老小水輪機組數(shù)字化系統(tǒng)建設探索與應用

民威

(1．國電投重慶獅子灘發(fā)電有限公司,重慶 401220; 2．北京中元瑞訊科技有限公司,北京 100085)

0 引言

大多數(shù)水輪機的設計壽命通常為25～30年,少數(shù)可能延長至40年[1]。然而,現(xiàn)今許多渦輪機已經(jīng)運行超過50年甚至60年,遠遠超越了設計壽命。盡管如此,這些渦輪機仍在繼續(xù)發(fā)電,未經(jīng)重大改造、升級或關(guān)鍵部件更換。這種延續(xù)運行會導致設備可靠性逐漸下降,帶來安全性等問題,同時,故障頻率和維護成本也逐年攀升[2]。

隨著運行年限的增加,渦輪機轉(zhuǎn)輪開裂的風險逐漸增加[3]。在運行過程中,水輪機轉(zhuǎn)輪承受巨大載荷[4-5],其復雜的幾何形狀和工作條件使得應力狀況更加惡化[6]。具體而言,離心力、流體力、焊接應力和制造殘余應力等因素影響轉(zhuǎn)輪應力[7],而部分負載、過載、啟動、關(guān)閉及緊急停止等非設計條件更加加劇了轉(zhuǎn)輪開裂的風險。此外,特定條件下的流體不穩(wěn)定和脈動也是問題,例如卡門渦街[8]、周期性流動分離、尾水管渦繩振動[9]等,這些現(xiàn)象會產(chǎn)生周期性擾動激勵力。這些流動特性導致葉片疲勞損傷,可能引發(fā)共振,而共振帶來的動應力常常是葉片裂縫的主要原因之一[10],這些裂縫通常位于葉片后緣、輪轂附近甚至焊接區(qū)。

正是在這種背景下,數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展對能源行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。老小水輪機組作為水力發(fā)電站的主要痛點,也開始引起了數(shù)字化研究者的關(guān)注。在能源領域,數(shù)字化系統(tǒng)已廣泛應用于設備運行的監(jiān)測、優(yōu)化和管理[11-13]。在水輪機組的數(shù)字化系統(tǒng)建設方面,研究者們正專注于尋求更為高效的發(fā)電方式,降低運維成本,并提升運行的安全性[14]。

初期的研究主要關(guān)注于對傳統(tǒng)大型水輪機組的數(shù)字化改造。例如,劉光臨等[15](2007)應用數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù),實現(xiàn)了對大型水輪機組的實時監(jiān)測和故障預測。其研究揭示了數(shù)字化系統(tǒng)在提高運行效率和降低故障風險方面的潛力。隨著數(shù)字化技術(shù)的演進,小型水輪機組也開始從數(shù)字化系統(tǒng)中受益。Vagnoni E et al[16](2021)通過實時數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控,有效提高了小型水輪機組的運行可靠性。上述的研究突顯了數(shù)字化系統(tǒng)在小型水輪機組中的實際應用價值。

基于以上背景及已有研究,本文建立了過流部件裂紋預測系統(tǒng),將結(jié)合流體仿真探討老小水電機組等能源項目中數(shù)字化系統(tǒng)建設的重要性和可行性,并討論數(shù)字化系統(tǒng)建設所面臨的挑戰(zhàn)和解決方案。這將為提升水輪機組的可靠性和安全性提供新的路徑。

1 老小水輪機組現(xiàn)狀與問題分析

小型水輪機組作為我國水力發(fā)電裝置的重要組成部分,不僅具有長久的歷史傳統(tǒng),也在地方電力供應中扮演著關(guān)鍵角色。然而,隨著時間的推移,一些老舊水輪機組面臨著技術(shù)狀況逐漸惡化和運行效率下降等問題。與此同時,小型水輪機組由于規(guī)模相對較小,傳統(tǒng)技術(shù)在提升其運行效率和管理水平方面遇到了一系列挑戰(zhàn)。

