李 毅，馬 程，李德芳，萬 波，俞家良，胡文興

(1.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司工程建設(shè)管理分公司，廣東 廣州 510630)

0 引 言

深圳抽水蓄能電站(以下簡稱“深蓄電站”)位于廣東省深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)的交界處，在香港、大亞灣核電站、嶺澳核電站核心圈內(nèi)，處于廣東的電力負(fù)荷中心，同時又是西電東送的落點和粵港電網(wǎng)的連接點。電站裝機(jī)容量為4×300 MW，主機(jī)設(shè)備全面實現(xiàn)國產(chǎn)化，水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動機(jī)分別由東電、哈電設(shè)計制造，2013年7月簽訂設(shè)備供貨合同，2017年11月30日首臺機(jī)組投入商業(yè)運行，歷時46個月，2018年9月4臺機(jī)組全部建成投入商運。

研究表明，國內(nèi)抽水蓄能電站在投產(chǎn)初期2年內(nèi)設(shè)備故障率較高[1]，經(jīng)過不斷技改和消缺，設(shè)備狀態(tài)才穩(wěn)定下來，主要故障發(fā)生在自動化元件、SFC、主軸密封和轉(zhuǎn)動部件。2016年某新投產(chǎn)蓄能電站發(fā)生電力安全事件11起，第2年降低到2起，降幅高達(dá)81.8%[2]。從南方電網(wǎng)2013年～2017年抽水蓄能和常規(guī)水電統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，自動裝置和自動化元件引起的五級以上電力事件占比達(dá)到56%～67%。因此，提升自動裝置和自動化元件健康水平是缺陷管理的重點，也是影響投產(chǎn)初期設(shè)備質(zhì)量重大因素。

機(jī)電設(shè)備的故障模式符合浴盆曲線，針對早期故障期(即投產(chǎn)初期)，深蓄電站從設(shè)計制造、優(yōu)化設(shè)計、參與聯(lián)合開發(fā)、安裝調(diào)試和生產(chǎn)運行缺陷管理等方面著手，管控各個環(huán)節(jié)的重大影響因素，顯著提高了投產(chǎn)初期的設(shè)備質(zhì)量，從首臺機(jī)組試運行到全部投入商業(yè)運行，未發(fā)生設(shè)備損壞、影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定等異常事件。2018年投入商運后，機(jī)組啟動成功率達(dá)到99.82%。

1 關(guān)鍵設(shè)備管控

1.1 技術(shù)措施

1.1.1測溫RTD設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)

測溫是機(jī)組使用范圍和數(shù)量較多的元件之一，通過對同類電廠調(diào)研，確定整體方案。對安裝在定子、軸瓦等不可更換或難以更換部位，采用RTD元件雙封裝的技術(shù)方案，造價只增加約20%，而可靠性提高了1倍。

全部RTD采用芯片式/繞制式感溫元件，激光焊接，防止振動環(huán)境下的焊點松動或脫落。引線按照不同環(huán)境和設(shè)備結(jié)構(gòu)采取彈簧管、波紋管、鎧裝絲等不同的保護(hù)結(jié)構(gòu)。接線方式由二線制改進(jìn)為三線制，提高測量精度。與RTD一起定制配套屏蔽電纜，避免中間接頭，耐油耐高溫，三芯特制電纜導(dǎo)體直流電阻誤差≤0.1 Ω/km[3]，降低電阻偏差對測溫誤差的影響。每臺機(jī)組安裝使用211個RTD，穩(wěn)定性好，投運后至今未發(fā)生過RTD本體故障的缺陷。

