基于可靠性分析的抽水蓄能电站优化调度策略研究

2021-11-29常玉红林文峰姜宗波邓双学

西北水电 2021年5期

刘平，潘峤，常玉红，辛杨，林文峰，杨恒，姜宗波，吴胜，邓双学

(1.黑麋峰抽水蓄能有限公司，长沙 410203；2.国网新源控股有限公司，北京 100032；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

0 前言

作为目前经济、清洁的大规模储能方式，抽水蓄能电站启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要保障。抽水蓄能电站以调峰填谷为基本运行方式，日运行一般为“一抽两发”的方式，有时会出现“两抽三发”的频繁运行方式，这对缓和电力供需矛盾取得了积极的效果。但是如此频繁的启停对电站机组设备的要求非常苛刻；同时，大型抽水蓄能电站由于单机容量较大，在运行过程中若出现故障跳机，会对系统造成较大的冲击。随着抽水蓄能的快速发展，各地区抽水蓄能电站数量的增加，优化抽水蓄能电站调度策略，合理调度各抽水蓄能电站，科学安排对抽水蓄能电站设备的维护及检修，对于提高抽水蓄能电站可靠性，减少机组跳机次数，保障机组可靠稳定运行，提高系统运行综合效益具有重要意义。

本文以国网新源控股有限公司已运营抽水蓄能电站为研究对象，从运行可靠性角度研究频繁运行对抽水蓄能电站设备可靠性的影响，分析抽水蓄能电站频繁运行对电站各主要设备的利弊，同时提出针对抽水蓄能机组高强度运行情况下运维及检修措施建议，旨在协助各区域抽水蓄能电站制定更加合理的运行方式和控制运行强度，提高抽水蓄能电站全厂设备运行的可靠性。

1 抽水蓄能电站可靠性指标

抽水蓄能电站中的主要设备为发电设备，这些设备大多数是可修复设备，根据其在发电系统中的地位、作用及功能不同，其可靠性的指标和方法各不相同。DL/T 793.1-2017《发电设备可靠性评价规程》所规定的发电设备及主要辅助设备的评价指标共有27项,其统计及评价范围适用于我国境内的所有发电企业发电能力的可靠性评估。

在这些评价指标中，最为常用的可靠性指标为设备的等效可用系数，常见于可靠性理论研究中的“检修率ρ”即是等效可用系数的一种代数转换后的结果，它们之间有如下关系：

(1)

式中：EAF为等效可用时间与统计时间的比值。对于一般设备而言，在设备保持同样的运行方式长久运行时，设备的检修率与时间关系服从失效率曲线(“浴盆曲线”)。早期失效期内，设备检修率逐步降低；偶然失效期内，设备检修率保持在一个较低且平稳的水平上；耗损失效区内，设备检修率逐步升高。

2 主要设备可靠性模型建立与分析

在定性分析国内数个抽水蓄能电站的运行数据后，得出了2个初步结论：① 国内运行中的抽水蓄能电站的机组设备的可靠性绝大多数处于早期失效期和偶然失效期中，设备可靠性在近几年内保持增长或平稳趋势；② 运行强度升高会使得设备的可靠性降低。

在分析了国内数个抽水蓄能电站的可靠性数据后，结合实际情况，选择使用机组的启动失败率r作为可靠性评价指标标准。选取黑麋峰电站和天荒坪电站的数据建立模型并进行对比，模型函数曲线以及散点图如图1所示。

图1 模型函数对比图

通过对上述2座电站进行建模分析后发现，2座电站具有相似的可靠性增长模式，机组可靠性均处于失效性曲线的早期失效期和偶然失效期中，机组启动的失败率呈现出如图1中曲线所示的下降趋势，并在运行5 a后趋于平稳并保持在较低水平。

对比2座电站的模型函数可以发现，虽然2座电站的可靠性均处于增长状态，但是整体上天荒坪电站机组的启动失败率相对于同期的黑麋峰电站更高。造成这种差异性的因素有很多，其中就包括了运行方式、运行强度、设计水平、设备质量及安装水平等。对于这两个电站而言，具有最大差别的因素是运行强度，天荒坪电站运行强度最高的年份中，单台机组平均运行时间3 107 h，启动次数772次；天荒坪电站运行强度最高年份的单台机组平均运行时间为5 182 h，启动次数1 380次，分别为黑麋峰电站的1.67倍和1.79倍。这一数据对比无疑可以成为电站运行强度的升高(启停次数增多、运行时长增加)会使得机组可靠性下降的结论提供佐证。

3 机组运行状态分析

以黑麋峰为例，采集了抽水蓄能电站在发电工况及抽水工况下机组启停过程中各部件振动摆度曲线，通过统计曲线中数据发现，无论是在发电工况还是在抽水工况，机组在启停过程中各部件振摆值达到峰值，尤其是水导在启停过程达到稳定运行时的8～10倍，顶盖在启停过程达到稳定运行时的14～25倍。由此可见，机组在启停过程中各部件承受了较稳定运行时数倍的应力，机组中顶盖螺栓、各部件连接螺栓、密封件等部件面临很大的挑战。并且在重点分析抽水蓄能电站机组在发电工况下带不同负荷时振动摆度情况时，发现抽水蓄能机组低负荷运行时各部件振动明显加强，当机组负荷在180 MW以上时振摆合格，其中负荷在220～270 MW之间时，振摆情况良好，机组满负荷运行时振摆略有小幅度上升。因此，机组频繁启停及低负荷发电势必会对加快各部件的疲劳损伤，势必会对机组的寿命造成影响，不利于电站的安全稳定运行。

