中國儲能網(wǎng)訊：抽水蓄能安全可靠問題一直以來受到行業(yè)的關(guān)注；尤其是使用壽命已較長的老舊機(jī)組，相關(guān)問題更為突出。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出以及抽水蓄能的蓬勃發(fā)展趨勢，高比例新能源消納背景下的抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行安全可靠性的理論和技術(shù)研發(fā)更應(yīng)被給予特別重視。
PART 01 巴爾吉電站概況及爆炸事故簡介
據(jù)央視網(wǎng)、意大利信使報(bào)（Il Messaggero）、美國聯(lián)合通訊社（AP）等媒體報(bào)道[1-4]，2024年4月9日當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午3點(diǎn)，意大利博洛尼亞省（Bologna）鄰近區(qū)域的巴爾吉（Bargi）抽水蓄能電站機(jī)組在升級改造的過程中發(fā)生了嚴(yán)重的爆炸事故，造成慘重人員傷亡；截止4月12日，已有7人不幸喪生，5人受傷，具體事故原因尚待官方確認(rèn)。此次事故在社會上引起了廣泛關(guān)注，同時(shí)也引發(fā)了意大利國內(nèi)的罷工浪潮[5]。在為遇難者致以深切哀悼與誠摯祈禱的同時(shí)，此次事故再次凸顯了水電安全生產(chǎn)的重要性，須深刻汲取教訓(xùn)，防患于未然。
筆者基于相關(guān)國內(nèi)外媒體報(bào)道對巴爾吉抽水蓄能電站爆炸的事故進(jìn)展進(jìn)行了梳理，同時(shí)對事故背后的科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了初步思考，希望能夠引起社會對抽水蓄能電站安全可靠運(yùn)行的關(guān)注，盡量避免未來行業(yè)內(nèi)發(fā)生類似重大事故。
一、工程概況[6]
巴爾吉抽水蓄能電站隸屬意大利國家電力公司（ENEL），建成于1975年，共安裝有兩臺165MW抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)330MW，是艾米利亞-羅馬涅地區(qū)（Emilia-Romagna）規(guī)模最大的水電站。電站坐落于博洛尼亞省高阿彭尼爾山脈（Bolognese Apennines）的卡姆加諾市（Camugnano），布拉西莫內(nèi)（Brasimone）水庫和蘇維亞納（Suviana）水庫分別作為上、下庫，該電站在ENEL的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)、運(yùn)行與管理中扮演著重要角色。其廠房距Suviana水庫大壩約2公里，高54米，約3/4部分深藏水下，地下結(jié)構(gòu)共10層，并通過直徑約4米的引水管道與Brasimone水庫相連。
巴爾吉抽水蓄能電站的具體參數(shù)如下[6]：
據(jù)調(diào)研，意大利早于20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始發(fā)展抽水蓄能，從1963～1985年抽水蓄能裝機(jī)由700MW猛增到6000MW，增長了8.6倍，以調(diào)節(jié)容量為主的抽水蓄能電站的大量投入，使電網(wǎng)提高了調(diào)節(jié)的靈活性，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益[8]。截止2022年，意大利抽水蓄能裝機(jī)容量為7.9GW，居于世界第四、歐洲第一，僅次于中國、日本、和美國[9,10]。
巴爾吉電站的運(yùn)營公司Enel（原名 "Ente Nazionale per l'Energia Elettrica"，意大利國家電力局）成立于1962年。目前，Enel 是一家業(yè)務(wù)遍及全球約 30 個(gè)國家的跨國公司，2023年全球新能源企業(yè)500強(qiáng)中Enel位列第17[11]，財(cái)富世界500強(qiáng)中位列第59[12]。Enel是歐洲在抽水蓄能水電領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)最豐富的公司之一，早于2014年就已在意大利、斯洛伐克和西班牙擁有28座電站，總裝機(jī)容量達(dá) 9598 MW，其中包括意大利的四座大型電站，每座電站的裝機(jī)容量都超過了1 GW[13]。
由此可見，意大利及該國能源企業(yè)在抽水蓄能領(lǐng)域具有深厚的研究基礎(chǔ)和強(qiáng)勁的技術(shù)實(shí)力，此次安全事故的發(fā)生可謂是一個(gè)強(qiáng)烈的警醒。
二、事故簡介[2, 5, 14]
