水电数字孪生解决方案助力运营商应对挑战

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没有两座水力发电设施是完全相同的。它们的工作原理都类似，都是利用湍急的水流来推动涡轮机和发电机，从而产生电力。但它们在尺寸、使用年限或机械部件方面存在差异，这意味着没有一种解决方案可以解决出现的所有问题。
美国能源部太平洋西北国家实验室高级水电工程师内森·弗莱彻说：“水电设施就像雪花一样；即使是电厂内的单个涡轮机也是独一无二的，因为它们的建造方式和多年来的不同升级。”
弗莱彻继续说道，管理水电设施的所有维护工作既繁琐又复杂。由于需要监督的部件太多，他听到大坝运营商表示，他们希望有一种方法可以追踪大坝机械中的潜在问题，从而避免它们影响运营。
进入水电数字孪生：真实涡轮机的虚拟表示。
在听到大坝运营商一再抱怨后，来自多个领域的专家于 2023 年合作开发了一个名为“水电系统数字孪生”的平台，以减少停电并延长大坝的使用寿命。随着 2024 年 9 月发布的新更新，大坝运营商现在可以使用仪表板来调整可能降低涡轮机效率的因素，例如意外的电力需求或极端的水位变化。
大坝运营商可以定制他们的数字孪生，以反映每个设施的独特性；他们只需要上传其设施的数据，水电系统的数字孪生仪表板就会处理分析。
“每座大坝都需要独特的维护策略来提高效率，而新的数字孪生平台可以提供这些解决方案，”该项目的 PNNL 首席研究员 Chitra Sivaraman 表示。“该平台既可扩展又可扩展——能够适应新设施、新数据和新模型。”
数字孪生模型还解决了另一个挑战。
“全国大坝的平均使用年限约为 60 年，这意味着每座涡轮机都由多代员工负责。随着经验丰富的员工退休和新员工加入团队，知识不可避免地会流失，”PNNL 电气和自动化系统工程师、数字孪生项目技术负责人 Scott Warnick 说道。水电数字孪生可以记录和模拟大坝在随后几年发生的所有变化——传承知识并帮助后代做出决策。
水电现代化
沃尼克说：“数字孪生解决方案使水电运营商能够模拟不同的场景，例如低水流量或变化的水位，并预测未来的性能或维护需求。”
为了构建准确反映现实生活的数字孪生，该团队使用了位于华盛顿州西部尼斯夸利河上的阿尔德大坝水力发电机组的实时数据，该水坝由塔科马公共事业公司运营。
领导建模开发的是能源部橡树岭国家实验室项目首席研究员洪王。他和团队收集了数据，例如河流进入水力发电设施时的压力、涡轮机的旋转速度以及大坝在一段时间内产生的电量。
在数字孪生的原始版本中，大坝操作员只能观察正常或预期条件如何影响大坝的机械部件。在 2.0 版本中，操作员拥有了更多的控制权。他们可以根据天气、干旱或能源需求调整水位、流速和涡轮机速度。通过模拟正常条件和较高或较低的水流量，大坝操作员可以在潜在问题出现之前就发现它们。
沃尼克说：“运营和维护人员可以在数字孪生上进行试验，而不必冒险使用昂贵的设备，从而确保可以自信地做出决策。”
PNNL 和 ORNL 的研究人员正在执行一项多年期项目，旨在为水电运营商设计、开发、制作原型并演示数字孪生。图片来源：太平洋西北国家实验室
与可再生能源整合
更新后的数字孪生模型解决了另一个新兴需求。随着国家向可持续电网迈进并更多地利用风能和太阳能，水电系统必须具有适应性和响应能力，以支持稳定的电网。
西瓦拉曼说：“该平台能够延长全国大坝的使用寿命，同时将更多的可再生能源整合到电网中。”
例如，晚上人们下班回家后打开电视或使用洗碗机或洗衣机时，能源需求会增加。与此同时，太阳正在落山，因此太阳能发电量开始下降。更重要的是，有时没有风——在极热的日子里，这种情况尤其具有挑战性，因为那时需要电力来吹空调。在阳光或风力较小的时候，水电站运营商可以通过快速启动涡轮机来填补发电缺口。
但尽管可再生能源的利用十分方便，但“过度使用也会加速大坝部件的老化，”弗莱彻说道。“关键是在需要时产生足够的能源，同时又不让涡轮机本身负担过重。”
借助数字孪生解决方案，运营商可以模拟和查看现实世界的电力需求波动。如果模型显示运行涡轮机的条件最佳，运营商就可以放心继续运行，从而实现收益最大化。
王说：“数字孪生仪表板为水电系统的数字化铺平了道路，为运营商提供了一个关键工具来模拟和优化电网运行，从而提高太阳能和风能等可再生能源的渗透率。”
扩大影响范围
通过与 TPU 的持续合作，该团队深入了解了改进模型的方法。在帮助 TPU 更高效地运行的同时，仪表板的更新意味着它可以代表更广泛的涡轮机。
TPU 自动化工程经理 Greg Kenyon 表示：“PNNL 和 ORNL 团队拥有解决复杂数字孪生问题所需的数学和实践技能。
该团队还与华盛顿州中北部的奇兰县公共事业公司合作，收集和分析洛基里奇大坝多年的运行数据记录，以开发数字孪生。就像阿尔德大坝一样，奇兰县的水电数字孪生将使运营商能够审查性能监测和分析、执行预测性维护并优化能源生产——所有这些都是零成本的。
奇兰县公用事业公司高级机械工程师贾文波说：“数字孪生将有助于最大限度地降低实际运行中的风险，例如负荷甩出、超速测试以及机组启动或停止阶段的振动。”
该团队预计未来的项目将扩大数字孪生的应用。
“我们现在正在建设基础设施，重点是涡轮机和转子。但我们的目标是解决更广泛的问题，例如冷却器中的污泥等生物累积，以及如何使它们更加环保，这些都是许多公用事业公司目前普遍担心的问题，”弗莱彻说。
肯扬对水电系统的愿景是数据驱动的未来，其中数据分析和预测性维护算法推动资产管理。
他说：“这里不会发生意外停电和收入损失，而是由数据驱动的维护计划和设备更换决定的停电。”