基于健康指數法的水電站延壽評估效益研究

姜 巍

（大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530022）

1 概述

水電是當今世界最主要和最優質的可再生能源，技術成熟、運行靈活，兼具發電、防洪、灌溉、供水、航運等多種用途，經濟、社會、生態效益顯著。隨著各國水電裝機容量的不斷攀升和節能減排的巨大壓力，水電持續受到廣泛關注。根據世界經濟合作與發展組織（OECD）和國際能源署（IEA）共同研究[1]，預計到2022 年，世界水電總裝機將達到13 億kW。其中，我國水輪發電機組的總裝機將達到3.41 億kW，居世界第一，可開發的裝機容量6.6 億kW，2018 年水電發電量為11 945 億kW·h，占全部發電量的18.55%[2]，為中國的節能減排事業做出了巨大貢獻?！端姲l展“十三五”規劃》指出，經過半個世紀的積累和進步，我國在水電領域技術能力實現了跨越式發展，水電工程的技術水平已經位居世界前列，有能力從規劃設計到工程建設，從裝備制造到運行維護的全產業鏈實現技術整合，管理水平也逐步完善并強化。在《“十三五”節能減排綜合工作方案》設定的主要目標中，到2020 年年末，全國萬元國內生產總值能耗比2015 年下降15%，非化石能源占能源消費總量比重達到15%，同時能源消費總量控制在50 億t標準煤以內。伴隨著經濟體質改革的持續深化，節能減排壓力巨大，能源產業結構轉型迫在眉睫。

對老舊水電站的運行情況進行檢查，評估其是否具有延續運行的能力，或者通過延壽改造重新利用起來，已經成為各國充分利用現有水電資源的共識。北美地區在大壩建設方面擁有先進的經驗，也是最先關注大壩退役管理方面研究的國家之一。該地區主要從環境保護、大壩安全以及經濟效益3 個方面來評估大壩退役的必要性[3]。根據研究結果，北美約有80%的水電機組運行年限超過30 年，因此加拿大正在開展水電現代化改造，在不列顛哥倫比亞省，投產已70 年的約翰哈特發電站正在進行現代化改造，并計劃于2021 年完工后，最初的126 MW 6 機組發電站將被一個新的132 MW 3 機組發電站所取代?？笨怂娋掷^續在包括Beauharnois（1 903 MW），Manic5（1 596 MW）和Rapide-2（67 MW）以及Rapide-7（67 MW）在內的一些老的發電站實施延壽改造項目[4]。根據安德里茨公司（ANDRITZ）研究，現有水電站的現代化改造可以讓發電量增加最多30%，回收期通常不到3 年。

2 退役評估理論

美國墾務局 (USBR) 和美國陸軍工程師團(USACE)通過制定一系列大壩安全管理程序，保證所管理的大壩安全穩定運行。主要包括通過監測大壩運行狀態而開展的可能破壞模式的分析和一些退役評估程序[5-6]。在退役評估方面的主要內容有：

（1）水電站的電氣設備、自動化控制設備、機械設備及大壩將會在水電站退役時進行拆除工作，拆除后巖土和河流泥沙是否能夠滿足洪水防御、環境保護、防災減災的要求。

（2）環境影響的評價主要包括：水質和水量的變化，水中生物物種的影響，人類歷史與考古資源的保存，人文景觀資源的影響，土地使用的影響。

（3）拆除大壩應該有充分的科學依據，經過反復論證，思考大壩退役拆除對于可持續發展的影響，促使社會、環境、經濟、資源利用協調發展，要從大局性、全局性來思考問題。

（4）泥沙處理方案應當統籌思考工程和環境方面的要求，弄清楚每一種方案對庫區淤沙處理的效果，關注該方案對水生生物和水中文化資源的影響。弄清楚大壩拆除后庫區泥沙如何處理后，才可準確制定大壩拆除方案。

（5）利用技術經濟分析方法，研究不同大壩退役方案的大壩拆除關鍵技術點和經濟性，評估大壩退役對綜合資源使用效益的影響。

3 水電壽命評估模型

國內外研究者通過層次分析（AHP）法，設備資產全壽命周期（Life Cycle Cost， LCC）管理，威布爾分布（Weilbull Distribution）等方法對電力變壓器、水輪機等水電站設備壽命進行了評估。本文基于上述評估方法，對健康指數公式進行優化后，結合木桶原理提出了水電站壽命的評估方法。