本次爆炸事故發(fā)生在地下約35米深處的水泵水輪機(jī)安裝層（地下八層），疑似抽水蓄能機(jī)組發(fā)生爆炸，見圖7。爆炸導(dǎo)致地下七層結(jié)構(gòu)坍塌，廠房內(nèi)部及一變壓器處燃起大火，同時(shí)電站冷卻管道破裂，水位不斷上升，最終淹沒最底端部分廠房。救援工作異常艱巨，僅能依靠潛水員進(jìn)行搜救。值得慶幸的是，事發(fā)時(shí)電站并未正式運(yùn)行，電力供應(yīng)以及Suviana水庫及其大壩均未受影響。
事發(fā)時(shí)，巴爾吉電站正進(jìn)行機(jī)組升級改造工程，該工程由ENEL在2022年底委托西門子（Siemens）、ABB和福伊特（Voith）三家電氣及水電領(lǐng)域頂尖公司負(fù)責(zé)。事故發(fā)生時(shí)，工程已接近尾聲，第一組機(jī)組測試完成，第二組機(jī)組測試正在進(jìn)行中，但不幸最終功虧一簣，福伊特公司一名技術(shù)人員也在本次事故中遇難。
PART 02 此次電站爆炸事故的可能原因
此次巴爾吉抽水蓄能電站事故的復(fù)雜性主要源于：歷史上抽水蓄能電站類似大型事故案例較為稀缺，以及電站事故成因的繁雜多樣。針對此次事故的誘因，雖需深入調(diào)查方能得出確鑿結(jié)論，但基于已披露信息與意大利相關(guān)專家的初步分析[2, 5, 14, 15]，本文初步翻譯與整理出了以下幾點(diǎn)、僅供參考（僅初步分析，具體原因尚待官方專業(yè)調(diào)查確認(rèn)）。
2.1 水輪機(jī)故障可能導(dǎo)致設(shè)備爆炸
據(jù)Enel公司官方聲明信息推斷，爆炸有可能與水輪機(jī)工況調(diào)試中產(chǎn)生的機(jī)組設(shè)備（原文為“turbine defect”）等導(dǎo)致的設(shè)備故障相關(guān)。為了提高電站的運(yùn)行效率，事故發(fā)生時(shí)期機(jī)組正處于升級改造的階段。據(jù)悉，從電站中逃生的工作人員于事故前在現(xiàn)場聽聞異常噪聲，疑為機(jī)組設(shè)備潛在風(fēng)險(xiǎn)的先兆，故逃離了現(xiàn)場、避免受災(zāi)。
機(jī)組在工況調(diào)試運(yùn)行過程中，受到水力-機(jī)械-電氣-結(jié)構(gòu)等多方面耦合因素的影響，可能會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行偏離正常設(shè)計(jì)工況，產(chǎn)生振動并發(fā)出噪聲等異常現(xiàn)象，并給電站主輔設(shè)備帶來強(qiáng)烈的疲勞損傷等問題，致使設(shè)備故障或引發(fā)其他原因?qū)е卤?。以?yán)重設(shè)備故障之一的機(jī)組掃膛為例，其通常由軸彎曲、軸承損壞或機(jī)組裝配不當(dāng)引發(fā)異常振動與聲響，進(jìn)而損害設(shè)備，甚或?qū)е率鹿省Ｈ缥覈吵樗钅茈娬?009年機(jī)組進(jìn)行100%甩負(fù)荷調(diào)試過程時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇上升并于機(jī)坑內(nèi)發(fā)生劇烈爆炸從而緊急停機(jī)；爆炸原因是機(jī)組多個(gè)磁極線圈被甩出，引發(fā)轉(zhuǎn)子掃膛，從而導(dǎo)致一系列設(shè)備被破壞，發(fā)出異常振動和噪音，空氣冷卻器被振開，水管漏水，透平油溢出，并在高溫情況下發(fā)生燃燒爆炸[16]。
此外，據(jù)文獻(xiàn)顯示，早于1994年就已有專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)針對巴爾吉抽水蓄能機(jī)組開展了振動監(jiān)測與分析研究[17]，故不能排除振動因素對此次事故的影響。
2.2 焊接操作失誤可能引發(fā)明火爆炸
抽水蓄能電站引水系統(tǒng)多由厚壁壓力鋼管構(gòu)成，其因高壓引發(fā)爆炸的可能性較小。鑒于現(xiàn)場火災(zāi)情況，若當(dāng)時(shí)處于特殊維護(hù)階段，焊接作業(yè)中氣體泄漏可能引發(fā)爆炸，水下爆炸則加劇事態(tài)嚴(yán)重性。
2.3 短路導(dǎo)致爆炸的可能性較低
電站內(nèi)雖可能發(fā)生電氣短路，但此次爆炸與火災(zāi)的嚴(yán)重性似乎超出短路故障所能造成的范圍。且因電站事發(fā)時(shí)處于維護(hù)狀態(tài)，理論上發(fā)生短路故障的概率相對較低。
PART 03 什么是抽水蓄能電站？
3.1 工作原理：抽水蓄能在用電低谷時(shí)抽水儲能，在用電高峰時(shí)放水發(fā)電
抽水蓄能是一種儲能技術(shù)，通過水泵水輪進(jìn)行發(fā)電和抽水，從而實(shí)現(xiàn)水的勢能和電能的相互轉(zhuǎn)化。抽水蓄能電站主要由上下兩個(gè)水庫、廠房和機(jī)電設(shè)備等組成（見圖8）。
發(fā)電：在電網(wǎng)用電需求量非常大時(shí)，上庫的水通過管道輸送到下庫，驅(qū)動水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電，用于滿足用電負(fù)荷需求。