老小水輪機組的主要問題之一是技術(shù)陳舊。一些老年水輪機組采用了傳統(tǒng)的機械控制系統(tǒng),難以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和智能化操作。這使得對其運行狀況的及時了解和調(diào)整變得困難,導致發(fā)電效率下降和故障頻發(fā)。另外,由于這些設備年代較久,零部件供應和維護逐漸困難,造成了設備可靠性的下降,影響了電站的長期穩(wěn)定運行。

小型水輪機組在規(guī)模上相對較小,往往被忽視,但其也面臨著獨特的問題。由于受限于空間和資源,小型水輪機組在設備監(jiān)測和維護方面存在一定的困難。無法實現(xiàn)實時監(jiān)測和故障預測,導致故障的修復往往需要更長的時間,影響了電力供應的穩(wěn)定性。此外,小型水輪機組的運行模式和技術(shù)更新較少,使得其效率無法得到有效提升。

另一個共同面臨的問題是運維成本較高。對老舊水輪機組的維護需要大量的人力和物力投入,而零部件的采購和更換也是一項巨大的支出。對于小型水輪機組來說,雖然規(guī)模較小,但由于設備的特殊性質(zhì),維護同樣需要耗費不少資源。這些高昂的成本影響了水輪機組的長期可持續(xù)運行。

綜上所述,老小水輪機組面臨著技術(shù)陳舊、設備可靠性下降、運行效率不高及運維成本較高等問題。這些問題不僅影響了水力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展,也制約了我國清潔能源的開發(fā)利用。針對這些問題,數(shù)字化系統(tǒng)的引入提供了新的解決途徑。通過實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和智能控制,數(shù)字化系統(tǒng)有望為老小水輪機組的現(xiàn)狀提供有效改進方案,提高發(fā)電效率、降低運維成本,實現(xiàn)水力發(fā)電行業(yè)的技術(shù)升級和可持續(xù)發(fā)展。

2 過流部件裂紋預測系統(tǒng)程設計

水輪機部件的疲勞裂紋是最危險的長期損害類型之一,傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)無法提前發(fā)現(xiàn)設備損壞,可能導致嚴重事故和經(jīng)濟損失。非設計條件下的運行更會加劇裂紋發(fā)展,加速設備老化?，F(xiàn)代診斷技術(shù)已取得進展,常用大量傳感器測振動參數(shù)。然而,在很多情況下,這些系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)渦輪機主要部件中的危險裂紋,如轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)動葉片的機構(gòu)、緊固件甚至軸。

為解決這些問題,水輪機組裂紋預測數(shù)字化系統(tǒng)被設計出來。首先,傳感器被布置在進水口、尾水管等關(guān)鍵位置,用于實時監(jiān)測管道的物理參數(shù),如流速、流量和壓力脈動等。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)絡傳輸至中央控制系統(tǒng),通過云計算技術(shù)存儲在云端,形成了一個龐大的數(shù)據(jù)儲備。

在數(shù)據(jù)處理和特征提取階段,中央控制系統(tǒng)運用數(shù)據(jù)分析算法對存儲的數(shù)據(jù)進行加工,提取出有價值的特征信息,例如應變波動趨勢、壓力變化規(guī)律等,應用服務則將數(shù)據(jù)與ANSYS等流體軟件結(jié)合,分析現(xiàn)流場狀態(tài)并用于后續(xù)分析與評估,對水電站運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析。

隨后,在模型訓練和故障診斷階段,系統(tǒng)基于歷史數(shù)據(jù)建立機器學習或深度學習模型,預測管道裂紋的發(fā)展趨勢。模型不斷地根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行訓練和調(diào)整,以提高預測的準確性。如果數(shù)據(jù)表明裂紋已進入危險階段,系統(tǒng)將觸發(fā)報警機制,促使運維人員立即采取應急措施,具體流程如圖1所示。

圖1 老小水輪機組數(shù)字化系統(tǒng)的流程設計

最終,數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化階段支持系統(tǒng)的持續(xù)運行,系統(tǒng)持續(xù)地收集、儲存和分析數(shù)據(jù),以優(yōu)化預測模型和系統(tǒng)性能。通過數(shù)據(jù)分析,運維人員可以發(fā)現(xiàn)管道運行的優(yōu)化潛力,減少裂紋發(fā)展的風險,進而提升管道的安全性和可靠性。

