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水力發(fā)電的歷史最早可追溯到19世紀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的條件下，水力發(fā)電機組的基荷服務(wù)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(fā)電站至今仍在運行。由于水電技術(shù)成熟及使用壽命長，因此有人認為該行業(yè)技術(shù)已無需改進。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，或不同于標準的基荷運行模式。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載，平衡方式包括：增加電站啟動和停機次數(shù)、保持最低負載運行、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(guān)部門對標準化水電運行方面的監(jiān)控較為不足，一些發(fā)電機組未配有任何監(jiān)控設(shè)備，卻仍在使用機械調(diào)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(fā)生故障和事故大多是由于機械參數(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)控不足必然會對機械設(shè)備日常維護造成影響。維護工作通常按照一定時間區(qū)間進行，對于基荷運行模式的水力發(fā)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(shù)也在不斷增加。

2 水電站運行技術(shù)改進

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)中有助于水電機組技術(shù)改進的成功經(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。機組啟動和停機次數(shù)的增加、最小負荷、粗切區(qū)運行、泵送和調(diào)相運行等因素都可能對機械產(chǎn)生不利影響并增加設(shè)備耗損。機組啟動次數(shù)增加和負載頻繁變化對設(shè)備造成的損壞包括：加速發(fā)電機部件老化、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，以便獲取更準確的調(diào)度成本和行業(yè)機器設(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)主要負責(zé)數(shù)據(jù)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(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)用到機組、電站甚至是整個機群。

收集到的水力發(fā)電設(shè)備損耗加速的信息，將通過現(xiàn)有的水力和機械設(shè)計實踐原理進行評估，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(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(fā)電機組件的熱疲勞，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)進行實際論證。

2.3 機組狀態(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組性能和狀況進行監(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)對水電機組采用的系統(tǒng)CBM方法進行論證。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

隨著維護管理系統(tǒng)、機器狀態(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展。對發(fā)電機組運行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行分析計算后，對有用的信息進行整理。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)電機組的構(gòu)造模型向運營方發(fā)出非標準性參數(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準參數(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(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，將進一步幫助用戶做出選擇，從而擴展或提升用戶在監(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)新的運行模式進行調(diào)整，目前水輪機轉(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行考察，以判斷對該領(lǐng)域的進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)定機組的養(yǎng)護維修和停機時間。

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展問題，該問題難以在組裝發(fā)電機時檢測到。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。如果未被及時發(fā)現(xiàn)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(fā)電機。

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)造造成許多標準無損檢測(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組設(shè)計的特殊性。每臺機組在水位差、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(xiàn)有水電技術(shù)，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(shù)據(jù)進一步加強量化工作。數(shù)據(jù)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(yīng)維護策略。

本文所提及的所有項目均與技術(shù)改進緊密關(guān)系，這些技術(shù)進步可以相輔相成，如先進的傳感器使數(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。