該平臺中實(shí)現(xiàn)。水電遠(yuǎn)程診斷平臺采用B/S架構(gòu)，從下到上分為4個層次:數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)采集層、存儲計算業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)展示層，如圖1所示。

圖1 水電遠(yuǎn)程診斷平臺軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)源層位于系統(tǒng)平臺的最底層，為平臺提供數(shù)據(jù)來源(建設(shè)期基本數(shù)據(jù)，生產(chǎn)期機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)采集層用于采集實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)系設(shè)備健康指標(biāo)數(shù)據(jù)。存儲計算業(yè)務(wù)邏輯層針對數(shù)據(jù)層進(jìn)行操作，處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯。業(yè)務(wù)邏輯層具體包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、量化評價、能效分析等模塊。系統(tǒng)各功能模塊采取插件式，可選擇加載，可獨(dú)立配置運(yùn)行。模塊間的交互只在底層數(shù)據(jù)訪問層進(jìn)行，做到“高內(nèi)聚，低耦合”。數(shù)據(jù)展示層為展現(xiàn)給用戶的界面，即用戶在使用系統(tǒng)時的所見所得。

水電遠(yuǎn)程診斷平臺的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了水電機(jī)組主設(shè)備預(yù)知性檢修，監(jiān)管機(jī)組或設(shè)備的檢修、維護(hù)及更新改造狀況，實(shí)時監(jiān)管水輪發(fā)電機(jī)組主設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及主要狀態(tài)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)指標(biāo)的對標(biāo)分析、主設(shè)備的預(yù)警、狀態(tài)評價和能效評價，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組遠(yuǎn)程診斷平臺與其他相關(guān)系統(tǒng)的集成，以及對電站運(yùn)行效率的監(jiān)控等，對提高水電設(shè)備的可用率、機(jī)組的運(yùn)行效率、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

2 能效評價方法

2.1 指標(biāo)評價規(guī)則

能效為能源利用效率的簡稱，即有效能量與輸入能量之比，客觀地反映了產(chǎn)品的能量利用性能[6-7]。水電站能效為水能轉(zhuǎn)換為電能的效率，從能效定義出發(fā)，本文提出的水電機(jī)組能效狀態(tài)評價方法確定了4個核心指標(biāo)，耗水率、水輪機(jī)效率、導(dǎo)葉漏水率、引水損失率。其中耗水率體現(xiàn)綜合調(diào)度、機(jī)組能效；水輪機(jī)效率體現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)下水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能；導(dǎo)葉漏水率體現(xiàn)機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下的導(dǎo)葉性能；引水損失率體現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)下的引水流道性能。

2.1.1 耗水率

耗水率為發(fā)電用水量和發(fā)電量的比值，是用來表征發(fā)電機(jī)效率的重要參數(shù)[8]。由于不同能效評價指標(biāo)的量綱不同，需將實(shí)際值采用一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算。選用機(jī)組耗水率作評價指標(biāo)，以多年平均耗水率(10年總發(fā)電用水/10年總發(fā)電量)為目標(biāo)值(對于新建電站，可由專業(yè)人員自行設(shè)定耗水率目標(biāo)值，在積累一定歷史數(shù)據(jù)后再進(jìn)行調(diào)整)，求誤差占比[9]，構(gòu)造公式(式1)將耗水率折算為0～100區(qū)間的數(shù)值(得分)：

(1)

式中：a為多年平均耗水率，m3/kWh；q為耗水率實(shí)際值，m3/kWh。

以多年平均耗水率(目標(biāo)值)3.50 m3/kWh為例，表1為部分耗水率實(shí)際值的對應(yīng)得分，若得分F1>100，取F1為100，若得分F1<0，取F1=0。

表1 耗水率指標(biāo)折算示例

2.1.2 水輪機(jī)效率

水輪機(jī)效率指水輪機(jī)輸出功率和輸入水流功率的比值。水輪機(jī)效率體現(xiàn)了水輪機(jī)對水流能量的有效利用程度，對表征機(jī)組能效狀態(tài)有顯著意義[10]。將機(jī)組水輪機(jī)效率折算為0～100的數(shù)值(得分)，由于該指標(biāo)為機(jī)組發(fā)電態(tài)下的實(shí)時值，受水頭、負(fù)荷變化的影響大，特選取時段內(nèi)水輪機(jī)實(shí)際最優(yōu)效率和實(shí)際最優(yōu)效率出現(xiàn)工況(水頭、負(fù)荷)下對應(yīng)的設(shè)計效率(目標(biāo)值)作對比，最優(yōu)效率定義為水輪機(jī)各工況中效率的最大值。經(jīng)測算后構(gòu)造折算公式：

(2)

式中：a為水輪機(jī)設(shè)計效率，%；q為水輪機(jī)實(shí)際最優(yōu)效率，%。

以某工況下設(shè)計效率(目標(biāo)值)96%為例，表2為部分實(shí)際最優(yōu)效率對應(yīng)得分，若得分F2>100，取F2為100，若得分F2<0，取F2=0。

表2 水輪機(jī)效率指標(biāo)折算示例

2.1.3 引水損失率

天然來水在通過攔污柵、進(jìn)水口、引水管道到水輪機(jī)，經(jīng)尾水管排入河道的過程中勢必產(chǎn)生各種水頭損失，引水損失率的定義為：當(dāng)前水頭損失(毛水頭—工作水頭)占毛水頭的比例。

