基于健康指数法的水电站延寿评估效益研究

姜 巍

（大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530022）

1 概述

水电是当今世界最主要和最优质的可再生能源，技术成熟、运行灵活，兼具发电、防洪、灌溉、供水、航运等多种用途，经济、社会、生态效益显著。随着各国水电装机容量的不断攀升和节能减排的巨大压力，水电持续受到广泛关注。根据世界经济合作与发展组织（OECD）和国际能源署（IEA）共同研究[1]，预计到2022 年，世界水电总装机将达到13 亿kW。其中，我国水轮发电机组的总装机将达到3.41 亿kW，居世界第一，可开发的装机容量6.6 亿kW，2018 年水电发电量为11 945 亿kW·h，占全部发电量的18.55%[2]，为中国的节能减排事业做出了巨大贡献。《水电发展“十三五”规划》指出，经过半个世纪的积累和进步，我国在水电领域技术能力实现了跨越式发展，水电工程的技术水平已经位居世界前列，有能力从规划设计到工程建设，从装备制造到运行维护的全产业链实现技术整合，管理水平也逐步完善并强化。在《“十三五”节能减排综合工作方案》设定的主要目标中，到2020 年年末，全国万元国内生产总值能耗比2015 年下降15%，非化石能源占能源消费总量比重达到15%，同时能源消费总量控制在50 亿t标准煤以内。伴随着经济体质改革的持续深化，节能减排压力巨大，能源产业结构转型迫在眉睫。

对老旧水电站的运行情况进行检查，评估其是否具有延续运行的能力，或者通过延寿改造重新利用起来，已经成为各国充分利用现有水电资源的共识。北美地区在大坝建设方面拥有先进的经验，也是最先关注大坝退役管理方面研究的国家之一。该地区主要从环境保护、大坝安全以及经济效益3 个方面来评估大坝退役的必要性[3]。根据研究结果，北美约有80%的水电机组运行年限超过30 年，因此加拿大正在开展水电现代化改造，在不列颠哥伦比亚省，投产已70 年的约翰哈特发电站正在进行现代化改造，并计划于2021 年完工后，最初的126 MW 6 机组发电站将被一个新的132 MW 3 机组发电站所取代。魁北克水电局继续在包括Beauharnois（1 903 MW），Manic5（1 596 MW）和Rapide-2（67 MW）以及Rapide-7（67 MW）在内的一些老的发电站实施延寿改造项目[4]。根据安德里茨公司（ANDRITZ）研究，现有水电站的现代化改造可以让发电量增加最多30%，回收期通常不到3 年。

2 退役评估理论

美国垦务局 (USBR) 和美国陆军工程师团(USACE)通过制定一系列大坝安全管理程序，保证所管理的大坝安全稳定运行。主要包括通过监测大坝运行状态而开展的可能破坏模式的分析和一些退役评估程序[5-6]。在退役评估方面的主要内容有：

（1）水电站的电气设备、自动化控制设备、机械设备及大坝将会在水电站退役时进行拆除工作，拆除后岩土和河流泥沙是否能够满足洪水防御、环境保护、防灾减灾的要求。

（2）环境影响的评价主要包括：水质和水量的变化，水中生物物种的影响，人类历史与考古资源的保存，人文景观资源的影响，土地使用的影响。

（3）拆除大坝应该有充分的科学依据，经过反复论证，思考大坝退役拆除对于可持续发展的影响，促使社会、环境、经济、资源利用协调发展，要从大局性、全局性来思考问题。

（4）泥沙处理方案应当统筹思考工程和环境方面的要求，弄清楚每一种方案对库区淤沙处理的效果，关注该方案对水生生物和水中文化资源的影响。弄清楚大坝拆除后库区泥沙如何处理后，才可准确制定大坝拆除方案。

（5）利用技术经济分析方法，研究不同大坝退役方案的大坝拆除关键技术点和经济性，评估大坝退役对综合资源使用效益的影响。

3 水电寿命评估模型

国内外研究者通过层次分析（AHP）法，设备资产全寿命周期（Life Cycle Cost， LCC）管理，威布尔分布（Weilbull Distribution）等方法对电力变压器、水轮机等水电站设备寿命进行了评估。本文基于上述评估方法，对健康指数公式进行优化后，结合木桶原理提出了水电站寿命的评估方法。

