劉 平，潘 嶠，常玉紅，辛 楊，林文峰，楊 恒，姜宗波，吳 勝，鄧雙學(xué)

(1.黑麋峰抽水蓄能有限公司，長(zhǎng)沙 410203；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100032；3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

0 前 言

作為目前經(jīng)濟(jì)、清潔的大規(guī)模儲(chǔ)能方式，抽水蓄能電站啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。抽水蓄能電站以調(diào)峰填谷為基本運(yùn)行方式，日運(yùn)行一般為“一抽兩發(fā)”的方式，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“兩抽三發(fā)”的頻繁運(yùn)行方式，這對(duì)緩和電力供需矛盾取得了積極的效果。但是如此頻繁的啟停對(duì)電站機(jī)組設(shè)備的要求非?？量?；同時(shí)，大型抽水蓄能電站由于單機(jī)容量較大，在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)故障跳機(jī)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大的沖擊。隨著抽水蓄能的快速發(fā)展，各地區(qū)抽水蓄能電站數(shù)量的增加，優(yōu)化抽水蓄能電站調(diào)度策略，合理調(diào)度各抽水蓄能電站，科學(xué)安排對(duì)抽水蓄能電站設(shè)備的維護(hù)及檢修，對(duì)于提高抽水蓄能電站可靠性，減少機(jī)組跳機(jī)次數(shù)，保障機(jī)組可靠穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行綜合效益具有重要意義。

本文以國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司已運(yùn)營(yíng)抽水蓄能電站為研究對(duì)象，從運(yùn)行可靠性角度研究頻繁運(yùn)行對(duì)抽水蓄能電站設(shè)備可靠性的影響，分析抽水蓄能電站頻繁運(yùn)行對(duì)電站各主要設(shè)備的利弊，同時(shí)提出針對(duì)抽水蓄能機(jī)組高強(qiáng)度運(yùn)行情況下運(yùn)維及檢修措施建議，旨在協(xié)助各區(qū)域抽水蓄能電站制定更加合理的運(yùn)行方式和控制運(yùn)行強(qiáng)度，提高抽水蓄能電站全廠設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

1 抽水蓄能電站可靠性指標(biāo)

抽水蓄能電站中的主要設(shè)備為發(fā)電設(shè)備，這些設(shè)備大多數(shù)是可修復(fù)設(shè)備，根據(jù)其在發(fā)電系統(tǒng)中的地位、作用及功能不同，其可靠性的指標(biāo)和方法各不相同。DL/T 793.1-2017《發(fā)電設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)規(guī)程》所規(guī)定的發(fā)電設(shè)備及主要輔助設(shè)備的評(píng)價(jià)指標(biāo)共有27項(xiàng),其統(tǒng)計(jì)及評(píng)價(jià)范圍適用于我國(guó)境內(nèi)的所有發(fā)電企業(yè)發(fā)電能力的可靠性評(píng)估。

在這些評(píng)價(jià)指標(biāo)中，最為常用的可靠性指標(biāo)為設(shè)備的等效可用系數(shù)，常見于可靠性理論研究中的“檢修率ρ”即是等效可用系數(shù)的一種代數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，它們之間有如下關(guān)系：

(1)

式中：EAF為等效可用時(shí)間與統(tǒng)計(jì)時(shí)間的比值。對(duì)于一般設(shè)備而言，在設(shè)備保持同樣的運(yùn)行方式長(zhǎng)久運(yùn)行時(shí)，設(shè)備的檢修率與時(shí)間關(guān)系服從失效率曲線(“浴盆曲線”)。早期失效期內(nèi)，設(shè)備檢修率逐步降低；偶然失效期內(nèi)，設(shè)備檢修率保持在一個(gè)較低且平穩(wěn)的水平上；耗損失效區(qū)內(nèi)，設(shè)備檢修率逐步升高。

2 主要設(shè)備可靠性模型建立與分析

在定性分析國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)抽水蓄能電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，得出了2個(gè)初步結(jié)論：① 國(guó)內(nèi)運(yùn)行中的抽水蓄能電站的機(jī)組設(shè)備的可靠性絕大多數(shù)處于早期失效期和偶然失效期中，設(shè)備可靠性在近幾年內(nèi)保持增長(zhǎng)或平穩(wěn)趨勢(shì)；② 運(yùn)行強(qiáng)度升高會(huì)使得設(shè)備的可靠性降低。

在分析了國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)抽水蓄能電站的可靠性數(shù)據(jù)后，結(jié)合實(shí)際情況，選擇使用機(jī)組的啟動(dòng)失敗率r作為可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。選取黑麋峰電站和天荒坪電站的數(shù)據(jù)建立模型并進(jìn)行對(duì)比，模型函數(shù)曲線以及散點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 模型函數(shù)對(duì)比圖