抽水：當(dāng)電網(wǎng)用電需求較低時(shí)，則從電網(wǎng)獲取電力，驅(qū)動水泵將下庫的水送回上庫。這樣，上庫中的水就構(gòu)成了一個(gè)重力儲備，在需要時(shí)隨時(shí)取用進(jìn)行發(fā)電，如此循環(huán)（如圖9）。
3.2 功能優(yōu)勢：六大功能、五大優(yōu)勢、三大作用
抽水蓄能公認(rèn)是迄今為止經(jīng)濟(jì)性最好的儲能形式，它具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等六大功能，以及容量大、靈活性強(qiáng)、響應(yīng)快、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等五大優(yōu)勢，這些功能及優(yōu)勢賦予其三大作用：保障大電網(wǎng)安全、促進(jìn)新能源消納、提升全系統(tǒng)性能。
3.3 發(fā)展現(xiàn)狀及前景：蓬勃發(fā)展、爆發(fā)增長
截至2023年，全球抽水蓄能機(jī)組累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.79億kW，是世界上規(guī)模最大的電力儲能技術(shù)，占總電力儲能規(guī)模的86.89%[19]。中國的抽水蓄能正處于蓬勃發(fā)展期，2022年，全球新增抽水蓄能裝機(jī)容量1030萬kW，其中，中國新增880萬kW（占比超過85%），截至2022年底，中國抽水蓄能投產(chǎn)總裝機(jī)容量達(dá)到4579萬kW，裝機(jī)容量位居世界第一[9]。
根據(jù)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》，我國抽水蓄能未來十年將迎來爆發(fā)增長：預(yù)計(jì)2030年容量達(dá)到1.2億千瓦，支撐12億千瓦以上新能源消納，形成萬億級產(chǎn)業(yè)；2035年前計(jì)劃累計(jì)投產(chǎn)3億kW的抽水蓄能[20]。截至2022年底，中國已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點(diǎn)資源總量約8.23億千瓦[9]。面對日益擴(kuò)大的清潔能源應(yīng)用規(guī)模，抽水蓄能和間歇可再生能源的聯(lián)合運(yùn)行將對可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮越來越重要的作用。
PART 04 抽水蓄能電站安全可靠運(yùn)行研究的重要意義
一、抽水蓄能電站安全可靠運(yùn)行調(diào)控是行業(yè)難題[21]
在抽水蓄能行業(yè)初始的探索發(fā)展期內(nèi)，我國已投產(chǎn)的30余座電站中，安全控制值超標(biāo)、功率振蕩等問題頻發(fā)，甚至包括抬機(jī)、掃膛等嚴(yán)重工程事故，給電站和電網(wǎng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需深入研究并提出系列優(yōu)化解決措施，以避免造成如意大利巴爾吉電站一樣的重大工程安全事故。抽水蓄能電站如何安全可靠地運(yùn)行調(diào)控，一直是行業(yè)難題，其原因涉及水力-機(jī)械-電氣-控制-結(jié)構(gòu)等眾多交叉耦合因素。尤其是針對使用壽命已較長的老舊機(jī)組，若不進(jìn)行必要的更新改造，其相關(guān)問題更為突出。
（1）水力因素：壓力脈動、空化空蝕等
電站在抽水或發(fā)電模式下，運(yùn)行調(diào)控中的水位變化、流量動態(tài)變化等可能導(dǎo)致水力不平衡，使得機(jī)組轉(zhuǎn)輪、壓力管道等水力設(shè)備出現(xiàn)壓力脈動、振動、空化空蝕等現(xiàn)象。尤其是水力過渡過程中機(jī)組的運(yùn)行特性參數(shù)瞬變，其直觀表現(xiàn)形式為蝸殼、尾水管、無葉區(qū)的壓力脈動，其本質(zhì)原因則受尾水渦帶變化、轉(zhuǎn)輪動靜干涉等影響，壓力脈動引起轉(zhuǎn)輪動態(tài)載荷的變化，進(jìn)而誘發(fā)頂蓋振動、功率振蕩和轉(zhuǎn)輪疲勞破壞[22]，甚至引起共振，損傷機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片、尾水管等結(jié)構(gòu)，以至于影響機(jī)組的效率和穩(wěn)定性，降低其性能并縮短使用壽命。
（2）機(jī)械因素：振動、疲勞、磨損等
