水電站技術經濟論文

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1電力行業的智能化升級改造技術經濟效益顯著

電力行業無法置身信息技術革命浪潮之外，智能電網代表未來電力系統發展方向，是電力行業創新和發展的需要。為實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標，國家電網公司于2007年10月正式啟動了智能電網可行性研究項目，并于2010－01－12日，《關于加快推進堅強智能電網建設的意見》，確定了建設堅強智能電網的基本原則和總體目標，將智能電網的建設上升至國家戰略層面的高度，大力推進(圖1)。在國家電網公司的強力推動下，近年來我國電網在輸電、變電、配電、用電和調度等環節智能化升級改造發展迅速，并提出了全球互聯網概念，集成體系標準，向世界輸出。技術革新帶來了能源效率的提升，同時創造了大量需求，2015年利潤總額和利潤率等指標逆勢上揚，遠超德國意昂集團、意大利國家電力、法國電力等世界同行營業水平，2016年在《財富》世界500強排名中名列全球第二(表1)。在當前中國電能過剩、火電成本高的背景下，發電企業也在積極謀劃通過技術創新實現降本增效，國內發電集團開始推進發電環節智能化升級改造。2013年1月，華電集團投資建設了全國第一個全壽期三維數字化智能火電廠———萊州電廠一期工程。全壽期三維數字化電廠，就是通過三維設計，將電廠物理實體與數字模型完美結合，從設計到退役全生命周期均做到三維化、可視化和在線管控，一旦電廠部件老化或發生故障，系統可在第一時間通知操作員，防患于未然。為充分利用火電機組循環水的排放能量，萊州電廠通過技術攻關充，增加水力發電機組，循環水排水實現勢能發電。投資近2000萬元將循環水排水口改為水輪發電機房，安裝了2臺800kW小型水輪發電機，每年可多發電880萬kW•h。在科技的支撐下，萊州電廠各項指標均居世界領先水平，成為“高效、節能、清潔、環保”智能化火電廠示范項目，發電煤耗僅為268．5g/kW•h;熱效率達45．59%，供電廠用電率僅為4．98%，經濟指標居世界領先水平。在排放方面，電廠采用封閉煤場，實現“零污染、零損耗”;高效靜電除塵器效率達99．7%，脫硫效率達95%以上，采用干除灰、干除渣技術，灰、渣及脫硫石膏全部綜合利用;廠內污水和廢水經處理回用，實現污水“零排放”。通過試點項目積累的先進技術在其集團內部大力推廣應用，效益顯著［2］。華電集團在創新驅動戰略引領下成功轉型，堅持綠色、低碳發展道路，不斷優化電源結構。積極發展高參數、大容量煤電項目，以及水電和風光電，因地制宜建設燃氣發電機組，同時積極推進節能降耗工作。華電發展迅速，從表1中也可看出，2015年企業利潤和利潤率等經濟指標名列五大發電集團之首。我國已進入速度變化、結構調整、動力轉換的經濟發展新常態，作為國民經濟的支柱產業，電力產業必須按照提出的“四個革命、一個合作”能源戰略構想，以黨的十八屆五中全會審議通過的“十三五”規劃為引領，深入貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，主動適應和引領新常態，全面深化改革，實施創新驅動戰略，是新常態下我國經濟社會發展的主要動力來源。國家電網和華電集團借助技術創新成功踏上轉型之路，從局部創新到系統集成，為企業的發展帶來了顯著的變化，企業利潤率世界領先，成為電力企業標桿。水電行業是一次性投入大，后期運營成本低的優質資產，因自身經營狀況較好而缺乏革新的動力，需要行業領軍企業高瞻遠矚的開拓進取，積極推進傳統水電站的智能化升級改造。參考文獻［3］中，筆者以洛陽供電區某常規變電站的智能化改造工程為樣本進行技術經濟數據分析:智能化升級改造項目有著巨大的技術經濟優勢。智能化升級改造后，變電站的可靠性大大提高，維護工作量統計相比常規變電站減少90%，智能化組合設備設計要求為15年免維修，大大節約了人力成本，其經濟指標的優越性主要體現在節省人力，運行維護成本急劇降低、并使得設備故障率降低，減少全年事故、檢修停電時間，供電質量更加可靠優質，從而在可靠性效益以及社會效益方面體現出了更大的優勢。與普通110kV變電站相比，大幅提高了設備智能化水平和設備運行可靠性，實現無人值班和設備操作的自動化，提高資源使用和生產管理效率，使得運行更加經濟、節能和環保。按照設備全壽命周期15年計算，可節約成本1000余萬元。智能變電站是堅強智能電網建設中實現能源轉換和控制的核心平臺之一，是智能電網的重要組成部分，也是實現水能、風能等可再生能源接入電網的重要支撐。改造后的該110kV變電站，不論是外貌還是內在功能，較之前的數字化變電站有了質的飛躍:全站取消了95%以上的二次電纜和接線端子(減少二次電纜33km)，減少90%以上的設備組屏(由原來的38屏減少至3屏)，極大精簡二次回路;減少了近的40%電站占地面積(節約占地約1．93hm2)，縮減了70%的室內建筑面積，使變電站更加小型緊湊。據實際測算:該千伏變電站智能化改造較常規電站節約建設成本62%，二次系統全壽命周期內節約運行維護成本90%，二次系統節約總費用達68%［3］。

