姜 巍

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530022）

1 概述

水電是當(dāng)今世界最主要和最優(yōu)質(zhì)的可再生能源，技術(shù)成熟、運(yùn)行靈活，兼具發(fā)電、防洪、灌溉、供水、航運(yùn)等多種用途，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益顯著。隨著各國水電裝機(jī)容量的不斷攀升和節(jié)能減排的巨大壓力，水電持續(xù)受到廣泛關(guān)注。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）和國際能源署（IEA）共同研究[1]，預(yù)計(jì)到2022 年，世界水電總裝機(jī)將達(dá)到13 億kW。其中，我國水輪發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)將達(dá)到3.41 億kW，居世界第一，可開發(fā)的裝機(jī)容量6.6 億kW，2018 年水電發(fā)電量為11 945 億kW·h，占全部發(fā)電量的18.55%[2]，為中國的節(jié)能減排事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的積累和進(jìn)步，我國在水電領(lǐng)域技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，水電工程的技術(shù)水平已經(jīng)位居世界前列，有能力從規(guī)劃設(shè)計(jì)到工程建設(shè)，從裝備制造到運(yùn)行維護(hù)的全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)技術(shù)整合，管理水平也逐步完善并強(qiáng)化。在《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》設(shè)定的主要目標(biāo)中，到2020 年年末，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015 年下降15%，非化石能源占能源消費(fèi)總量比重達(dá)到15%，同時(shí)能源消費(fèi)總量控制在50 億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。伴隨著經(jīng)濟(jì)體質(zhì)改革的持續(xù)深化，節(jié)能減排壓力巨大，能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

對老舊水電站的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，評估其是否具有延續(xù)運(yùn)行的能力，或者通過延壽改造重新利用起來，已經(jīng)成為各國充分利用現(xiàn)有水電資源的共識。北美地區(qū)在大壩建設(shè)方面擁有先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，也是最先關(guān)注大壩退役管理方面研究的國家之一。該地區(qū)主要從環(huán)境保護(hù)、大壩安全以及經(jīng)濟(jì)效益3 個(gè)方面來評估大壩退役的必要性[3]。根據(jù)研究結(jié)果，北美約有80%的水電機(jī)組運(yùn)行年限超過30 年，因此加拿大正在開展水電現(xiàn)代化改造，在不列顛哥倫比亞省，投產(chǎn)已70 年的約翰哈特發(fā)電站正在進(jìn)行現(xiàn)代化改造，并計(jì)劃于2021 年完工后，最初的126 MW 6 機(jī)組發(fā)電站將被一個(gè)新的132 MW 3 機(jī)組發(fā)電站所取代?？笨怂娋掷^續(xù)在包括Beauharnois（1 903 MW），Manic5（1 596 MW）和Rapide-2（67 MW）以及Rapide-7（67 MW）在內(nèi)的一些老的發(fā)電站實(shí)施延壽改造項(xiàng)目[4]。根據(jù)安德里茨公司（ANDRITZ）研究，現(xiàn)有水電站的現(xiàn)代化改造可以讓發(fā)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(wù)局 (USBR) 和美國陸軍工程師團(tuán)(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(wěn)定運(yùn)行。主要包括通過監(jiān)測大壩運(yùn)行狀態(tài)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(nèi)容有：

（1）水電站的電氣設(shè)備、自動(dòng)化控制設(shè)備、機(jī)械設(shè)備及大壩將會(huì)在水電站退役時(shí)進(jìn)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(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)的要求。

（2）環(huán)境影響的評價(jià)主要包括：水質(zhì)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(yīng)該有充分的科學(xué)依據(jù)，經(jīng)過反復(fù)論證，思考大壩退役拆除對于可持續(xù)發(fā)展的影響，促使社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展，要從大局性、全局性來思考問題。

（4）泥沙處理方案應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌思考工程和環(huán)境方面的要求，弄清楚每一種方案對庫區(qū)淤沙處理的效果，關(guān)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(qū)泥沙如何處理后，才可準(zhǔn)確制定大壩拆除方案。

