基于可靠性分析的抽水蓄能電站優(yōu)化調(diào)度策略研究

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，長沙 410203；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100032；3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014)

0 前 言

作為目前經(jīng)濟、清潔的大規(guī)模儲能方式，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等多種功能，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要保障。抽水蓄能電站以調(diào)峰填谷為基本運行方式，日運行一般為“一抽兩發(fā)”的方式，有時會出現(xiàn)“兩抽三發(fā)”的頻繁運行方式，這對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電站機組設(shè)備的要求非常苛刻；同時，大型抽水蓄能電站由于單機容量較大，在運行過程中若出現(xiàn)故障跳機，會對系統(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)安排對抽水蓄能電站設(shè)備的維護及檢修，對于提高抽水蓄能電站可靠性，減少機組跳機次數(shù)，保障機組可靠穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)運行綜合效益具有重要意義。

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

1 抽水蓄能電站可靠性指標

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，其可靠性的指標和方法各不相同。DL/T 793.1-2017《發(fā)電設(shè)備可靠性評價規(guī)程》所規(guī)定的發(fā)電設(shè)備及主要輔助設(shè)備的評價指標共有27項,其統(tǒng)計及評價范圍適用于我國境內(nèi)的所有發(fā)電企業(yè)發(fā)電能力的可靠性評估。

在這些評價指標中，最為常用的可靠性指標為設(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為等效可用時間與統(tǒng)計時間的比值。對于一般設(shè)備而言，在設(shè)備保持同樣的運行方式長久運行時，設(shè)備的檢修率與時間關(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

在定性分析國內(nèi)數(shù)個抽水蓄能電站的運行數(shù)據(jù)后，得出了2個初步結(jié)論：① 國內(nèi)運行中的抽水蓄能電站的機組設(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)保持增長或平穩(wěn)趨勢；② 運行強度升高會使得設(shè)備的可靠性降低。

在分析了國內(nèi)數(shù)個抽水蓄能電站的可靠性數(shù)據(jù)后，結(jié)合實際情況，選擇使用機組的啟動失敗率r作為可靠性評價指標標準。選取黑麋峰電站和天荒坪電站的數(shù)據(jù)建立模型并進行對比，模型函數(shù)曲線以及散點圖如圖1所示。

圖1 模型函數(shù)對比圖

通過對上述2座電站進行建模分析后發(fā)現(xiàn)，2座電站具有相似的可靠性增長模式，機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，機組啟動的失敗率呈現(xiàn)出如圖1中曲線所示的下降趨勢，并在運行5 a后趨于平穩(wěn)并保持在較低水平。

對比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狀態(tài)，但是整體上天荒坪電站機組的啟動失敗率相對于同期的黑麋峰電站更高。造成這種差異性的因素有很多，其中就包括了運行方式、運行強度、設(shè)計水平、設(shè)備質(zhì)量及安裝水平等。對于這兩個電站而言，具有最大差別的因素是運行強度，天荒坪電站運行強度最高的年份中，單臺機組平均運行時間3 107 h，啟動次數(shù)772次；天荒坪電站運行強度最高年份的單臺機組平均運行時間為5 182 h，啟動次數(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)對比無疑可以成為電站運行強度的升高(啟停次數(shù)增多、運行時長增加)會使得機組可靠性下降的結(jié)論提供佐證。

3 機組運行狀態(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組啟停過程中各部件振動擺度曲線，通過統(tǒng)計曲線中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無論是在發(fā)電工況還是在抽水工況，機組在啟停過程中各部件振擺值達到峰值，尤其是水導(dǎo)在啟停過程達到穩(wěn)定運行時的8～10倍，頂蓋在啟停過程達到穩(wěn)定運行時的14～25倍。由此可見，機組在啟停過程中各部件承受了較穩(wěn)定運行時數(shù)倍的應(yīng)力，機組中頂蓋螺栓、各部件連接螺栓、密封件等部件面臨很大的挑戰(zhàn)。并且在重點分析抽水蓄能電站機組在發(fā)電工況下帶不同負荷時振動擺度情況時，發(fā)現(xiàn)抽水蓄能機組低負荷運行時各部件振動明顯加強，當機組負荷在180 MW以上時振擺合格，其中負荷在220～270 MW之間時，振擺情況良好，機組滿負荷運行時振擺略有小幅度上升。因此，機組頻繁啟停及低負荷發(fā)電勢必會對加快各部件的疲勞損傷，勢必會對機組的壽命造成影響，不利于電站的安全穩(wěn)定運行。

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

4 機組使用壽命分析

目前廠家進行機組使用壽命分析時，對于新建電站通常建立轉(zhuǎn)輪模型進行有限元分析得到。如某主機廠公司對某抽水蓄能電站轉(zhuǎn)輪進行疲勞計算，計算結(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2個不同部位，均是在水泵啟停-動態(tài)過程和水輪機啟停-動態(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)力幅值決定了機組啟停循環(huán)工況對疲勞損壞值的影響最大。

而對于已建電站的轉(zhuǎn)輪進行使用壽命分析時，通常采用轉(zhuǎn)輪裂紋擴展速率法現(xiàn)場實測作用力后，進行建模計算從而判斷機組使用壽命。由于作用在缺陷部位上的變應(yīng)力σ對疲勞裂紋擴展影響很大，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。研究表明，裂紋擴展速率即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，機組壽命加快減少；當應(yīng)力比持續(xù)增大導(dǎo)致疲勞裂紋擴展到材料固有的斷裂韌性值時，將發(fā)生脆性斷裂，機組壽命終止。

機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)力可以延長機組使用壽命。同時在正常工況下，機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)致機組使用壽命減少的速率將比常規(guī)電站快。

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

5 優(yōu)化調(diào)度策略

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

(1) 合理制定機組運行時長

為達到機組設(shè)計壽命提高電站整體可靠性，抽水蓄能電站機組年運行時長可參考黑麋峰和十三陵電站的年平均運行強度水平制定，考慮到黑麋峰電站投產(chǎn)前幾年機組運行強度較低，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年平均運行強度水平考慮，即2 000 h左右。同時，考慮到各區(qū)域電網(wǎng)需求不同及電站本身特性不同，單機年運行時長推薦在1 800～2 200 h范圍之間。

(2) 合理設(shè)置機組啟停次數(shù)

根據(jù)國內(nèi)抽水蓄能電站啟停次數(shù)統(tǒng)計，日啟停次數(shù)大致在2～5次范圍內(nèi)。同時，機組年運行時長推薦值為1 800～2 200 h之間。為使機組達到設(shè)計使用壽命，年啟停次數(shù)應(yīng)小于696次，如果按照全年最小運行天數(shù)為245 d(機組A修考慮4個月)，最大運行天數(shù)為365d，則日啟停次數(shù)合理范圍在2～3次范圍內(nèi)。

由于機組的啟停次數(shù)與電網(wǎng)日負荷曲線的特性相關(guān)，每個區(qū)域電網(wǎng)因電源類型、負荷類型不同，負荷曲線相差較大，因此機組的啟停次數(shù)不能一概而論。但電網(wǎng)調(diào)度可考慮通過適當延長單機運行時長，達到減少機組日啟停次數(shù)的目的。

(3) 盡量避免高振動區(qū)運行

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

6 結(jié) 語

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