通過對(duì)上述2座電站進(jìn)行建模分析后發(fā)現(xiàn)，2座電站具有相似的可靠性增長(zhǎng)模式，機(jī)組可靠性均處于失效性曲線的早期失效期和偶然失效期中，機(jī)組啟動(dòng)的失敗率呈現(xiàn)出如圖1中曲線所示的下降趨勢(shì)，并在運(yùn)行5 a后趨于平穩(wěn)并保持在較低水平。

對(duì)比2座電站的模型函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，雖然2座電站的可靠性均處于增長(zhǎng)狀態(tài)，但是整體上天荒坪電站機(jī)組的啟動(dòng)失敗率相對(duì)于同期的黑麋峰電站更高。造成這種差異性的因素有很多，其中就包括了運(yùn)行方式、運(yùn)行強(qiáng)度、設(shè)計(jì)水平、設(shè)備質(zhì)量及安裝水平等。對(duì)于這兩個(gè)電站而言，具有最大差別的因素是運(yùn)行強(qiáng)度，天荒坪電站運(yùn)行強(qiáng)度最高的年份中，單臺(tái)機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間3 107 h，啟動(dòng)次數(shù)772次；天荒坪電站運(yùn)行強(qiáng)度最高年份的單臺(tái)機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間為5 182 h，啟動(dòng)次數(shù)1 380次，分別為黑麋峰電站的1.67倍和1.79倍。這一數(shù)據(jù)對(duì)比無疑可以成為電站運(yùn)行強(qiáng)度的升高(啟停次數(shù)增多、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)增加)會(huì)使得機(jī)組可靠性下降的結(jié)論提供佐證。

3 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析

以黑麋峰為例，采集了抽水蓄能電站在發(fā)電工況及抽水工況下機(jī)組啟停過程中各部件振動(dòng)擺度曲線，通過統(tǒng)計(jì)曲線中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無論是在發(fā)電工況還是在抽水工況，機(jī)組在啟停過程中各部件振擺值達(dá)到峰值，尤其是水導(dǎo)在啟停過程達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的8～10倍，頂蓋在啟停過程達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的14～25倍。由此可見，機(jī)組在啟停過程中各部件承受了較穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)數(shù)倍的應(yīng)力，機(jī)組中頂蓋螺栓、各部件連接螺栓、密封件等部件面臨很大的挑戰(zhàn)。并且在重點(diǎn)分析抽水蓄能電站機(jī)組在發(fā)電工況下帶不同負(fù)荷時(shí)振動(dòng)擺度情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各部件振動(dòng)明顯加強(qiáng)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在180 MW以上時(shí)振擺合格，其中負(fù)荷在220～270 MW之間時(shí)，振擺情況良好，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振擺略有小幅度上升。因此，機(jī)組頻繁啟停及低負(fù)荷發(fā)電勢(shì)必會(huì)對(duì)加快各部件的疲勞損傷，勢(shì)必會(huì)對(duì)機(jī)組的壽命造成影響，不利于電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

無論是通過設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，還是通過相關(guān)理論計(jì)算，抽水蓄能電站機(jī)組頻繁啟停的特性將縮短電站設(shè)備的使用壽命，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成負(fù)面影響。

4 機(jī)組使用壽命分析

目前廠家進(jìn)行機(jī)組使用壽命分析時(shí)，對(duì)于新建電站通常建立轉(zhuǎn)輪模型進(jìn)行有限元分析得到。如某主機(jī)廠公司對(duì)某抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪進(jìn)行疲勞計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵區(qū)域總損壞系數(shù)圖

圖3 裂紋發(fā)展速率曲線圖

由圖2可以看出針對(duì)2個(gè)不同部位，均是在水泵啟停-動(dòng)態(tài)過程和水輪機(jī)啟停-動(dòng)態(tài)過程這2種啟停過程工況下，局部損傷值最大。因此，結(jié)果顯示高頻率的啟停次數(shù)以及相應(yīng)的高應(yīng)力幅值決定了機(jī)組啟停循環(huán)工況對(duì)疲勞損壞值的影響最大。

而對(duì)于已建電站的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行使用壽命分析時(shí)，通常采用轉(zhuǎn)輪裂紋擴(kuò)展速率法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作用力后，進(jìn)行建模計(jì)算從而判斷機(jī)組使用壽命。由于作用在缺陷部位上的變應(yīng)力σ對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展影響很大，所以在壽命診斷過程中確定作用在缺陷部位上的作用應(yīng)力是工作重點(diǎn)。研究表明，裂紋擴(kuò)展速率即dA/dN與應(yīng)力比△K(最大應(yīng)力/最小應(yīng)力)呈現(xiàn)的大致的關(guān)系如圖3所示。從圖上可知，當(dāng)應(yīng)力比小于某一臨界值，裂紋發(fā)展速率僅跟使用年限、材料本身特性等相關(guān)，發(fā)展速率較慢；當(dāng)應(yīng)力比大于某一值后，裂紋發(fā)展速率呈現(xiàn)正比遞增，機(jī)組壽命加快減少；當(dāng)應(yīng)力比持續(xù)增大導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展到材料固有的斷裂韌性值時(shí)，將發(fā)生脆性斷裂，機(jī)組壽命終止。

