中国储能网讯：抽水蓄能安全可靠问题一直以来受到行业的关注；尤其是使用寿命已较长的老旧机组，相关问题更为突出。随着“双碳”目标的提出以及抽水蓄能的蓬勃发展趋势，高比例新能源消纳背景下的抽水蓄能机组运行安全可靠性的理论和技术研发更应被给予特别重视。
PART 01 巴尔吉电站概况及爆炸事故简介
据央视网、意大利信使报（Il Messaggero）、美国联合通讯社（AP）等媒体报道[1-4]，2024年4月9日当地时间下午3点，意大利博洛尼亚省（Bologna）邻近区域的巴尔吉（Bargi）抽水蓄能电站机组在升级改造的过程中发生了严重的爆炸事故，造成惨重人员伤亡；截止4月12日，已有7人不幸丧生，5人受伤，具体事故原因尚待官方确认。此次事故在社会上引起了广泛关注，同时也引发了意大利国内的罢工浪潮[5]。在为遇难者致以深切哀悼与诚挚祈祷的同时，此次事故再次凸显了水电安全生产的重要性，须深刻汲取教训，防患于未然。
笔者基于相关国内外媒体报道对巴尔吉抽水蓄能电站爆炸的事故进展进行了梳理，同时对事故背后的科学技术问题进行了初步思考，希望能够引起社会对抽水蓄能电站安全可靠运行的关注，尽量避免未来行业内发生类似重大事故。
一、工程概况[6]
巴尔吉抽水蓄能电站隶属意大利国家电力公司（ENEL），建成于1975年，共安装有两台165MW抽水蓄能机组，总装机容量达330MW，是艾米利亚-罗马涅地区（Emilia-Romagna）规模最大的水电站。电站坐落于博洛尼亚省高阿彭尼尔山脉（Bolognese Apennines）的卡姆加诺市（Camugnano），布拉西莫内（Brasimone）水库和苏维亚纳（Suviana）水库分别作为上、下库，该电站在ENEL的电力系统调节、运行与管理中扮演着重要角色。其厂房距Suviana水库大坝约2公里，高54米，约3/4部分深藏水下，地下结构共10层，并通过直径约4米的引水管道与Brasimone水库相连。
巴尔吉抽水蓄能电站的具体参数如下[6]：
据调研，意大利早于20世纪60年代就已经开始发展抽水蓄能，从1963～1985年抽水蓄能装机由700MW猛增到6000MW，增长了8.6倍，以调节容量为主的抽水蓄能电站的大量投入，使电网提高了调节的灵活性，取得了较大的经济效益[8]。截止2022年，意大利抽水蓄能装机容量为7.9GW，居于世界第四、欧洲第一，仅次于中国、日本、和美国[9,10]。
巴尔吉电站的运营公司Enel（原名 "Ente Nazionale per l'Energia Elettrica"，意大利国家电力局）成立于1962年。目前，Enel 是一家业务遍及全球约 30 个国家的跨国公司，2023年全球新能源企业500强中Enel位列第17[11]，财富世界500强中位列第59[12]。Enel是欧洲在抽水蓄能水电领域经验最丰富的公司之一，早于2014年就已在意大利、斯洛伐克和西班牙拥有28座电站，总装机容量达 9598 MW，其中包括意大利的四座大型电站，每座电站的装机容量都超过了1 GW[13]。
由此可见，意大利及该国能源企业在抽水蓄能领域具有深厚的研究基础和强劲的技术实力，此次安全事故的发生可谓是一个强烈的警醒。
二、事故简介[2, 5, 14]
本次爆炸事故发生在地下约35米深处的水泵水轮机安装层（地下八层），疑似抽水蓄能机组发生爆炸，见图7。爆炸导致地下七层结构坍塌，厂房内部及一变压器处燃起大火，同时电站冷却管道破裂，水位不断上升，最终淹没最底端部分厂房。救援工作异常艰巨，仅能依靠潜水员进行搜救。值得庆幸的是，事发时电站并未正式运行，电力供应以及Suviana水库及其大坝均未受影响。