機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了疲勞損傷和故障風(fēng)險(xiǎn)。在機(jī)組啟停和負(fù)載變化等工況時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會經(jīng)歷復(fù)雜的動態(tài)過程，由于機(jī)組軸系異常振動及由此誘發(fā)的噪聲、碰磨等情況致使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋、軸系受損、葉片疲勞破壞等（如圖13）對旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行危害巨大。尤其是抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行工況多變、轉(zhuǎn)換頻繁劇烈，會導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備的更高強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變、磨損、熱脹冷縮等，造成機(jī)組疲勞損傷并降低設(shè)備可靠性，進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行效率，增加故障風(fēng)險(xiǎn)。
（3）電氣因素：電氣設(shè)備、電氣保護(hù)等
抽水蓄能電站需要時(shí)刻響應(yīng)電網(wǎng)的要求與變化，需在不同的電網(wǎng)頻率和電壓波動條件下穩(wěn)定運(yùn)行，對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力依賴于電氣設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、勵(lì)磁系統(tǒng)等）的性能。電氣設(shè)備在高負(fù)載、快速動態(tài)響應(yīng)、頻繁切換操作等條件下易受損，將嚴(yán)重威脅機(jī)組和電站的安全運(yùn)行及調(diào)節(jié)效果，這要求電站擁有精細(xì)化調(diào)節(jié)以及靈活可靠的電氣系統(tǒng)。電氣保護(hù)系統(tǒng)是抽水蓄能電站安全運(yùn)行的另一保障，包括過電流保護(hù)、過溫保護(hù)、過速保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)等，這些系統(tǒng)可以在檢測到異常情況時(shí)迅速切斷電流，防止電氣故障引發(fā)的安全事故。正確配置和定期測試保護(hù)系統(tǒng)的功能對于預(yù)防電氣故障至關(guān)重要。
（a）主變壓器
（b）GIS設(shè)備
（4）控制因素：工況轉(zhuǎn)換、控制策略等
建立多場景多工況轉(zhuǎn)換的精細(xì)化控制策略可以確保機(jī)組在不同運(yùn)行模式下的穩(wěn)定功率輸出以及快速頻率響應(yīng)，提升機(jī)組調(diào)節(jié)性能。抽水蓄能電站在進(jìn)行抽水-發(fā)電及其復(fù)雜多工況轉(zhuǎn)換時(shí)，涉及到流體動力學(xué)和機(jī)械動力學(xué)變化，使得機(jī)組經(jīng)受水力-機(jī)械-電氣等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的劇烈變化。各種模式轉(zhuǎn)換需要精準(zhǔn)控制，以避免由于水擊效應(yīng)（水錘現(xiàn)象）導(dǎo)致的管道和設(shè)備損害，同時(shí)避免轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制不當(dāng)可能導(dǎo)致的機(jī)械設(shè)備過載，影響發(fā)電效率并引發(fā)設(shè)備故障。
（5）結(jié)構(gòu)耦合因素：廠房結(jié)構(gòu)、水庫、大壩等
抽水蓄能電站在惡劣環(huán)境下的水庫庫盆防滲、大壩變形穩(wěn)定、高壓水道襯砌、洞室圍巖穩(wěn)定、廠房結(jié)構(gòu)振動等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素嚴(yán)重影響電站安全可靠性運(yùn)行[24]。大壩和水庫承受著巨大的水壓力，水文條件變化、地質(zhì)災(zāi)害等都可能對結(jié)構(gòu)安全造成威脅。抽水蓄能廠房的結(jié)構(gòu)型式極其復(fù)雜，且因有高水頭、高轉(zhuǎn)速、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、過渡過程復(fù)雜等特點(diǎn), 機(jī)組振動誘發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)振動問題極為突出，水力-機(jī)械-電氣-結(jié)構(gòu)等耦聯(lián)作用，導(dǎo)致廠房在各類工況下的振動響應(yīng)特征不夠明晰，給電站安全可靠運(yùn)行帶來一定隱患。尤其是許多抽水蓄能電站涉及到大量的地下工程，如地下廠房、隧洞等，工程建設(shè)和維護(hù)面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程技術(shù)挑戰(zhàn)。如此次巴爾吉電站的地下廠房結(jié)構(gòu)，由于爆炸等因素導(dǎo)致的廠房結(jié)構(gòu)坍塌不僅對救援行動帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也給事后的工程維護(hù)增加了難度。