(3)

式中：ls為機(jī)組引水損失率實(shí)時值，%；Hm為毛水頭，上下游水位差，mm；H為凈水頭(工作水頭)，mm。

引水損失率為機(jī)組發(fā)電狀態(tài)下的實(shí)時值，由于不同電站機(jī)組的引水損失率差異較大，對該指標(biāo)的評價采用對標(biāo)自身的縱向評價[11]。選取時段的機(jī)組引水損失率最大值作為實(shí)際值，電站機(jī)組檢修(大修)后額定負(fù)荷下的測試引水損失率作為目標(biāo)值(目標(biāo)值由電站專業(yè)人員確定)。將實(shí)際引水損失率折算為0～100的數(shù)值(得分)，經(jīng)測算后構(gòu)造折算公式：

(4)

式中，lb為機(jī)組引水損失率標(biāo)準(zhǔn)值，%。

以引水損失率(目標(biāo)值)3%為例，表3為部分實(shí)際引水損失率最大值對應(yīng)得分，若得分F3>100，取F3為100，若得分F3<0，取F3=0。

表3 引水損失率指標(biāo)折算示例

2.1.4 導(dǎo)葉漏水率

導(dǎo)葉漏水率為機(jī)組停機(jī)態(tài)下的實(shí)時值，將導(dǎo)葉漏水率實(shí)時值折算為0～100的數(shù)值(得分)，選取時段內(nèi)機(jī)組導(dǎo)葉漏水率最大值與標(biāo)準(zhǔn)值對比[12]。標(biāo)準(zhǔn)值定義為額定水頭下，圓柱式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水輪機(jī)額定流量的3‰。圓錐式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于額定流量的4‰[13]。經(jīng)測算后構(gòu)造折算公式：

(5)

式中：a為導(dǎo)葉漏水率標(biāo)準(zhǔn)值，%；q為導(dǎo)葉漏水率實(shí)時值，%。

以導(dǎo)葉漏水率(目標(biāo)值)0.30%為例，表4為部分實(shí)際導(dǎo)葉漏水率對應(yīng)得分，若得分F4>100，取F4為100，若得分F4<0，取F4=0。

表4 導(dǎo)葉漏水率指標(biāo)折算示例

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

本文確定指標(biāo)權(quán)重從指標(biāo)特性出發(fā)，考慮其反映機(jī)組能效狀態(tài)的重要程度來確定權(quán)重的區(qū)間范圍，生產(chǎn)應(yīng)用中電站可以根據(jù)實(shí)際情況和需求確定具體值。

機(jī)組耗水率為綜合性指標(biāo)，受調(diào)度、水情等其他非機(jī)組能效因素影響較大，在評價規(guī)則中賦予其較小權(quán)重，權(quán)重區(qū)間為5%～10%。從目前大多數(shù)水電站機(jī)組的運(yùn)行情況來看，水輪機(jī)效率通常能體現(xiàn)90%以上的毛水頭能量，引水損失率通體現(xiàn)毛水頭能量的百分之幾，導(dǎo)葉漏水率通常體現(xiàn)毛水頭能量的千分之幾。根據(jù)三個指標(biāo)體現(xiàn)毛水頭能量的數(shù)量級，確定其權(quán)重區(qū)間分別為：水輪機(jī)效率50%～75%，引水損失率15%～25%，導(dǎo)葉漏水率5%～15%。

2.3 機(jī)組能效狀態(tài)評價規(guī)則

水電診斷平臺的能效分析功能模塊對電站所有機(jī)組的能效狀態(tài)作每日滾動評價[14-15]，評價時刻為每日00:00時刻。完成每日評價后，更新當(dāng)月的機(jī)組能效狀態(tài)。對電站的耗水率、機(jī)組水能利用率、水輪機(jī)效率、導(dǎo)葉漏水率、引水損失率等機(jī)組能效指標(biāo)進(jìn)行對比展示。機(jī)組的能效狀態(tài)采用綠(優(yōu))、黃(良)、橙(中)、紅(差)來表示機(jī)組當(dāng)前的能效狀態(tài)，能效等級對應(yīng)的得分區(qū)間如表5所示。

表5 機(jī)組能效狀態(tài)評價規(guī)則

3 結(jié) 語

智能水電站的建設(shè)為在線實(shí)時監(jiān)測機(jī)組等效狀態(tài)提供了平臺和數(shù)據(jù)來源，為更直觀高效的評估機(jī)組能效，提高能源利用率，及早發(fā)現(xiàn)不安全因素等提供了技術(shù)支撐和保障。本文以新建的DG水電站為例，論述了DG在智能水電站建設(shè)規(guī)劃中的設(shè)計思路，診斷平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，并以規(guī)劃的智能水電站功能應(yīng)用為基礎(chǔ)，提出了適用于該架構(gòu)的在線評價機(jī)組能效狀態(tài)方法，確定4個核心指標(biāo)折算公式、指標(biāo)權(quán)重，以及機(jī)組能效狀態(tài)的評價規(guī)則。基于智能水電站的機(jī)組能效評價方法是在數(shù)字化、信息化、智慧化手段下對傳統(tǒng)評估手段的升級革新，機(jī)組狀態(tài)的動態(tài)更新使得評估結(jié)果更具實(shí)時性、實(shí)用性。