機(jī)組的使用壽命與作用應(yīng)力的大小有很大關(guān)系，通過降低作用應(yīng)力可以延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。同時(shí)在正常工況下，機(jī)組啟停過程中作用在轉(zhuǎn)輪上的應(yīng)力最大。因此，降低啟停次數(shù)可以有效的降低作用應(yīng)力。抽水蓄能電站機(jī)組較常規(guī)電站相比啟停次數(shù)明顯多，因作用應(yīng)力導(dǎo)致機(jī)組使用壽命減少的速率將比常規(guī)電站快。

知名機(jī)組制造廠家關(guān)于抽水蓄能機(jī)組使用壽命提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，即機(jī)組的使用壽命=機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)+機(jī)組啟停次數(shù)×10。黑麋峰、天荒坪、十三陵3座電站的年平均運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)在1 500～2 600 h之間，年平均啟停次數(shù)在404～657次之間。按照機(jī)組使用壽命經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，黑麋峰和十三陵在該運(yùn)行強(qiáng)度下機(jī)組壽命在40 a或40 a以上，天荒坪因其較高的運(yùn)行強(qiáng)度導(dǎo)致機(jī)組壽命為37 a。若3座電站持續(xù)在其歷史最高運(yùn)行強(qiáng)度下運(yùn)行，機(jī)組使用壽命只有26 ～30 a。因此，從機(jī)組使用壽命來看，黑麋峰及十三陵的平均運(yùn)行強(qiáng)度較為合理。

5 優(yōu)化調(diào)度策略

為提高抽水蓄能電站設(shè)備運(yùn)行的可靠性和電站安全性，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行，抽水蓄能電站的調(diào)度運(yùn)行應(yīng)在充分滿足電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)度需求下進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)此可以提出3個(gè)方面的建議：

(1) 合理制定機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

為達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)壽命提高電站整體可靠性，抽水蓄能電站機(jī)組年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可參考黑麋峰和十三陵電站的年平均運(yùn)行強(qiáng)度水平制定，考慮到黑麋峰電站投產(chǎn)前幾年機(jī)組運(yùn)行強(qiáng)度較低，沒有很好的發(fā)揮抽水蓄能電站的綜合效益，所以可按十三陵電站的單機(jī)年平均運(yùn)行強(qiáng)度水平考慮，即2 000 h左右。同時(shí)，考慮到各區(qū)域電網(wǎng)需求不同及電站本身特性不同，單機(jī)年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)推薦在1 800～2 200 h范圍之間。

(2) 合理設(shè)置機(jī)組啟停次數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站啟停次數(shù)統(tǒng)計(jì)，日啟停次數(shù)大致在2～5次范圍內(nèi)。同時(shí)，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)推薦值為1 800～2 200 h之間。為使機(jī)組達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，年啟停次數(shù)應(yīng)小于696次，如果按照全年最小運(yùn)行天數(shù)為245 d(機(jī)組A修考慮4個(gè)月)，最大運(yùn)行天數(shù)為365d，則日啟停次數(shù)合理范圍在2～3次范圍內(nèi)。

由于機(jī)組的啟停次數(shù)與電網(wǎng)日負(fù)荷曲線的特性相關(guān)，每個(gè)區(qū)域電網(wǎng)因電源類型、負(fù)荷類型不同，負(fù)荷曲線相差較大，因此機(jī)組的啟停次數(shù)不能一概而論。但電網(wǎng)調(diào)度可考慮通過適當(dāng)延長(zhǎng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到減少機(jī)組日啟停次數(shù)的目的。

(3) 盡量避免高振動(dòng)區(qū)運(yùn)行

對(duì)于水泵水輪機(jī)，應(yīng)盡量避免運(yùn)行在高振動(dòng)區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。抽水蓄能機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)擺度均較為劇烈，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)對(duì)機(jī)組的壽命造成影響，電站運(yùn)行應(yīng)最大限度減少在低負(fù)荷工況下運(yùn)行。因此，建議抽水蓄能電站旋轉(zhuǎn)備用不宜留有較多的裕量，機(jī)組應(yīng)運(yùn)行在較高負(fù)荷水平，從國(guó)內(nèi)電站的運(yùn)行情況來看，建議電網(wǎng)調(diào)度不宜低于70%的單機(jī)容量，最優(yōu)運(yùn)行于80%以上單機(jī)容量。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組可靠性建模分析和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析后，論證了機(jī)組運(yùn)行強(qiáng)度與機(jī)組設(shè)備可靠性之間的關(guān)系，結(jié)合機(jī)組使用壽命分析與各大抽水蓄能電站的實(shí)際運(yùn)行情況，從合理制定機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、合理設(shè)置機(jī)組啟停次數(shù)、盡量避免高振區(qū)運(yùn)行3個(gè)方面提出了優(yōu)化調(diào)度策略。