灵活运行模式下的水电技术改进

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水力发电的历史最早可追溯到19世纪80年代，如今已发展成为一项成熟且可靠的科学技术，即便在只有日常维护的条件下，水力发电机组的基荷服务年限也高达100 a。许多在19世纪末和20世纪初投入使用的水力发电站至今仍在运行。由于水电技术成熟及使用寿命长，因此有人认为该行业技术已无需改进。但是，这一观点已经与当今水电行业不断变化的现实脱节。水电行业的用途和相关技术已经发生了改变，这种观点也需要相应改变。

1 行业现状及面临的挑战

目前水电行业现状和面临的一系列挑战使得新技术的开发和应用成为必然。过去20 a来，在多种因素的影响下，北美乃至全球范围内包括水电站在内的发电站均须采用更加灵活的运行模式，或不同于标准的基荷运行模式。造成这种现象的主要原因是间歇性能源(主要包括风能和太阳能)发电的快速发展和广泛应用；同时，该运行模式也增加了发电负载的不可预测性。

水电因其响应迅速、存储容量大、燃料耗费小以及可再生等特性经常用于平衡间歇性可再生能源的负载，平衡方式包括：增加电站启动和停机次数、保持最低负载运行、抽水蓄能电站抽水、调相运行以及不发电时的溢水操作等。简而言之，水力发电已不再采用标准基荷运行模式，而是以一种灵活的负载能源跟踪模式运行。

一直以来，相关部门对标准化水电运行方面的监控较为不足，一些发电机组未配有任何监控设备，却仍在使用机械调速器和机械控制装置，还有很多电站采用非人工操作且地理位置偏远，发生故障和事故大多是由于机械参数未得到监控。即使有监控，通常也不会对所得数据进行分析，无法了解其运行模式和预测故障。监控不足必然会对机械设备日常维护造成影响。维护工作通常按照一定时间区间进行，对于基荷运行模式的水力发电机组而言，该方法较为合理。但随着水电机组运行方式的变化，采用相同维修间隔周期的方法已不再适用，强制停机次数也在不断增加。

2 水电站运行技术改进

针对以上所述的行业现状和面临的挑战，美国电力科学研究院(EPRI)开展了多个研究项目，以探索和借鉴其他行业中有助于水电机组技术改进的成功经验。每个项目的开发都旨在解决技术发展和水电站运行面临的问题，项目之间存在一定的相似之处且相互关联，因此一个项目的研究成果能为其他项目提供经验和支持。

2.1 灵活运行模式的影响

过去20 a，水力发电运行模式变得愈加灵活。这种转变是逐渐形成的，人们对其带来的影响了解甚少。机组启动和停机次数的增加、最小负荷、粗切区运行、泵送和调相运行等因素都可能对机械产生不利影响并增加设备耗损。机组启动次数增加和负载频繁变化对设备造成的损坏包括：加速发电机部件老化、转轮叶片出现空化现象，高频率振动增加轴承磨损、降低液压调速器可靠性和变压器故障。

虽然机械设备的耗损不可避免，但目前在特定的操作条件下，对机组正常运行的影响程度尚不清楚。电站业主和运营方必须了解灵活的运行方式对其设备造成的影响，以便获取更准确的调度成本和行业机器设备损耗数据，这将有助于电站管理人员就运行机制和相关成本做出合理决策。对损耗费用的实际计算可以反映出组件性能降级率的增加，对于提供必要的电站维护资源也非常重要。

水电行业研究人员正试图对组件的加速老化情况进行量化。一些专家将电站被迫停运次数的增加归结为非基载运行模式电站数量的增加。北美电力可靠性委员会开发的可用性数据生成系统(NERC-GADS)主要负责数据和信息的收集，但缺乏信息深度以及在机械故障和被迫停运之前检测到故障时的相关信息仍是目前该系统存在的问题，且系统无法量化日常维护工作频率的增加。

EPRI开展的一个项目主要是通过利用工程设计软件计算并量化各重要组件在不同非基载运行条件下应力、振动和机身疲劳程度增加幅度，并将这些数据与基载运行数据进行比较。这项研究成果使业主和运营方可以对灵活运行和等效的基载运行进行比较。运营方能够将计算组件数据的方法应用到机组、电站甚至是整个机群。