3.1 健康指数公式

英国EA 公司提出了一个健康指数公式，公式利用了设备老化原理，并且参考设备健康水平指数和时间关系，该公式在英国以及北美地区的电力设备健康评估项目中得到了广泛的利用。健康指数取值范围在0～10 之间，越接近10 表示健康状态越差[7]。依据惯例，人们认为得分越低表示设备状态越差，为了保持健康度与评价结果的惯例一致，本文对评价公式进行了优化，如式（1）所示：

当健康指数为0.9～1.0 时，水电站设备状态良好，性能稳定。按照以往水电站投运初期设备状态的经验值，我们认为投运初始日期T1时刻的健康水平指数HI0取值范围为0.95～1；HI为T2年份时的健康指数，取值范围为0～1；B为老化系数。我们依据健康指数公式，在对水电站寿命状态做出整体评估之前先对各主要运行设备做出健康评估。

3.2 木桶原理评价法

通常决定该机组运行寿命的不是剩余寿命最长的设备，而是剩余寿命最短的设备，我们将发电机组比作一个木桶，组成发电机组的各个设备比作木桶的每一块木板，运用木桶原理进行计算，如式（2）所示：

式中：

NG——机组可延续的寿命；

Nn——机组各主要设备的剩余寿命。

随着中国水电技术的发展和经济实力的进步，水电站开始有计划地对一部分设备进行升级改造，以符合安全、信息化等各方面的要求，因此机组可运行时间会进一步延长。在计算中应当考虑设备改造的因素，按以下公式计算：

式中：

NDn——机组各设备改造后设计使用年限，未改造的设备NDn取实际剩余寿命Ni；

HIn——机组各设备当前的健康指数。

在运用公式（1）对发电机组的各主要设备分别进行评估后，我们运用公式（3）即可对水电站寿命做出评估，以判断该水电站是否具备继续发电的能力。

4 延寿评估的内容

水电站延寿评估应以水电站主要设备设施为切入点，重点对水轮机、发电机、变压器、各控制系统、大坝建筑物及其他电气设备进行评估，以设备出厂时设备性能数据、近5 年设备运行数据和最近一次检修数据为基础，评估各设备是否具备继续运行的能力，最终得出该水电站是否能够继续运行的结论。

水电站的延寿评估工作主要包含现场评估检查，数据资料分析和延寿改造安全评估3 项工作，工作组成员应当具备全面评估各项设备设施的能力。

（1）现场评估检查。现场评估检查主要对电厂主要设备设施进行详细的检查。其中，对存在性能和安全隐患的厂内设备问题应当详细描述并给出处理建议，对缺少检修检测记录报告，当前无法确定运行状况的设备应建议尽快进行测试，对其他运行状态较好的设备设施进行评价。

（2）数据资料分析。对设备设施从设计制造阶段开始，到安装竣工的资料、日常巡检登记表、维修记录和报告、第三方测试报告、技改资料、检修工作台账、定期工作记录、缺陷处理记录、故障台账等开展数据资料分析工作。

（3）延寿改造安全评估。参考现场检查和试验结果，综合评价分析机组的性能，严格判定各设备可延续使用的年限，从而对机组可延续运行的年限形成定论。虽然电厂对部分设备进行改造后，会延长机组运行寿命，但机组的可使用年限应当综合考虑所有设备以及电厂所在地自然环境的影响[8]。

5 案例分析

西津水电站位于广西壮族自治区境内，处于郁江干流的中游河段，距广西首府南宁市陆路110 km，水路167 km，下游距横县县城5 km。西津水电站现安装4 台轴流转桨式机组，总装机容量242.2 MW，随着广西“珠江-西江黄金水道”重点工程的建设，成为了一座以发电为主，同时兼顾航运、灌溉的水利枢纽工程。本次延寿评估的对象是1964 年投产发电的1 号发电机组，至今已运行超过50 年。

2019 年12 月，评估工作小组对1 号机组进行了延寿评估。通过查看历史检修数据，检查设备实际运行情况来评估是否具备继续运行的能力。从1995～2019 年，1 号机组共进行了大修5 次，小修17次， 2004 年，进行了1 次对水轮机、发电机和主变压器3 个重要设备的重大技术改造，近5 年运行情况良好（表1）。各设备评估如下：

（1）水轮机。机组部件维护情况较好，运行稳定，近5 年发电量较稳定，可以带满负荷稳定运行，各部位振动、摆度值在非振动区均在标准允许范围内。2004 年改造后性能优异，关键部件都进行了更换或改造，水轮机模型效率符合要求，耗水率较低。