3.1 健康指數公式

英國EA 公司提出了一個健康指數公式，公式利用了設備老化原理，并且參考設備健康水平指數和時間關系，該公式在英國以及北美地區的電力設備健康評估項目中得到了廣泛的利用。健康指數取值范圍在0～10 之間，越接近10 表示健康狀態越差[7]。依據慣例，人們認為得分越低表示設備狀態越差，為了保持健康度與評價結果的慣例一致，本文對評價公式進行了優化，如式（1）所示：

當健康指數為0.9～1.0 時，水電站設備狀態良好，性能穩定。按照以往水電站投運初期設備狀態的經驗值，我們認為投運初始日期T1時刻的健康水平指數HI0取值范圍為0.95～1；HI為T2年份時的健康指數，取值范圍為0～1；B為老化系數。我們依據健康指數公式，在對水電站壽命狀態做出整體評估之前先對各主要運行設備做出健康評估。

3.2 木桶原理評價法

通常決定該機組運行壽命的不是剩余壽命最長的設備，而是剩余壽命最短的設備，我們將發電機組比作一個木桶，組成發電機組的各個設備比作木桶的每一塊木板，運用木桶原理進行計算，如式（2）所示：

式中：

NG——機組可延續的壽命；

Nn——機組各主要設備的剩余壽命。

隨著中國水電技術的發展和經濟實力的進步，水電站開始有計劃地對一部分設備進行升級改造，以符合安全、信息化等各方面的要求，因此機組可運行時間會進一步延長。在計算中應當考慮設備改造的因素，按以下公式計算：

式中：

NDn——機組各設備改造后設計使用年限，未改造的設備NDn取實際剩余壽命Ni；

HIn——機組各設備當前的健康指數。

在運用公式（1）對發電機組的各主要設備分別進行評估后，我們運用公式（3）即可對水電站壽命做出評估，以判斷該水電站是否具備繼續發電的能力。

4 延壽評估的內容

水電站延壽評估應以水電站主要設備設施為切入點，重點對水輪機、發電機、變壓器、各控制系統、大壩建筑物及其他電氣設備進行評估，以設備出廠時設備性能數據、近5 年設備運行數據和最近一次檢修數據為基礎，評估各設備是否具備繼續運行的能力，最終得出該水電站是否能夠繼續運行的結論。

水電站的延壽評估工作主要包含現場評估檢查，數據資料分析和延壽改造安全評估3 項工作，工作組成員應當具備全面評估各項設備設施的能力。

（1）現場評估檢查?，F場評估檢查主要對電廠主要設備設施進行詳細的檢查。其中，對存在性能和安全隱患的廠內設備問題應當詳細描述并給出處理建議，對缺少檢修檢測記錄報告，當前無法確定運行狀況的設備應建議盡快進行測試，對其他運行狀態較好的設備設施進行評價。

（2）數據資料分析。對設備設施從設計制造階段開始，到安裝竣工的資料、日常巡檢登記表、維修記錄和報告、第三方測試報告、技改資料、檢修工作臺賬、定期工作記錄、缺陷處理記錄、故障臺賬等開展數據資料分析工作。

（3）延壽改造安全評估。參考現場檢查和試驗結果，綜合評價分析機組的性能，嚴格判定各設備可延續使用的年限，從而對機組可延續運行的年限形成定論。雖然電廠對部分設備進行改造后，會延長機組運行壽命，但機組的可使用年限應當綜合考慮所有設備以及電廠所在地自然環境的影響[8]。

5 案例分析

西津水電站位于廣西壯族自治區境內，處于郁江干流的中游河段，距廣西首府南寧市陸路110 km，水路167 km，下游距橫縣縣城5 km。西津水電站現安裝4 臺軸流轉槳式機組，總裝機容量242.2 MW，隨著廣西“珠江-西江黃金水道”重點工程的建設，成為了一座以發電為主，同時兼顧航運、灌溉的水利樞紐工程。本次延壽評估的對象是1964 年投產發電的1 號發電機組，至今已運行超過50 年。

2019 年12 月，評估工作小組對1 號機組進行了延壽評估。通過查看歷史檢修數據，檢查設備實際運行情況來評估是否具備繼續運行的能力。從1995～2019 年，1 號機組共進行了大修5 次，小修17次， 2004 年，進行了1 次對水輪機、發電機和主變壓器3 個重要設備的重大技術改造，近5 年運行情況良好（表1）。各設備評估如下：

（1）水輪機。機組部件維護情況較好，運行穩定，近5 年發電量較穩定，可以帶滿負荷穩定運行，各部位振動、擺度值在非振動區均在標準允許范圍內。2004 年改造后性能優異，關鍵部件都進行了更換或改造，水輪機模型效率符合要求，耗水率較低。