收集到的水力发电设备损耗加速的信息，将通过现有的水力和机械设计实践原理进行评估，如计算流体动力学(CFD)、有限元分析(FEA)和疲劳建模，这些方法是原始设备制造商(OEM)在现代水电部件设计中采用的常规方法。通过对水轮机中各主要部件的受力情况进行评估，研究人员可以计算出瞬态工况下循环操作造成的振动和相对老化程度，并根据基本负载或最佳效率点(BEP)运行条件下的预期磨损计算出这些部件的老化程度。

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灵活的运行模式要求考虑机组的启动/停止周期、最小负载和水泵等因素。此外，还要进一步研究发电机组件的热疲劳，以及断路器、变压器和控制系统因循环操作引起的损耗。损耗情况将由特定运行条件下各部件加速磨损比率确定，并将参照BEP运行条件下的损耗情况。

2.2 先进传感器技术

该项目旨在从各个行业中选取一些发展成熟和新兴的传感器技术，并将其应用至水电行业中以解决目前面临的问题。其中一些问题来自于EPRI正在进行的“基于数据分析的水电资产管理”项目(将在 2.4作详细说明)，该项目将识别潜在故障模式，以及确定监控或未受监控参数用于早期故障诊断，还包括一些水电行业普遍存在的问题，如转轮空蚀破坏等。这样做的目的是通过确定一些未受监控但具有参考价值的水电机组的固有参数，研究其技术状况。该项研究将对其他具有相似参数的行业进行考察，以寻求可以应用于水电行业的技术，EPRI将对该技术进行实际论证。

2.3 机组状态检修监测

鉴于发电站运行模式的变化和工作周期的增加，该项目正在研究对水电机组性能和状况进行监控的方法。随着工作周期的增加，对设备状况和监控的需求也在增加。通过增加参数数量用于监控并发现性能退化是水力发电机组状态检修(CBM)策略采用的常规方法。

该项目旨在利用监控技术对水电机组采用的系统CBM方法进行论证。项目的重点是实现高效率监控，即在资产可靠性和可用性方面创造最大预期收益。

项目将在选定的主机站点开展性能基线评估，评估包括当前CBM实施状况、监控设备和传感器，以及所收集数据的准确性和有效性。项目还将确定可为系统CBM方法提供支持的商用和新兴传感器。

2017年，作为该项目的一部分，EPRI在两个抽水蓄能机组上安装了水轮动态监控系统(TDMS)。这种无线射频驱动装置可以测量扭转和轴向方向上的应力和振动。目前该装置在水电系统上的测试仍处于初期阶段，但其灵敏性可以识别出一定时期内水电系统的模式趋势和变化，针对可能发生的故障向运营方发出警报。同时，运营方也会通过调整和测试考查其他一些传感器技术，选择结果将由故障模式和影响分析(FMEA)以及CBM方式共同决定。

2.4 基于数据分析的水电资产管理

随着维护管理系统、机器状态监控以及复杂数据采集与监视控制(SCADA)系统的广泛应用，大量有关现代化水电站数据往往还未经进一步检验或分析就被存档。要想合理利用数据指导水电资产管理，必须经历复杂的分析过程以得出有效管理方法。

此项研发工作是一种基于数据的水电资产管理方法，并将选择一座水电站对该方法进行论证。该项目将生成一个重点故障模式数据库，有助于对即将发生的故障发出早期预警信号。项目初始工作包括为水轮机和调速器部件建立FMEA数据库，从数据库中提取故障特征，并执行数据分析。

电力行业在高级模式识别(APR)和数据分析方面已取得了一定进展。对发电机组运行产生的大量数据进行分析计算后，对有用的信息进行整理。电力行业正在加大对数据实时分析系统的投资，这些系统还可以在监测参数超出模型可接受范围时向运营方发出警报。APR软件已应用于包括水电在内的各类发电设施，它可以根据发电机组的构造模型向运营方发出非标准性参数的警报。

数据分析是大规模数据利用的重要一步，数据分析不仅可以识别出非标准参数，还可以基于已有信息诊断出问题原因，诊断的依据是机器故障特征。 2017年，EPRI开始着手收集能够界定这些故障特征的信息。