（5）利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，研究不同大壩退役方案的大壩拆除關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)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(nèi)外研究者通過層次分析（AHP）法，設(shè)備資產(chǎn)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(jī)等水電站設(shè)備壽命進(jìn)行了評估。本文基于上述評估方法，對健康指數(shù)公式進(jìn)行優(yōu)化后，結(jié)合木桶原理提出了水電站壽命的評估方法。

3.1 健康指數(shù)公式

英國EA 公司提出了一個(gè)健康指數(shù)公式，公式利用了設(shè)備老化原理，并且參考設(shè)備健康水平指數(shù)和時(shí)間關(guān)系，該公式在英國以及北美地區(qū)的電力設(shè)備健康評估項(xiàng)目中得到了廣泛的利用。健康指數(shù)取值范圍在0～10 之間，越接近10 表示健康狀態(tài)越差[7]。依據(jù)慣例，人們認(rèn)為得分越低表示設(shè)備狀態(tài)越差，為了保持健康度與評價(jià)結(jié)果的慣例一致，本文對評價(jià)公式進(jìn)行了優(yōu)化，如式（1）所示：

當(dāng)健康指數(shù)為0.9～1.0 時(shí)，水電站設(shè)備狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定。按照以往水電站投運(yùn)初期設(shè)備狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)值，我們認(rèn)為投運(yùn)初始日期T1時(shí)刻的健康水平指數(shù)HI0取值范圍為0.95～1；HI為T2年份時(shí)的健康指數(shù)，取值范圍為0～1；B為老化系數(shù)。我們依據(jù)健康指數(shù)公式，在對水電站壽命狀態(tài)做出整體評估之前先對各主要運(yùn)行設(shè)備做出健康評估。

3.2 木桶原理評價(jià)法

通常決定該機(jī)組運(yùn)行壽命的不是剩余壽命最長的設(shè)備，而是剩余壽命最短的設(shè)備，我們將發(fā)電機(jī)組比作一個(gè)木桶，組成發(fā)電機(jī)組的各個(gè)設(shè)備比作木桶的每一塊木板，運(yùn)用木桶原理進(jìn)行計(jì)算，如式（2）所示：

式中：

NG——機(jī)組可延續(xù)的壽命；

Nn——機(jī)組各主要設(shè)備的剩余壽命。

隨著中國水電技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的進(jìn)步，水電站開始有計(jì)劃地對一部分設(shè)備進(jìn)行升級改造，以符合安全、信息化等各方面的要求，因此機(jī)組可運(yùn)行時(shí)間會(huì)進(jìn)一步延長。在計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備改造的因素，按以下公式計(jì)算：

式中：

NDn——機(jī)組各設(shè)備改造后設(shè)計(jì)使用年限，未改造的設(shè)備NDn取實(shí)際剩余壽命Ni；

HIn——機(jī)組各設(shè)備當(dāng)前的健康指數(shù)。

在運(yùn)用公式（1）對發(fā)電機(jī)組的各主要設(shè)備分別進(jìn)行評估后，我們運(yùn)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(xù)發(fā)電的能力。

4 延壽評估的內(nèi)容

水電站延壽評估應(yīng)以水電站主要設(shè)備設(shè)施為切入點(diǎn)，重點(diǎn)對水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、各控制系統(tǒng)、大壩建筑物及其他電氣設(shè)備進(jìn)行評估，以設(shè)備出廠時(shí)設(shè)備性能數(shù)據(jù)、近5 年設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和最近一次檢修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，評估各設(shè)備是否具備繼續(xù)運(yùn)行的能力，最終得出該水電站是否能夠繼續(xù)運(yùn)行的結(jié)論。

水電站的延壽評估工作主要包含現(xiàn)場評估檢查，數(shù)據(jù)資料分析和延壽改造安全評估3 項(xiàng)工作，工作組成員應(yīng)當(dāng)具備全面評估各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的能力。