（2）发电机。通过分析对比出厂数据、大修后试验数据和近5 年的发电机日常巡检资料，各部件运行稳定，各数据无明显变化，符合继续安全运行的条件。

表1 1 号机近5 年运行情况

（3）主变压器。按照目前的工况，国标要求主变压器使用寿命不少于20 年，目前1 号机主变压器已运行13 年，且运行稳定，检修维护正常，2015 年10月主变绝缘油进行糠醛测试的结果远小于老化参考值，未发现绝缘材料有明显老化现象，1 号机主变压器满足继续安全运行的条件，在保证每年的预防性试验合格及运行监测正常的情况下，可安全运行的寿命不少于7 年。

（4）重要金属设备。油罐、气罐、转子支架、转轮叶片、发电机大轴等部件是水电站重要的金属设备。目前1 号发电机组压力容器均在设计使用年限20年内，运行稳定，检修维护正常，均在检验有效期内，起重机械均在使用状态安全评估有效期至2022 年内，检修维护正常，均在定期检验有效期内，机组重要金属受监部件已消缺，运行稳定，检修维护正常，满足继续安全运行的条件。

（5）控制设备。调速系统、励磁系统和继电保护装置作为电子元器件组成的设备，个别模块损坏后更换简单，按照一般经验，使用期限为12 年左右，到期后电厂可在每年的例行检修期间进行更换，不影响整台机组的运行。

（6）厂房和大坝。经过大坝监管机构的定期检查，大坝工程级别、建筑物级别、防洪和抗震设计标准对照现行规范虽偏低，但符合标准要求且风险可控；大坝泄洪能力满足防洪安全要求；坝基稳定，渗流正常；大坝抗滑稳定和应力满足规范要求；大坝变形正常，扬压力不高，渗漏量很小；近坝库岸和工程边坡稳定。西津水电站大坝为正常坝。

经过现场查看水电站各设备的运行情况，运用公式（1）、公式（3），经综合打分后，我们得出西津水电站1 号机组各设备的健康状况，如表2 所示。

表2 1 号机组各设备健康综合指数

针对西津水电站1 号机组及其附属设备和大坝建筑物的评估，认为1 号机组具备安全运行条件。由于水电机组的安全稳定运行主要由水轮机、发电机、厂房和大坝决定，其余附属设备更换方便，不影响机组运行，因此以上述3 个主设备的得分来评估1 号机组的延寿年限是可行的。

1 号机组已在2006 年6 月完成了水轮机、发电机等设施的更新改造，按照设计及相关规程，1 号机组安全运行寿命不小于40 年，目前运行稳定，检修试验正常，结合评估模型中各设备的综合指数，评估小组评估1 号机组在正常工况下可继续运行至2046 年6 月。每年应对各设备和部件定期进行相应的试验和检测，确保设备安全稳定运行，在2046年6月前应再次对1号机组进行专项安全评估工作。

6 延寿评估的经济效益

水电是我国最主要的可再生清洁能源，是我国提高能源经济效率、优化能源供给结构、促进节能减排、防治环境污染的强大推动力。西津水电站为此做出了突出贡献，见表3。

表3 1 号发电机组近10 年发电量和经济及节能减排效益

2010～2019 年，西津水电站总发电量为3 114 GW·h，共实现税费1.288 9 亿元，节省标准煤98.09万t，减少二氧化碳排放244.44 万t，减少二氧化硫排放9.34 万t，减少氮氧化物排放4.67 万t。此外，通过2015～2019 年的数据可知，1 号发电机组的年均发电量在330 GW·h 左右，年均实现税费约1 607 万元，年均节省标准煤约10.3 万t，年均减少二氧化碳排放25.5 万t，年均减少二氧化硫排放1 万t，年均减少氮氧化物排放0.5 万t。

据此计算，完成延寿评估的2019～2046 年，西津水电站将减少二氧化碳排放约688.5 万t，减少二氧化硫排放27 万t，减少氮氧化物排放约13.5 万t，同时也将节省标准煤约278.1 万t。

对即将到达使用年限的水电站重新进行延寿评估，无疑将会延续水电对节能减排做出的重要贡献。这项工作降低了水电站的退出成本，保证了电力供应的充足，增加了水电站在整个生命周期的经济效益。同时，这项工作也将有利于整个流域的生态稳定。西津水电站1 号机组延寿评估的成功经验也将应用到其他3 台机组上。