2.5 设备在线监控指南

对设备进行在线监控(OLM)有助于及早发现设备性能的退化并预防故障。OLM的实施涉及传感器类型的选择、测量类别的挑选，以及对数据质量和数据利用程度的了解。由于水电行业对OLM的重现和未来投资潜力的不断增加，电站业主和运营方都需要一份最新的、符合其运营目标的指南来帮助选择合适的在线传感器，并有效地利用所收集到的数据。

该项目还将包括OLM指南编制工作，用以介绍目前通过传感、数据收集、数据管理和软件集成等方法评估设备状况的成功经验。该指南提供的信息包括必要的监控参数、可用的传感器、有效监控的标准，以及遇到特定问题时推荐使用的传感器等。

该指南旨在帮助用户集中精力选择有价值的数据传感器，用以评估设备的状况。传感器的多种选择和测量对设备故障或退化状况的相对价值，将有助于确定在监测和诊断硬件和软件方面进行投资的优选程度。通过提供数据采集设备、相关基础设施和数据管理方法等方面信息，将进一步帮助用户做出选择，从而扩展或提升用户在监控、诊断、鉴定设备剩余使用寿命、维护和操作等方面的能力。

2.6 灵活运行模式对转轮采购的影响

随着水电由基荷运行模式转向更灵活的运行模式，转轮的设计、采购和制造方式也需要适应这一变化。由于规范文件和设计要求还未能根据新的运行模式进行调整，目前水轮机转轮的运行已经超出其设计范围，使用寿命也正在大幅缩短。

在水轮机转轮采购过程中应考虑新的运行模式，必须对指定规格和设备运行方式进行比较。该项目将会对比转轮采购文书中指定的规格要求和机组的实际运行模式，并为符合灵活运行要求的转轮制定规格范例。项目还将对制造过程、质量控制和保障手段进行考察，以判断对该领域的进一步研究是否能够延长转轮的使用寿命。

该项目还帮助水电业主和运营方引导其客户掌握采购相关知识，并向其展示水电机组目前的运行方式。项目将为灵活运行模式下转轮规格提供范例，将帮助水电业主和运营方购买使用寿命长的设备，并将最大限度地减少对稳定机组的养护维修和停机时间。

3 无损检验技术

越来越多的报告中提到了转子磁极和磁轭连接处的裂纹扩展问题，该问题难以在组装发电机时检测到。按照目前的设备表面检查流程，必须将转子磁极从磁轭上卸下。这一步骤通常需要将转子从设备中取出，并进行大范围的尺寸校核。总体而言，此项工作耗费时间长、占用资源多，并会导致长时间停机。如果未被及时发现疲劳裂纹，可能会带来严重的故障，有时甚至需要更换整个发电机。

由于转子磁轭和磁极周边空间有限且属于分层组装，转子在该区域的构造造成许多标准无损检测(NDE)技术并不适用。但是，新型NDE工艺和技术可以避免严重的运行中断。

目前EPRI正在开展一个项目，以确定用于该区域检测的NDE技术，可最大限度减少对设备的拆卸。

4 结 语

目前，水力发电行业面临的许多挑战都源自每个电站和机组设计的特殊性。每台机组在水位差、流量、使用年限、原始设备制造商、维修历史或受其他原因的影响等方面均具有独特性。这种独特性给在线监控和维护方法的标准化，以及灵活运行模式下的机械老化的量化等工作带来了困难。因此，要充分利用现有水电技术，对部件的加速老化和磨损程度进行量化，通过先进传感器收集的数据进一步加强量化工作。数据只有在进行了分析和使用后才具有价值，可帮助及早检测故障并制定相应维护策略。

本文所提及的所有项目均与技术改进紧密关系，这些技术进步可以相辅相成，如先进的传感器使数据分析成为可能。与这些技术应用的有关经验可为OLM指南的编写提供必要信息。针对灵活运行模式造成设备的加速磨损问题，通过数据收集和分析可进一步解释。这些项目均有助于转轮采购的开展，还可以帮助业界更好地将变化的运行模式与设备规格相匹配。

以上项目将有助于水电行业应对目前面临的关键性挑战，EPRI也鼓励其他行业利益相关者参与到项目实施中。