（1）現(xiàn)場評估檢查?，F(xiàn)場評估檢查主要對電廠主要設(shè)備設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)的檢查。其中，對存在性能和安全隱患的廠內(nèi)設(shè)備問題應(yīng)當(dāng)詳細(xì)描述并給出處理建議，對缺少檢修檢測記錄報(bào)告，當(dāng)前無法確定運(yùn)行狀況的設(shè)備應(yīng)建議盡快進(jìn)行測試，對其他運(yùn)行狀態(tài)較好的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行評價(jià)。

（2）數(shù)據(jù)資料分析。對設(shè)備設(shè)施從設(shè)計(jì)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(bào)告、第三方測試報(bào)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(shù)據(jù)資料分析工作。

（3）延壽改造安全評估。參考現(xiàn)場檢查和試驗(yàn)結(jié)果，綜合評價(jià)分析機(jī)組的性能，嚴(yán)格判定各設(shè)備可延續(xù)使用的年限，從而對機(jī)組可延續(xù)運(yùn)行的年限形成定論。雖然電廠對部分設(shè)備進(jìn)行改造后，會(huì)延長機(jī)組運(yùn)行壽命，但機(jī)組的可使用年限應(yīng)當(dāng)綜合考慮所有設(shè)備以及電廠所在地自然環(huán)境的影響[8]。

5 案例分析

西津水電站位于廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)，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(xiàn)安裝4 臺軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，總裝機(jī)容量242.2 MW，隨著廣西“珠江-西江黃金水道”重點(diǎn)工程的建設(shè)，成為了一座以發(fā)電為主，同時(shí)兼顧航運(yùn)、灌溉的水利樞紐工程。本次延壽評估的對象是1964 年投產(chǎn)發(fā)電的1 號發(fā)電機(jī)組，至今已運(yùn)行超過50 年。

2019 年12 月，評估工作小組對1 號機(jī)組進(jìn)行了延壽評估。通過查看歷史檢修數(shù)據(jù)，檢查設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況來評估是否具備繼續(xù)運(yùn)行的能力。從1995～2019 年，1 號機(jī)組共進(jìn)行了大修5 次，小修17次， 2004 年，進(jìn)行了1 次對水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和主變壓器3 個(gè)重要設(shè)備的重大技術(shù)改造，近5 年運(yùn)行情況良好（表1）。各設(shè)備評估如下：

（1）水輪機(jī)。機(jī)組部件維護(hù)情況較好，運(yùn)行穩(wěn)定，近5 年發(fā)電量較穩(wěn)定，可以帶滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，各部位振動(dòng)、擺度值在非振動(dòng)區(qū)均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。2004 年改造后性能優(yōu)異，關(guān)鍵部件都進(jìn)行了更換或改造，水輪機(jī)模型效率符合要求，耗水率較低。

（2）發(fā)電機(jī)。通過分析對比出廠數(shù)據(jù)、大修后試驗(yàn)數(shù)據(jù)和近5 年的發(fā)電機(jī)日常巡檢資料，各部件運(yùn)行穩(wěn)定，各數(shù)據(jù)無明顯變化，符合繼續(xù)安全運(yùn)行的條件。

表1 1 號機(jī)近5 年運(yùn)行情況

（3）主變壓器。按照目前的工況，國標(biāo)要求主變壓器使用壽命不少于20 年，目前1 號機(jī)主變壓器已運(yùn)行13 年，且運(yùn)行穩(wěn)定，檢修維護(hù)正常，2015 年10月主變絕緣油進(jìn)行糠醛測試的結(jié)果遠(yuǎn)小于老化參考值，未發(fā)現(xiàn)絕緣材料有明顯老化現(xiàn)象，1 號機(jī)主變壓器滿足繼續(xù)安全運(yùn)行的條件，在保證每年的預(yù)防性試驗(yàn)合格及運(yùn)行監(jiān)測正常的情況下，可安全運(yùn)行的壽命不少于7 年。