事发时，巴尔吉电站正进行机组升级改造工程，该工程由ENEL在2022年底委托西门子（Siemens）、ABB和福伊特（Voith）三家电气及水电领域顶尖公司负责。事故发生时，工程已接近尾声，第一组机组测试完成，第二组机组测试正在进行中，但不幸最终功亏一篑，福伊特公司一名技术人员也在本次事故中遇难。
PART 02 此次电站爆炸事故的可能原因
此次巴尔吉抽水蓄能电站事故的复杂性主要源于：历史上抽水蓄能电站类似大型事故案例较为稀缺，以及电站事故成因的繁杂多样。针对此次事故的诱因，虽需深入调查方能得出确凿结论，但基于已披露信息与意大利相关专家的初步分析[2, 5, 14, 15]，本文初步翻译与整理出了以下几点、仅供参考（仅初步分析，具体原因尚待官方专业调查确认）。
2.1 水轮机故障可能导致设备爆炸
据Enel公司官方声明信息推断，爆炸有可能与水轮机工况调试中产生的机组设备（原文为“turbine defect”）等导致的设备故障相关。为了提高电站的运行效率，事故发生时期机组正处于升级改造的阶段。据悉，从电站中逃生的工作人员于事故前在现场听闻异常噪声，疑为机组设备潜在风险的先兆，故逃离了现场、避免受灾。
机组在工况调试运行过程中，受到水力-机械-电气-结构等多方面耦合因素的影响，可能会导致机组运行偏离正常设计工况，产生振动并发出噪声等异常现象，并给电站主辅设备带来强烈的疲劳损伤等问题，致使设备故障或引发其他原因导致爆炸。以严重设备故障之一的机组扫膛为例，其通常由轴弯曲、轴承损坏或机组装配不当引发异常振动与声响，进而损害设备，甚或导致事故。如我国某抽水蓄能电站2009年机组进行100%甩负荷调试过程时，机组转速急剧上升并于机坑内发生剧烈爆炸从而紧急停机；爆炸原因是机组多个磁极线圈被甩出，引发转子扫膛，从而导致一系列设备被破坏，发出异常振动和噪音，空气冷却器被振开，水管漏水，透平油溢出，并在高温情况下发生燃烧爆炸[16]。
此外，据文献显示，早于1994年就已有专业研究团队针对巴尔吉抽水蓄能机组开展了振动监测与分析研究[17]，故不能排除振动因素对此次事故的影响。
2.2 焊接操作失误可能引发明火爆炸
抽水蓄能电站引水系统多由厚壁压力钢管构成，其因高压引发爆炸的可能性较小。鉴于现场火灾情况，若当时处于特殊维护阶段，焊接作业中气体泄漏可能引发爆炸，水下爆炸则加剧事态严重性。
2.3 短路导致爆炸的可能性较低
电站内虽可能发生电气短路，但此次爆炸与火灾的严重性似乎超出短路故障所能造成的范围。且因电站事发时处于维护状态，理论上发生短路故障的概率相对较低。
PART 03 什么是抽水蓄能电站？
3.1 工作原理：抽水蓄能在用电低谷时抽水储能，在用电高峰时放水发电
抽水蓄能是一种储能技术，通过水泵水轮进行发电和抽水，从而实现水的势能和电能的相互转化。抽水蓄能电站主要由上下两个水库、厂房和机电设备等组成（见图8）。
发电：在电网用电需求量非常大时，上库的水通过管道输送到下库，驱动水轮机和发电机发电，用于满足用电负荷需求。
抽水：当电网用电需求较低时，则从电网获取电力，驱动水泵将下库的水送回上库。这样，上库中的水就构成了一个重力储备，在需要时随时取用进行发电，如此循环（如图9）。
3.2 功能优势：六大功能、五大优势、三大作用
抽水蓄能公认是迄今为止经济性最好的储能形式，它具有调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等六大功能，以及容量大、灵活性强、响应快、可靠性高、经济性好等五大优势，这些功能及优势赋予其三大作用：保障大电网安全、促进新能源消纳、提升全系统性能。
3.3 发展现状及前景：蓬勃发展、爆发增长