二、面向高比例新能源消納的抽水蓄能安全可靠調(diào)控將受到更大挑戰(zhàn)
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，抽水蓄能承擔(dān)了一定的調(diào)節(jié)作用，但其調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等能力發(fā)揮仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。然而，在高比例可再生能源接入電網(wǎng)的背景下，為平衡發(fā)用電需求并保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，需要對抽水蓄能進(jìn)行更加靈活和精細(xì)化的調(diào)控。
高比例新能源消納需求改變了抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行模式，影響了電站安全可靠運(yùn)行。為滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷的急劇變化以及事故備用需求，很多電站轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟砂l(fā)兩抽”甚至“三發(fā)兩抽”等更頻繁的啟停運(yùn)行模式，這大幅度緩解了電力系統(tǒng)的供需矛盾，但機(jī)組也要進(jìn)行更頻繁更快的啟停和工況轉(zhuǎn)換，使得引水系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、電氣系統(tǒng)、甚至廠房結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生更強(qiáng)烈的振動現(xiàn)象。這種高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)對機(jī)組的調(diào)節(jié)特性、設(shè)備可靠性、電站的安全運(yùn)行帶來了更大挑戰(zhàn)。
高比例新能源消納背景下，抽水蓄能電站安全可靠相關(guān)的工程問題已日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，承擔(dān)華中電網(wǎng)主要調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)的四大抽水蓄能電站，啟停次數(shù)和臺數(shù)逐年增多，2018年發(fā)電與抽水啟動次數(shù)分別達(dá)到了為6399次和5273次，同比增長4%和24.8%，給機(jī)組設(shè)備磨耗也帶來一系列問題[27]。在承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的任務(wù)中，為滿足電網(wǎng)調(diào)度指令，有些電站近幾年的啟停次數(shù)增加至往年的3~5倍左右，機(jī)組頻繁進(jìn)入振動區(qū)，導(dǎo)致了導(dǎo)葉和螺栓等各類機(jī)組部件損傷，不僅降低了其靈活調(diào)節(jié)能力，也對機(jī)組壽命和電站效益帶來巨大影響。
因此，研究抽水蓄能電站的安全可靠運(yùn)行是有效發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)能力的有力保障，這對電站的運(yùn)行調(diào)控技術(shù)提出更大的挑戰(zhàn)，也是未來行業(yè)需要繼續(xù)深耕的重要領(lǐng)域。
PART 05 小結(jié)
意大利巴爾吉抽水蓄能電站爆炸的重大安全事故引起了社會廣泛關(guān)注。本文從行業(yè)角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外權(quán)威媒體報(bào)道信息，對該電站事故的相關(guān)情況以及可能的原因進(jìn)行了梳理與分析。在等待巴爾吉電站事故官方調(diào)查結(jié)果的同時(shí)，本文通過對該事故的思考，并基于抽水蓄能行業(yè)發(fā)展背景，對電站及機(jī)組安全可靠運(yùn)行的相關(guān)研究問題進(jìn)行了探討。
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，抽水蓄能安全可靠問題一直以來都受到了行業(yè)的關(guān)注；尤其是針對使用壽命已較長的老舊機(jī)組，相關(guān)問題更為突出。而隨著“雙碳”目標(biāo)的提出以及抽水蓄能的蓬勃發(fā)展趨勢，高比例新能源消納背景下的抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行安全可靠性的理論和技術(shù)研發(fā)更應(yīng)被給予特別重視。最后，再次對此次事故中的受難者致以深切的哀悼，也希望今后憑借行業(yè)的共同努力，保證抽水蓄能電站安全可靠運(yùn)行，盡量避免此類悲慘事故的發(fā)生。
