Автономные дроны, водные роботы и цифровые инспекционные системы переходят от пилотных проектов к оперативному управлению водохранилищами и плотинами, при этом энергетические компании и исследовательские учреждения нацелены на снижение затрат на инспекцию, повышение безопасности и более непрерывный мониторинг окружающей среды
Операторы гидроэлектростанций в последнее время испытывают вызовы, связанные с продлением срока службы оборудования, улучшения экологических показателей и управления более динамичными режимами эксплуатации. Во всем секторе робототехника и автономные системы начинают решать эти проблемы способами, которые не могут решить обычные подходы к инспектированию и мониторингу.
Недавние проекты в США и Швеции показывают, что энергокомпании, национальные лаборатории и поставщики технологий переходят от отдельных демонстрационных проектов к практическому внедрению дронов, роботизированных инструментов для инспекции и автономных систем мониторинга окружающей среды. Акцент делается не столько на замене основной гидроэнергетической инфраструктуры, сколько на совершенствовании методов мониторинга, обслуживания и лицензирования объектов.
Разрабатываемые технологии призваны решить несколько постоянных проблем, связанных с эксплуатацией: затрудненный доступ к водотокам и дамбам, необходимость более частого мониторинга состояния и растущая сложность соблюдения экологических норм.
Экологический мониторинг
Одним из наиболее продвинутых примеров является робот eDNA-bot, разрабатываемый Окриджской национальной лабораторией (ORNL), Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) и компанией Smith-Root, Inc., производящей оборудование для биологических исследований.
Мониторинг ДНК в окружающей среде уже стал важным инструментом для обнаружения водных организмов, но существующие методы по-прежнему в значительной степени зависят от ручного сбора образцов и лабораторной обработки.
Эта технология имеет непосредственное отношение к операторам гидроэлектростанций, поскольку биологический мониторинг является частью процессов лицензирования, пересмотра условий лицензирования и соблюдения экологических норм во многих юрисдикциях. Традиционные методы изучения рыб и других видов, основанные на использовании сетей и ловушек, остаются трудоемкими, дорогостоящими и нерегулярными. По словам руководителя проекта в Окриджской национальной лаборатории Кристин Муди, роботизированный подход может кардинально изменить частоту мониторинга и доступность участков. «Это позволит нам проводить непрерывный и ненавязчивый отбор проб в течение длительного времени, — сказал Муди. — Бот также даст нам доступ к местам, которые слишком удалены или опасны для людей».
В 2020 году лаборатории начали изучать возможности применения технологии анализа ДНК в гидроэнергетике, уделяя особое внимание водохранилищам и водным путям, связанным с генерирующими объектами. Исследователи выявили ряд проблем, характерных для гидроэнергетических систем, в том числе нестабильность потоков, движение осадочных пород и высокую вариативность гидравлических условий, которые затрудняют стандартизацию образцов.
Тестирование на нескольких водохранилищах гидроэлектростанций, в том числе на объектах, находящихся в ведении Администрации долины Теннесси, показало, что метод выделения ДНК позволяет идентифицировать неуловимые виды, которые не обнаруживаются при использовании традиционных методов исследования, а также подтверждать существование известных популяций. В текущих прототипах используются как готовые, так и специально разработанные компоненты, но сейчас команды разработчиков сосредоточились на миниатюризации и внедрении в полевых условиях. По словам Муди, цель состоит в том, чтобы создать устройство с питанием от аккумулятора весом менее 45 кг, которое смогут переносить два человека.
Этот проект иллюстрирует более масштабный сдвиг в мониторинге окружающей среды в гидроэнергетике в сторону постоянного наблюдения, а не периодических полевых исследований. Вместо краткосрочных биологических наблюдений операторы могут в конечном итоге получать практически непрерывные наборы данных, охватывающие сезонные и эксплуатационные изменения.
Исследователи работают над тем, чтобы адаптировать систему к агрессивным средам с солёной водой перед морскими испытаниями в исследовательском центре Sequim Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в штате Вашингтон.
Инспекционная робототехника
В то время как подводная робототехника все еще находится на стадии разработки, программы инспекции с помощью дронов уже становятся масштабными. Управление электроэнергетики Нью-Йорка (New York Power Authority, NYPA) недавно получило разрешение Федерального управления гражданской авиации, позволяющее одному пилоту управлять до четырех дронов одновременно при полетах за пределами прямой видимости.
Компании уже много лет используют дроны для визуальных проверок, но большинство программ по-прежнему ограничены требованиями прямой видимости и моделью управления «один дрон на одного пилота». В этом же примере компания использует дроны для обследования 1550 миль линий электропередачи, объектов электроэнергетики и инфраструктуры системы каналов. Среди задач — составление карт эрозии водосбросов, уход за растительностью и мониторинг состояния объектов. По словам руководителя программы робототехники NYPA Питера Калайцидиса, структура «четыре к одному» призвана стандартизировать методы обследования на всей территории обслуживания компании.