（4）重要金屬設(shè)備。油罐、氣罐、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)輪葉片、發(fā)電機(jī)大軸等部件是水電站重要的金屬設(shè)備。目前1 號發(fā)電機(jī)組壓力容器均在設(shè)計(jì)使用年限20年內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定，檢修維護(hù)正常，均在檢驗(yàn)有效期內(nèi)，起重機(jī)械均在使用狀態(tài)安全評估有效期至2022 年內(nèi)，檢修維護(hù)正常，均在定期檢驗(yàn)有效期內(nèi)，機(jī)組重要金屬受監(jiān)部件已消缺，運(yùn)行穩(wěn)定，檢修維護(hù)正常，滿足繼續(xù)安全運(yùn)行的條件。

（5）控制設(shè)備。調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)裝置作為電子元器件組成的設(shè)備，個(gè)別模塊損壞后更換簡單，按照一般經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行更換，不影響整臺機(jī)組的運(yùn)行。

（6）廠房和大壩。經(jīng)過大壩監(jiān)管機(jī)構(gòu)的定期檢查，大壩工程級別、建筑物級別、防洪和抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對照現(xiàn)行規(guī)范雖偏低，但符合標(biāo)準(zhǔn)要求且風(fēng)險(xiǎn)可控；大壩泄洪能力滿足防洪安全要求；壩基穩(wěn)定，滲流正常；大壩抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力滿足規(guī)范要求；大壩變形正常，揚(yáng)壓力不高，滲漏量很??；近壩庫岸和工程邊坡穩(wěn)定。西津水電站大壩為正常壩。

經(jīng)過現(xiàn)場查看水電站各設(shè)備的運(yùn)行情況，運(yùn)用公式（1）、公式（3），經(jīng)綜合打分后，我們得出西津水電站1 號機(jī)組各設(shè)備的健康狀況，如表2 所示。

表2 1 號機(jī)組各設(shè)備健康綜合指數(shù)

針對西津水電站1 號機(jī)組及其附屬設(shè)備和大壩建筑物的評估，認(rèn)為1 號機(jī)組具備安全運(yùn)行條件。由于水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行主要由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、廠房和大壩決定，其余附屬設(shè)備更換方便，不影響機(jī)組運(yùn)行，因此以上述3 個(gè)主設(shè)備的得分來評估1 號機(jī)組的延壽年限是可行的。

1 號機(jī)組已在2006 年6 月完成了水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)施的更新改造，按照設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)程，1 號機(jī)組安全運(yùn)行壽命不小于40 年，目前運(yùn)行穩(wěn)定，檢修試驗(yàn)正常，結(jié)合評估模型中各設(shè)備的綜合指數(shù)，評估小組評估1 號機(jī)組在正常工況下可繼續(xù)運(yùn)行至2046 年6 月。每年應(yīng)對各設(shè)備和部件定期進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)和檢測，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，在2046年6月前應(yīng)再次對1號機(jī)組進(jìn)行專項(xiàng)安全評估工作。

6 延壽評估的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效率、優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、防治環(huán)境污染的強(qiáng)大推動(dòng)力。西津水電站為此做出了突出貢獻(xiàn)，見表3。

表3 1 號發(fā)電機(jī)組近10 年發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)及節(jié)能減排效益

2010～2019 年，西津水電站總發(fā)電量為3 114 GW·h，共實(shí)現(xiàn)稅費(fèi)1.288 9 億元，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)可知，1 號發(fā)電機(jī)組的年均發(fā)電量在330 GW·h 左右，年均實(shí)現(xiàn)稅費(fèi)約1 607 萬元，年均節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(jù)此計(jì)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(shí)也將節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約278.1 萬t。

對即將到達(dá)使用年限的水電站重新進(jìn)行延壽評估，無疑將會(huì)延續(xù)水電對節(jié)能減排做出的重要貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作降低了水電站的退出成本，保證了電力供應(yīng)的充足，增加了水電站在整個(gè)生命周期的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，這項(xiàng)工作也將有利于整個(gè)流域的生態(tài)穩(wěn)定。西津水電站1 號機(jī)組延壽評估的成功經(jīng)驗(yàn)也將應(yīng)用到其他3 臺機(jī)組上。