截至2023年，全球抽水蓄能机组累计装机规模达到1.79亿kW，是世界上规模最大的电力储能技术，占总电力储能规模的86.89%[19]。中国的抽水蓄能正处于蓬勃发展期，2022年，全球新增抽水蓄能装机容量1030万kW，其中，中国新增880万kW（占比超过85%），截至2022年底，中国抽水蓄能投产总装机容量达到4579万kW，装机容量位居世界第一[9]。
根据《抽水蓄能中长期发展规划（2021～2035年）》，我国抽水蓄能未来十年将迎来爆发增长：预计2030年容量达到1.2亿千瓦，支撑12亿千瓦以上新能源消纳，形成万亿级产业；2035年前计划累计投产3亿kW的抽水蓄能[20]。截至2022年底，中国已纳入规划的抽水蓄能站点资源总量约8.23亿千瓦[9]。面对日益扩大的清洁能源应用规模，抽水蓄能和间歇可再生能源的联合运行将对可持续发展目标的实现发挥越来越重要的作用。
PART 04 抽水蓄能电站安全可靠运行研究的重要意义
一、抽水蓄能电站安全可靠运行调控是行业难题[21]
在抽水蓄能行业初始的探索发展期内，我国已投产的30余座电站中，安全控制值超标、功率振荡等问题频发，甚至包括抬机、扫膛等严重工程事故，给电站和电网带来巨大的经济损失。因此，需深入研究并提出系列优化解决措施，以避免造成如意大利巴尔吉电站一样的重大工程安全事故。抽水蓄能电站如何安全可靠地运行调控，一直是行业难题，其原因涉及水力-机械-电气-控制-结构等众多交叉耦合因素。尤其是针对使用寿命已较长的老旧机组，若不进行必要的更新改造，其相关问题更为突出。
（1）水力因素：压力脉动、空化空蚀等
电站在抽水或发电模式下，运行调控中的水位变化、流量动态变化等可能导致水力不平衡，使得机组转轮、压力管道等水力设备出现压力脉动、振动、空化空蚀等现象。尤其是水力过渡过程中机组的运行特性参数瞬变，其直观表现形式为蜗壳、尾水管、无叶区的压力脉动，其本质原因则受尾水涡带变化、转轮动静干涉等影响，压力脉动引起转轮动态载荷的变化，进而诱发顶盖振动、功率振荡和转轮疲劳破坏[22]，甚至引起共振，损伤机组的转轮叶片、尾水管等结构，以至于影响机组的效率和稳定性，降低其性能并缩短使用寿命。
（2）机械因素：振动、疲劳、磨损等
机组机械系统的复杂性增加了疲劳损伤和故障风险。在机组启停和负载变化等工况时，机械系统会经历复杂的动态过程，由于机组轴系异常振动及由此诱发的噪声、碰磨等情况致使转轮产生裂纹、轴系受损、叶片疲劳破坏等（如图13）对旋转机械安全稳定运行危害巨大。尤其是抽水蓄能机组的运行工况多变、转换频繁剧烈，会导致机组设备的更高强度应力应变、磨损、热胀冷缩等，造成机组疲劳损伤并降低设备可靠性，进而影响设备运行效率，增加故障风险。
（3）电气因素：电气设备、电气保护等
抽水蓄能电站需要时刻响应电网的要求与变化，需在不同的电网频率和电压波动条件下稳定运行，对电网的调节能力依赖于电气设备（如发电机、变压器、断路器、励磁系统等）的性能。电气设备在高负载、快速动态响应、频繁切换操作等条件下易受损，将严重威胁机组和电站的安全运行及调节效果，这要求电站拥有精细化调节以及灵活可靠的电气系统。电气保护系统是抽水蓄能电站安全运行的另一保障，包括过电流保护、过温保护、过速保护、短路保护、接地保护等，这些系统可以在检测到异常情况时迅速切断电流，防止电气故障引发的安全事故。正确配置和定期测试保护系统的功能对于预防电气故障至关重要。
（a）主变压器
（b）GIS设备
（4）控制因素：工况转换、控制策略等