2智能化水電站特征構想

信息技術正加速向各個行業滲透，在其作用下人類社會將會在未來的二三十年演變成為一個智能社會，其廣度與深度難以想象。智能化水電站也必將成為水力發電企業現代化管理和技術的發展方向，其現有組織機構性質也將在技術的作用下發生深刻的改變。兩化融合為傳統水電站改造升級提供了一個良好的思路，彰顯信息化的重要性。智能電站的信息化特征主要包含2層含義:①生產過程監控和企業管理需要的所有必要信息均應無重復的得以采集和通過數字網絡共享。②采集和存儲的海量信息必須經過智能化數據挖掘技術，使信息濃縮并進行統計分析，為電廠管理提供決策［4］。信息化是智能化的基礎，構建新型一體化信息控制平臺，將電站信息系統與智能電網系統對接，實現系統一體化控制，將智能控制理論如模糊控制、神經網絡控制、專家控制系統、遺傳算法等智能控制方法廣泛應用于水電站自動控制，主動超前適應電網對負荷控制的要求，使機組能夠運行在最佳參數曲線附近，大大促進水電站設備設施運行調度與操作控制的智能自動化，從而達到安全、高效、節能、降耗的目的。在設備維護管理方面，數字化、信息化技術為設備的狀態監測和智能診斷提供基礎，持續提高發電廠設備可靠性。狀態監測是為了實現對設備狀態跟蹤而進行的采集、識別、分類和解譯的活動。通過連續監測反映設備狀態變化的預警參數，就可以獲得故障初期的信息。智能診斷包含狀態故障診斷和設備性能衰退趨勢預測兩部分內容。狀態故障診斷是一種分析設備安全和性能狀況的過程。它的主要目是探察隱患和早期故障，識別并定位故障根源。狀態故障診斷的主要任務是探察設備異常狀態、識別癥狀、分析癥狀信息和確定影響生產的故障原因。設備性能衰退趨勢預測通過預告與設備性能衰退相關的癥狀信息而實現有計劃的維修活動，即應該什么時候和在什么部位對設備進行維修。它也可以從多方面對維修決策提供良好的支持:①組織各種各樣的維修資源(如人工、材料、工具和信息指導);②決策維修活動的內容和頻度;③集成維修活動和生產過程。水電站智能化將深刻影響傳統水電站的組織管理模式，大大減少現場運行操作和維護人員，普及無人值班(少人值守)，原有的技術分工將發生深刻變化，專業之間交叉融合，界限不再清晰。