«Проведение стандартизированных операций с участием четырех дронов и одного пилота на наших объектах позволит обеспечить более единообразный процесс проверки наших энергетических активов», — сказал Калайцидис. Программа в значительной степени опирается на автономные полеты. Дроны следуют по заранее заданным маршрутам и схемам облета с минимальным вмешательством оператора, что позволяет проводить операции в ночное время или в условиях неблагоприятных погодных явлений. Такая гибкость в конечном итоге может оказаться важнее экономии трудовых ресурсов. Автономные системы могут собирать тепловые и визуальные данные в условиях, которые сложны или небезопасны для людей, в том числе во время ледяных штормов и при экстремально низких температурах.
Программа также демонстрирует, как использование дронов в энергетическом секторе переходит от экспериментального применения к долгосрочному планированию капиталовложений. NYPA планирует инвестировать более 37 миллионов долларов США в свою программу использования дронов до 2028 года и уже имеет 146 сертифицированных пилотов дронов.
Системы инспекции с использованием нескольких дронов могут существенно изменить подход к планированию и расстановке приоритетов при проведении инспекций плотин и гидроэлектростанций. Вместо периодических ручных проверок компании могут все чаще прибегать к постоянному или частому автономному мониторингу.
Ориентация на производственные реалии
В Центре исследований и разработок в области гидроэнергетики компании Vattenfall в Эльвкарлебю, Швеция, разработка робототехники интегрируется в более широкую программу, направленную на расширение и адаптацию традиционных гидроэнергетических технологий. В отличие от некоторых исследовательских программ, ориентированных в основном на цифровизацию, центр в Эльвкарлебю сосредоточен на решении практических производственных задач, с которыми сталкиваются действующие гидроэлектростанции. Дроны и роботизированные системы тестируются наряду с работой над бетонными материалами, системами смазки, мониторингом плотин и износом генераторов.
Менеджер по исследованиям Матс Биллштейн охарактеризовал деятельность центра как эволюционную, а не трансформационную. «Я не вижу каких-либо революционных технологических достижений в гидроэнергетике. Во многом речь идет об улучшении и обновлении того, что так хорошо работало на протяжении долгого времени, а также о поиске решений для того, что можно было бы сделать лучше», — сказал Биллштейн.
Такой подход отражает реалии, с которыми сталкиваются многие операторы ГЭС. Большая часть будущих инвестиций будет направлена на продление срока службы, повышение эксплуатационной гибкости и оптимизацию производительности, а не на разработку совершенно новых концепций гидроэнергетики.
Центр в Эльвкарлебю сочетает лабораторные испытания с крупномасштабными физическими моделями, воспроизводящими реальные условия эксплуатации. Эти модели позволяют исследователям проверять методы контроля и вносить изменения в работу оборудования до их внедрения в полевых условиях.
«Здесь у нас есть возможность проводить крупномасштабные эксперименты. Размеры моделей позволяют получать результаты, очень близкие к реальным», — говорит Бильштейн.
В центре тестируют роботов-собак и дроны для проведения инспекций в труднодоступных или опасных зонах вокруг гидроэлектростанций. Предлагаемые области применения включают в себя внутренний осмотр турбин и гидротехнических сооружений.
Важно отметить, что работа с робототехникой напрямую связана с более масштабными изменениями в работе европейских гидроэлектростанций. По мере того, как в энергосистемы поступает все больше ветровой и солнечной энергии, от гидроэлектростанций требуется быстро наращивать выработку и чаще переходить в режим пониженной нагрузки. Эти изменения приводят к новому характеру износа турбин, генераторов и механических систем, изначально рассчитанных на более стабильную работу.
Исследователи Vattenfall проводят многократные испытания моделей генераторов в режиме старт-стоп, чтобы лучше понять возникающие механические напряжения. «В будущем нам придется гораздо чаще запускать и останавливать оборудование, что приведет к его большему износу. Нам нужно понять, как происходит этот износ и что на него влияет», — сказал Биллштейн.
В этом контексте робототехника и автономный мониторинг становятся инструментами для управления производственными отклонениями, а не отдельными технологиями. Более динамичные рабочие процессы требуют более тщательного контроля, более быстрой оценки состояния и улучшенных возможностей профилактического обслуживания.
Исследовательский центр также изучает методы неразрушающего геофизического мониторинга насыпных плотин. Один из недавних проектов включал в себя строительство полномасштабной тестовой плотины с намеренно заложенными дефектами для оценки различных подходов к мониторингу в условиях слепого тестирования. Подобные проверочные работы могут стать все более важными по мере того, как операторы будут пытаться интегрировать автоматизированные системы контроля в управление критически важной инфраструктурой.
Источник информации: https://www.waterpowermagazine.com/analysis/robotics-reshape-hydropower-operations/