3 過流部件裂紋預測系統(tǒng)應用案例

以貴州省某山村的小型水輪機為原型,測繪建立水輪機模型。該水電站額定水頭15 m,設計流量33.6 m3/s,裝機容量4 000 kW,年利用4 175 h,平均發(fā)電量1 667 kW·h。總體而言,水輪機組的老舊和分散運營、效率較低且設備老舊容易出現(xiàn)故障,都會影響能源供應的穩(wěn)定性。為對比分析汽輪機在不同水頭工況下的運行情況,進行了樣機試驗并同時測量了壓力波動、振動和軸跳動。這些參數(shù)可以很好地說明機組的運行穩(wěn)定性。

利用壓力波動傳感器測量壓力波動,傳感器通過流體接觸獲取不同位置的壓力(如蝸殼進口和尾水管出口),將值轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)浇K端。軸跳動量由渦流傳感器測量,靜態(tài)和動態(tài)測量金屬導體與表面間距離,電流變化隨距離,電流傳輸至終端。使用低頻振動速度傳感器測量振動,包含質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和自適應電路等,位移值傳輸至終端用于對比分析。

在樣機試驗的基礎上,對樣機渦輪從蝸殼到尾水管的流道進行了CFD模擬。采用流固耦合法計算了水輪機轉(zhuǎn)輪的應力。研究了流道葉片的內(nèi)部流態(tài)、水力激勵力和應力特性?；谏虡I(yè)軟件ANSYS CFX,采用計算流體力學方法進行流動模擬,并采用有限元法對轉(zhuǎn)輪葉片強度進行了預測,如圖2所示。

圖2 過流部件裂紋數(shù)字化系統(tǒng)的預測技術(shù)

如圖2,T0為首期建設投入時間,T1為理論壽命中的失效時間,T2為應用系統(tǒng)后實際壽命中的失效時間。首先,利用流體力學模擬數(shù)據(jù),系統(tǒng)能夠分析在不同操作條件下流道內(nèi)的流動特性(如圖2中數(shù)據(jù)特征曲線),從而預測葉片受到的應力分布情況;其次,通過有限元法對轉(zhuǎn)輪葉片的強度進行預測,可以識別出潛在的弱點區(qū)域,有助于在運行中及時進行維護和檢修,以防止葉片疲勞斷裂或其他損壞情況的發(fā)生;最后,綜合實際操作情況和預測結(jié)果,系統(tǒng)可以建立水輪機的壽命預測模型,預測其在特定運行條件下的使用壽命。以達到在有限運維成本范圍內(nèi)延長機組壽命的目的,這對于制定合理的維護計劃、延長設備的使用壽命及提高運行效率具有重要意義。

4 結(jié)語

(1)老小水輪機組存在效率低下、設備老舊容易故障等問題,影響能源供應的穩(wěn)定性。數(shù)字化系統(tǒng)的建設與應用為解決這些問題提供了新的途徑。通過數(shù)字化系統(tǒng)監(jiān)測機組運行狀態(tài)、實時采集關(guān)鍵參數(shù),運維人員能夠更準確地了解機組性能,從而有效提升運行可靠性和穩(wěn)定性。

(2) 數(shù)字化系統(tǒng)通過大量傳感器實時監(jiān)測管道物理參數(shù),將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)和云端進行儲存和分析。在數(shù)據(jù)處理和特征提取階段,系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)分析算法提取特征信息,然后,結(jié)合流體軟件進行現(xiàn)場狀態(tài)分析,支持水電站運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析。系統(tǒng)通過機器學習和深度學習模型,基于歷史數(shù)據(jù)預測裂紋發(fā)展趨勢,實現(xiàn)智能化的故障診斷。

(3)通過引入現(xiàn)代診斷技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分析,該系統(tǒng)實現(xiàn)了對水輪機部件疲勞裂紋等隱患的提前預測和及時故障診斷,從而有效降低了事故風險和經(jīng)濟損失。這一創(chuàng)新性的數(shù)字化系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和技術(shù)融合,為水能資源的高效利用和清潔能源的發(fā)展提供了技術(shù)支持。