无论是通过设备实际运行情况统计，还是通过相关理论计算，抽水蓄能电站机组频繁启停的特性将缩短电站设备的使用寿命，对电站的安全稳定运行造成负面影响。

4 机组使用寿命分析

目前厂家进行机组使用寿命分析时，对于新建电站通常建立转轮模型进行有限元分析得到。如某主机厂公司对某抽水蓄能电站转轮进行疲劳计算，计算结果如图2所示。

图2 转轮关键区域总损坏系数图

图3 裂纹发展速率曲线图

由图2可以看出针对2个不同部位，均是在水泵启停-动态过程和水轮机启停-动态过程这2种启停过程工况下，局部损伤值最大。因此，结果显示高频率的启停次数以及相应的高应力幅值决定了机组启停循环工况对疲劳损坏值的影响最大。

而对于已建电站的转轮进行使用寿命分析时，通常采用转轮裂纹扩展速率法现场实测作用力后，进行建模计算从而判断机组使用寿命。由于作用在缺陷部位上的变应力σ对疲劳裂纹扩展影响很大，所以在寿命诊断过程中确定作用在缺陷部位上的作用应力是工作重点。研究表明，裂纹扩展速率即dA/dN与应力比△K(最大应力/最小应力)呈现的大致的关系如图3所示。从图上可知，当应力比小于某一临界值，裂纹发展速率仅跟使用年限、材料本身特性等相关，发展速率较慢；当应力比大于某一值后，裂纹发展速率呈现正比递增，机组寿命加快减少；当应力比持续增大导致疲劳裂纹扩展到材料固有的断裂韧性值时，将发生脆性断裂，机组寿命终止。

机组的使用寿命与作用应力的大小有很大关系，通过降低作用应力可以延长机组使用寿命。同时在正常工况下，机组启停过程中作用在转轮上的应力最大。因此，降低启停次数可以有效的降低作用应力。抽水蓄能电站机组较常规电站相比启停次数明显多，因作用应力导致机组使用寿命减少的速率将比常规电站快。

知名机组制造厂家关于抽水蓄能机组使用寿命提出一个经验公式，即机组的使用寿命=机组运行时长+机组启停次数×10。黑麋峰、天荒坪、十三陵3座电站的年平均运行时长在1 500～2 600 h之间，年平均启停次数在404～657次之间。按照机组使用寿命经验公式计算，黑麋峰和十三陵在该运行强度下机组寿命在40 a或40 a以上，天荒坪因其较高的运行强度导致机组寿命为37 a。若3座电站持续在其历史最高运行强度下运行，机组使用寿命只有26 ～30 a。因此，从机组使用寿命来看，黑麋峰及十三陵的平均运行强度较为合理。

5 优化调度策略

为提高抽水蓄能电站设备运行的可靠性和电站安全性，确保电网的安全运行，抽水蓄能电站的调度运行应在充分满足电网现有调度需求下进行优化，对此可以提出3个方面的建议：

(1) 合理制定机组运行时长

为达到机组设计寿命提高电站整体可靠性，抽水蓄能电站机组年运行时长可参考黑麋峰和十三陵电站的年平均运行强度水平制定，考虑到黑麋峰电站投产前几年机组运行强度较低，没有很好的发挥抽水蓄能电站的综合效益，所以可按十三陵电站的单机年平均运行强度水平考虑，即2 000 h左右。同时，考虑到各区域电网需求不同及电站本身特性不同，单机年运行时长推荐在1 800～2 200 h范围之间。

(2) 合理设置机组启停次数

根据国内抽水蓄能电站启停次数统计，日启停次数大致在2～5次范围内。同时，机组年运行时长推荐值为1 800～2 200 h之间。为使机组达到设计使用寿命，年启停次数应小于696次，如果按照全年最小运行天数为245 d(机组A修考虑4个月)，最大运行天数为365d，则日启停次数合理范围在2～3次范围内。

由于机组的启停次数与电网日负荷曲线的特性相关，每个区域电网因电源类型、负荷类型不同，负荷曲线相差较大，因此机组的启停次数不能一概而论。但电网调度可考虑通过适当延长单机运行时长，达到减少机组日启停次数的目的。

(3) 尽量避免高振动区运行

对于水泵水轮机，应尽量避免运行在高振动区和不稳定区。抽水蓄能机组在低负荷运行时振动摆度均较为剧烈，不利于机组的安全稳定运行，势必会对机组的寿命造成影响，电站运行应最大限度减少在低负荷工况下运行。因此，建议抽水蓄能电站旋转备用不宜留有较多的裕量，机组应运行在较高负荷水平，从国内电站的运行情况来看，建议电网调度不宜低于70%的单机容量，最优运行于80%以上单机容量。