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組運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（Il Messaggero）、美國聯(lián)合通訊社（AP）等媒體報道[1-4]，2024年4月9日當(dāng)?shù)貢r間下午3點，意大利博洛尼亞?。˙ologna）鄰近區(qū)域的巴爾吉（Bargi）抽水蓄能電站機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，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)外媒體報道對巴爾吉抽水蓄能電站爆炸的事故進展進行了梳理，同時對事故背后的科學(xué)技術(shù)問題進行了初步思考，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抽水蓄能機組，總裝機容量達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)濟效益[8]。截止2022年，意大利抽水蓄能裝機容量為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 個國家的跨國公司，2023年全球新能源企業(yè)500強中Enel位列第17[11]，財富世界500強中位列第59[12]。Enel是歐洲在抽水蓄能水電領(lǐng)域經(jīng)驗最豐富的公司之一，早于2014年就已在意大利、斯洛伐克和西班牙擁有28座電站，總裝機容量達 9598 MW，其中包括意大利的四座大型電站，每座電站的裝機容量都超過了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)和強勁的技術(shù)實力，此次安全事故的發(fā)生可謂是一個強烈的警醒。
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安裝層（地下八層），疑似抽水蓄能機組發(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，僅能依靠潛水員進行搜救。值得慶幸的是，事發(fā)時電站并未正式運行，電力供應(yīng)以及Suviana水庫及其大壩均未受影響。
事發(fā)時，巴爾吉電站正進行機組升級改造工程，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，工程已接近尾聲，第一組機組測試完成，第二組機組測試正在進行中，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、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工況調(diào)試中產(chǎn)生的機組設(shè)備（原文為“turbine defect”）等導(dǎo)致的設(shè)備故障相關(guān)。為了提高電站的運行效率，事故發(fā)生時期機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，疑為機組設(shè)備潛在風(fēng)險的先兆，故逃離了現(xiàn)場、避免受災(zāi)。
機組在工況調(diào)試運行過程中，受到水力-機械-電氣-結(jié)構(gòu)等多方面耦合因素的影響，可能會導(dǎo)致機組運行偏離正常設(shè)計工況，產(chǎn)生振動并發(fā)出噪聲等異?，F(xiàn)象，并給電站主輔設(shè)備帶來強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)備故障之一的機組掃膛為例，其通常由軸彎曲、軸承損壞或機組裝配不當(dāng)引發(fā)異常振動與聲響，進而損害設(shè)備，甚或?qū)е率鹿?。如我國某抽水蓄能電?009年機組進行100%甩負(fù)荷調(diào)試過程時，機組轉(zhuǎn)速急劇上升并于機坑內(nèi)發(fā)生劇烈爆炸從而緊急停機；爆炸原因是機組多個磁極線圈被甩出，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)文獻顯示，早于1994年就已有專業(yè)研究團隊針對巴爾吉抽水蓄能機組開展了振動監(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)時處于特殊維護階段，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)時處于維護狀態(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抽水儲能，在用電高峰時放水發(fā)電
抽水蓄能是一種儲能技術(shù)，通過水泵水輪進行發(fā)電和抽水，從而實現(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水庫、廠房和機電設(shè)備等組成（見圖8）。
發(fā)電：在電網(wǎng)用電需求量非常大時，上庫的水通過管道輸送到下庫，驅(qū)動水輪機和發(fā)電機發(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，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)成了一個重力儲備，在需要時隨時取用進行發(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、響應(yīng)快、可靠性高、經(jīng)濟性好等五大優(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，全球抽水蓄能機組累計裝機規(guī)模達到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)總裝機容量達到4579萬kW，裝機容量位居世界第一[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2030年容量達到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年前計劃累計投產(chǎn)3億kW的抽水蓄能[20]。截至2022年底，中國已納入規(guī)劃的抽水蓄能站點資源總量約8.23億千瓦[9]。面對日益擴大的清潔能源應(yīng)用規(guī)模，抽水蓄能和間歇可再生能源的聯(lián)合運行將對可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(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行研究的重要意義
一、抽水蓄能電站安全可靠運行調(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、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行調(diào)控，一直是行業(yè)難題，其原因涉及水力-機械-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組，若不進行必要的更新改造，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組的運行特性參數(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，損傷機組的轉(zhuǎn)輪葉片、尾水管等結(jié)構(gòu)，以至于影響機組的效率和穩(wěn)定性，降低其性能并縮短使用壽命。
（2）機械因素：振動、疲勞、磨損等
機組機械系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了疲勞損傷和故障風(fēng)險。在機組啟停和負(fù)載變化等工況時，機械系統(tǒng)會經(jīng)歷復(fù)雜的動態(tài)過程，由于機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)機械安全穩(wěn)定運行危害巨大。尤其是抽水蓄能機組的運行工況多變、轉(zhuǎn)換頻繁劇烈，會導(dǎo)致機組設(shè)備的更高強度應(yīng)力應(yīng)變、磨損、熱脹冷縮等，造成機組疲勞損傷并降低設(shè)備可靠性，進而影響設(shè)備運行效率，增加故障風(fēng)險。
（3）電氣因素：電氣設(shè)備、電氣保護等
抽水蓄能電站需要時刻響應(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、變壓器、斷路器、勵磁系統(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)重威脅機組和電站的安全運行及調(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)。電氣保護系統(tǒng)是抽水蓄能電站安全運行的另一保障，包括過電流保護、過溫保護、過速保護、短路保護、接地保護等，這些系統(tǒng)可以在檢測到異常情況時迅速切斷電流，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組在不同運行模式下的穩(wěn)定功率輸出以及快速頻率響應(yīng)，提升機組調(diào)節(jié)性能。抽水蓄能電站在進行抽水-發(fā)電及其復(fù)雜多工況轉(zhuǎn)換時，涉及到流體動力學(xué)和機械動力學(xué)變化，使得機組經(jīng)受水力-機械-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，同時避免轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制不當(dāng)可能導(dǎo)致的機械設(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)計因素嚴(yán)重影響電站安全可靠性運行[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、雙向運轉(zhuǎn)、過渡過程復(fù)雜等特點, 機組振動誘發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)振動問題極為突出，水力-機械-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)，同時也給事后的工程維護增加了難度。
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)揮仍有待進一步加強。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)運行的安全可靠性，需要對抽水蓄能進行更加靈活和精細(xì)化的調(diào)控。
高比例新能源消納需求改變了抽水蓄能機組的運行模式，影響了電站安全可靠運行。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”等更頻繁的啟停運行模式，這大幅度緩解了電力系統(tǒng)的供需矛盾，但機組也要進行更頻繁更快的啟停和工況轉(zhuǎn)換，使得引水系統(tǒng)、機械設(shè)備、電氣系統(tǒng)、甚至廠房結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生更強烈的振動現(xiàn)象。這種高強度運轉(zhuǎn)對機組的調(diào)節(jié)特性、設(shè)備可靠性、電站的安全運行帶來了更大挑戰(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，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)分別達到了為6399次和5273次，同比增長4%和24.8%，給機組設(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，機組頻繁進入振動區(qū)，導(dǎo)致了導(dǎo)葉和螺栓等各類機組部件損傷，不僅降低了其靈活調(diào)節(jié)能力，也對機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)威媒體報道信息，對該電站事故的相關(guān)情況以及可能的原因進行了梳理與分析。在等待巴爾吉電站事故官方調(diào)查結(jié)果的同時，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，對電站及機組安全可靠運行的相關(guān)研究問題進行了探討。
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組運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行，盡量避免此類悲慘事故的發(fā)生。