建立多场景多工况转换的精细化控制策略可以确保机组在不同运行模式下的稳定功率输出以及快速频率响应，提升机组调节性能。抽水蓄能电站在进行抽水-发电及其复杂多工况转换时，涉及到流体动力学和机械动力学变化，使得机组经受水力-机械-电气等相关指标参数的剧烈变化。各种模式转换需要精准控制，以避免由于水击效应（水锤现象）导致的管道和设备损害，同时避免转速调节控制不当可能导致的机械设备过载，影响发电效率并引发设备故障。
（5）结构耦合因素：厂房结构、水库、大坝等
抽水蓄能电站在恶劣环境下的水库库盆防渗、大坝变形稳定、高压水道衬砌、洞室围岩稳定、厂房结构振动等结构设计因素严重影响电站安全可靠性运行[24]。大坝和水库承受着巨大的水压力，水文条件变化、地质灾害等都可能对结构安全造成威胁。抽水蓄能厂房的结构型式极其复杂，且因有高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等特点, 机组振动诱发的厂房结构振动问题极为突出，水力-机械-电气-结构等耦联作用，导致厂房在各类工况下的振动响应特征不够明晰，给电站安全可靠运行带来一定隐患。尤其是许多抽水蓄能电站涉及到大量的地下工程，如地下厂房、隧洞等，工程建设和维护面临着复杂的地质条件和工程技术挑战。如此次巴尔吉电站的地下厂房结构，由于爆炸等因素导致的厂房结构坍塌不仅对救援行动带来了巨大挑战，同时也给事后的工程维护增加了难度。
二、面向高比例新能源消纳的抽水蓄能安全可靠调控将受到更大挑战
在传统电力系统中，抽水蓄能承担了一定的调节作用，但其调峰、调频、调相等能力发挥仍有待进一步加强。然而，在高比例可再生能源接入电网的背景下，为平衡发用电需求并保障电网运行的安全可靠性，需要对抽水蓄能进行更加灵活和精细化的调控。
高比例新能源消纳需求改变了抽水蓄能机组的运行模式，影响了电站安全可靠运行。为满足电力系统负荷的急剧变化以及事故备用需求，很多电站转变为“两发两抽”甚至“三发两抽”等更频繁的启停运行模式，这大幅度缓解了电力系统的供需矛盾，但机组也要进行更频繁更快的启停和工况转换，使得引水系统、机械设备、电气系统、甚至厂房结构等产生更强烈的振动现象。这种高强度运转对机组的调节特性、设备可靠性、电站的安全运行带来了更大挑战。
高比例新能源消纳背景下，抽水蓄能电站安全可靠相关的工程问题已日益凸显。据统计，承担华中电网主要调峰调频任务的四大抽水蓄能电站，启停次数和台数逐年增多，2018年发电与抽水启动次数分别达到了为6399次和5273次，同比增长4%和24.8%，给机组设备磨耗也带来一系列问题[27]。在承担调峰调频的任务中，为满足电网调度指令，有些电站近几年的启停次数增加至往年的3~5倍左右，机组频繁进入振动区，导致了导叶和螺栓等各类机组部件损伤，不仅降低了其灵活调节能力，也对机组寿命和电站效益带来巨大影响。
因此，研究抽水蓄能电站的安全可靠运行是有效发挥其灵活调节能力的有力保障，这对电站的运行调控技术提出更大的挑战，也是未来行业需要继续深耕的重要领域。
PART 05 小结
意大利巴尔吉抽水蓄能电站爆炸的重大安全事故引起了社会广泛关注。本文从行业角度出发，结合国内外权威媒体报道信息，对该电站事故的相关情况以及可能的原因进行了梳理与分析。在等待巴尔吉电站事故官方调查结果的同时，本文通过对该事故的思考，并基于抽水蓄能行业发展背景，对电站及机组安全可靠运行的相关研究问题进行了探讨。
在传统电力系统中，抽水蓄能安全可靠问题一直以来都受到了行业的关注；尤其是针对使用寿命已较长的老旧机组，相关问题更为突出。而随着“双碳”目标的提出以及抽水蓄能的蓬勃发展趋势，高比例新能源消纳背景下的抽水蓄能机组运行安全可靠性的理论和技术研发更应被给予特别重视。最后，再次对此次事故中的受难者致以深切的哀悼，也希望今后凭借行业的共同努力，保证抽水蓄能电站安全可靠运行，尽量避免此类悲惨事故的发生。