（2）發電機。通過分析對比出廠數據、大修后試驗數據和近5 年的發電機日常巡檢資料，各部件運行穩定，各數據無明顯變化，符合繼續安全運行的條件。

表1 1 號機近5 年運行情況

（3）主變壓器。按照目前的工況，國標要求主變壓器使用壽命不少于20 年，目前1 號機主變壓器已運行13 年，且運行穩定，檢修維護正常，2015 年10月主變絕緣油進行糠醛測試的結果遠小于老化參考值，未發現絕緣材料有明顯老化現象，1 號機主變壓器滿足繼續安全運行的條件，在保證每年的預防性試驗合格及運行監測正常的情況下，可安全運行的壽命不少于7 年。

（4）重要金屬設備。油罐、氣罐、轉子支架、轉輪葉片、發電機大軸等部件是水電站重要的金屬設備。目前1 號發電機組壓力容器均在設計使用年限20年內，運行穩定，檢修維護正常，均在檢驗有效期內，起重機械均在使用狀態安全評估有效期至2022 年內，檢修維護正常，均在定期檢驗有效期內，機組重要金屬受監部件已消缺，運行穩定，檢修維護正常，滿足繼續安全運行的條件。

（5）控制設備。調速系統、勵磁系統和繼電保護裝置作為電子元器件組成的設備，個別模塊損壞后更換簡單，按照一般經驗，使用期限為12 年左右，到期后電廠可在每年的例行檢修期間進行更換，不影響整臺機組的運行。

（6）廠房和大壩。經過大壩監管機構的定期檢查，大壩工程級別、建筑物級別、防洪和抗震設計標準對照現行規范雖偏低，但符合標準要求且風險可控；大壩泄洪能力滿足防洪安全要求；壩基穩定，滲流正常；大壩抗滑穩定和應力滿足規范要求；大壩變形正常，揚壓力不高，滲漏量很??；近壩庫岸和工程邊坡穩定。西津水電站大壩為正常壩。

經過現場查看水電站各設備的運行情況，運用公式（1）、公式（3），經綜合打分后，我們得出西津水電站1 號機組各設備的健康狀況，如表2 所示。

表2 1 號機組各設備健康綜合指數

針對西津水電站1 號機組及其附屬設備和大壩建筑物的評估，認為1 號機組具備安全運行條件。由于水電機組的安全穩定運行主要由水輪機、發電機、廠房和大壩決定，其余附屬設備更換方便，不影響機組運行，因此以上述3 個主設備的得分來評估1 號機組的延壽年限是可行的。

1 號機組已在2006 年6 月完成了水輪機、發電機等設施的更新改造，按照設計及相關規程，1 號機組安全運行壽命不小于40 年，目前運行穩定，檢修試驗正常，結合評估模型中各設備的綜合指數，評估小組評估1 號機組在正常工況下可繼續運行至2046 年6 月。每年應對各設備和部件定期進行相應的試驗和檢測，確保設備安全穩定運行，在2046年6月前應再次對1號機組進行專項安全評估工作。

6 延壽評估的經濟效益

水電是我國最主要的可再生清潔能源，是我國提高能源經濟效率、優化能源供給結構、促進節能減排、防治環境污染的強大推動力。西津水電站為此做出了突出貢獻，見表3。

表3 1 號發電機組近10 年發電量和經濟及節能減排效益

2010～2019 年，西津水電站總發電量為3 114 GW·h，共實現稅費1.288 9 億元，節省標準煤98.09萬t，減少二氧化碳排放244.44 萬t，減少二氧化硫排放9.34 萬t，減少氮氧化物排放4.67 萬t。此外，通過2015～2019 年的數據可知，1 號發電機組的年均發電量在330 GW·h 左右，年均實現稅費約1 607 萬元，年均節省標準煤約10.3 萬t，年均減少二氧化碳排放25.5 萬t，年均減少二氧化硫排放1 萬t，年均減少氮氧化物排放0.5 萬t。

據此計算，完成延壽評估的2019～2046 年，西津水電站將減少二氧化碳排放約688.5 萬t，減少二氧化硫排放27 萬t，減少氮氧化物排放約13.5 萬t，同時也將節省標準煤約278.1 萬t。

對即將到達使用年限的水電站重新進行延壽評估，無疑將會延續水電對節能減排做出的重要貢獻。這項工作降低了水電站的退出成本，保證了電力供應的充足，增加了水電站在整個生命周期的經濟效益。同時，這項工作也將有利于整個流域的生態穩定。西津水電站1 號機組延壽評估的成功經驗也將應用到其他3 臺機組上。