3打造智能化水電站三大突破口

3．1集成智能終端，讓設備可知和可控。提高設備可知性和可控性關鍵在于提高設備的智能化水平，可大量采用智能化設備或對傳統設備進行智能化改造，其原理基本是一次設備附加二次設備智能終端的模式。如技術先進且可靠性高的羅氏線圈和純光纖電子式等新型互感器開始大量應用，智能化GIS開關站斷路器或隔離開關采用與新型互感器組合安裝，傳統主變壓器集成新型互感器取消本體各側套管電流互感器，就實現了智能化升級。借助先進傳感器技術，實現設備在線監測功能，進一步對傳統設備進行智能化改造。通過科學研究，有步驟的選取關鍵設備安全運行的若干關鍵指標，結合實際對應開發在線監測技術解決方案。如在GIS組合開關及發電機出口斷路器上增加SF6氣體壓力監測、分合闡線圈電流波形測量、儲能電機電流監測、分合閘回路電阻及分合次數監測等功能;采用智能組件方式監測變壓器油中溶解氣體、含水量、壓力及其溫度。通過技術改造，即可以使關鍵設備具備在線檢測功能。總之，通過信息技術介入提高設備可知性和可控性，首先要實現設備狀態監測數字化，其次在數字化的基礎上進一步實現智能設備信息的采集、處理和反饋應最大限度的自動化，減少繁重的人工信息采集、處理和反饋的工作量。當前，先進傳感器技術、無線技術、網絡技術、小型化技術、嵌入式技術的進步迅速，提供了眾多智能終端解決方案可供選擇。3．2構建先進網絡，實現信息互聯共享。底層設備智能化的方法是配置智能終端，在此基礎上實現所有智能終端互聯和數據共享則是另外一層次的技術難題，它難在標準的建立。標準是基礎的和有價值的工具，可以使企業更好的吸收和采用新技術并進行創新，提升產業生態系統關鍵能力。智能化水電站的網絡架構標準可參考智能化變電站的標準，借鑒工業4．0和工業互聯網體系架構框架(ArchitectureFramework，AF)，首先要注重網絡的擴展性，方便接入各種智能終端，實現即插即用;其次要便。于設備互聯和信息共享，通過互聯實現人、設備系統和企業應用之間實現大量合作，提高生產力和可持續性;最后，要確保網絡系統的安全性和可靠性。3．3工業應用軟件，支撐并定義智能化兩化融合的難點是將蘊含在運營技術中的水力發電企業核心知識、經驗、方法等企業運營技術進行顯性化表達，將人的隱性知識轉化為機器語言，成為一種信息技術可執行的知識體系———應用軟件，軟件支撐并定義智能化。行業巨頭通用電氣(GE)堅定的認為APP才是工業的未來，2013年10月GE首次提出可以與IOS及安卓操作系統相提并論的Predix工業云平臺，建立面向工業應用的GEStore，旨在將各類數據按照統一的標準進行規范化梳理，支持各種分布式計算、大數據分析、資產管理、M2M通訊、移動性在平臺上擴展和疊加，工程師可以按照自己企業的需求靈活編寫程序和應用。宏偉的工業互聯網生態系統正在眼前生長，GE的科學家認為，在消費領域APP經濟已經創造超過3000億美元的市場價值，而工業領域的發展將遠遠超過這一數字［5］。大型水電站的設備設施種類繁多，各種設備重要性與優先級劃分，各種系統建模(如設備運行模型、智能診斷模型、預測決策模型)以及狀態變量、環境變量、控制變量、輸出變量的選擇等系列復雜問題都需要針對具體對象提煉出對應的運營技術知識體系，通過將運營技術知識體系模型化表達，在此基礎上開發和驅動應用軟件，集成互聯、響應、預測之智，大規模將知識從人向智能系統遷移，創造運營價值。

4結語

企業戰略是技術需求的導向，在轉型升級過程中進行創新實踐。水力發電企業引領智能化水電站升級改造的需求和市場，只有水力發電企業才有能力打造智能化水電站系統集成解決方案，優化技術經濟指標提升企業競爭力，同時開辟出智能化水電站升級改造技術咨詢服務的新業務，成為企業發展新動力。智能化水電站技術經濟效益明顯，亟待行業領軍企業引領推動，做好頂層設計，積極整合水電企業、政府組織、行業協會、科研單位、設計院所、咨詢機構、軟件開發、解決方案廠家等各方面力量，選擇試點項目，聯合推進科研攻關，通過科技創新推動企業轉型發展。水電領先企業應加快產業布局搶占先機，機不可失也責無旁貸。

參考文獻:

［1］王曦釗，劉勝軍，王德軍，等．智能電站框架研究與信息化工程實踐［J］．電信科學，2016，32(4):181－185

［2］王繼強．火電廠三維數字化系統在山東萊州電廠的應用［J］．上海電力學院學報，2014，30(5):443－446

［3］劉國輝．智能電站技術改造的技術經濟分析及案例研究［D］．北京:華北電力大學，2013

［4］陳世和，張曦．基于工業4．0的智能電站控制技術［J］．自動化博覽，2015(9):42－50

［5］楊濤．Predix:工業互聯網的階段性界碑［J］．中國工業評論，2015(10):76－8152

作者:黃福強 張輝 楊帆 張攀 趙本成 單位:溪洛渡水力發電廠