1.1.2LCU分層分布架構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

原招標(biāo)設(shè)計中LCU集中安裝，所有控制對象通過硬接線或通信方式接入LCU。經(jīng)過比較和優(yōu)化，依托LCU本身可靠的Profinet總線通信專用電纜連接，LCU采用分層分布結(jié)構(gòu)方案。機(jī)組LCU分層分布結(jié)構(gòu)優(yōu)化見圖1。機(jī)組LCU分為發(fā)電機(jī)層現(xiàn)地LCU、中間層遠(yuǎn)程LCU、水輪層遠(yuǎn)程LCU，并與球閥、油壓裝置控制PLC組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，盡可能靠近現(xiàn)場設(shè)備元件，充分利用通信專用電纜優(yōu)良屏蔽性能，降低或避免電磁干擾對通信的影響，提高測量、信號和控制的整體可靠性。同時，節(jié)省了大量硬接線電纜，有利于減少項目投資。

圖1 機(jī)組LCU分層分布結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1.3廠用電模塊化功能集成

原設(shè)計方案中，10 kV和400 V備用自動投切系統(tǒng)采用獨立專用PLC控制，經(jīng)過架構(gòu)改進(jìn)在監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。充分利用統(tǒng)一的監(jiān)控平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場布線可以就近接入相應(yīng)的公用遠(yuǎn)程LCU，把系統(tǒng)各個備自投程序集成為LCU的功能模塊，省去了獨立專用PLC硬件設(shè)備，在LCU統(tǒng)一編程平臺下方便編程和管理，雙冗余配置的高性能LCU也大幅提高10 kV和400 V備自投系統(tǒng)的整體可靠性。

1.1.4機(jī)組同期控制優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組存在發(fā)電、BTB抽水、SFC抽水3種同期方式。研究發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能機(jī)組發(fā)電方向同期、BTB拖動同期、SFC拖動同期等3種并網(wǎng)方式存在一定程度的差異，如果采用與常規(guī)水電類似的單對象同期模式，存在同期失敗的風(fēng)險。為此，選用多對象同期裝置，并對每一種同期模式設(shè)置不同的控制參數(shù)。機(jī)組LCU同期選擇回路見圖2。同期控制原理見圖3。

圖2 機(jī)組LCU同期選擇回路

圖3 機(jī)組同期裝置控制回路

多對象同期方式優(yōu)化方案在深蓄電站應(yīng)用實踐效果良好，機(jī)組同期過程沖擊小，同期成功率100%。除機(jī)組同期外，深蓄電站在設(shè)備成套前，還對多個項目改進(jìn)了原設(shè)計方案，如發(fā)電機(jī)空冷器漏水自動檢測、尾閘和進(jìn)水閥等液壓系統(tǒng)通過動態(tài)仿真校正工作參數(shù)、高壓油頂起回路優(yōu)化等。

1.1.5監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合開發(fā)

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是全廠的控制核心，機(jī)組LCU采用SIEMENS的417系列CPU。深蓄電站技術(shù)人員在廠家全程參與機(jī)組LCU、廠用電LCU等系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、I/O點表、原理圖設(shè)計、控制流程、工況轉(zhuǎn)換、參數(shù)整定、流程測試、監(jiān)控畫面等全過程。在共同開發(fā)過程中，技術(shù)人員有充足的時間和機(jī)會掌握核心技術(shù)，為現(xiàn)場安裝調(diào)試打下良好的基礎(chǔ)，也為將來的運維創(chuàng)造非常有利的條件。在聯(lián)合開發(fā)過程，深蓄電站技術(shù)人員與廠家共同完成幾項重大優(yōu)化：

(1)通過搭建模擬環(huán)境對監(jiān)控系統(tǒng)LCU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煽啃赃M(jìn)行充分測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LCU的主用CPU機(jī)架網(wǎng)卡出故障時，會出現(xiàn)其他LCU無法讀取其數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。經(jīng)過優(yōu)化分析，在每套LCU增加2塊網(wǎng)卡后解決了該問題。

(2)為統(tǒng)一通信方式，方便與外部設(shè)備實現(xiàn)通信連接，經(jīng)過對機(jī)組LCU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，現(xiàn)場總線由原方案profibus改成profinet網(wǎng)絡(luò)總線，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到100 Mbps，實現(xiàn)與事故后備PLC、主變冷卻器、尾水閘門、調(diào)速器油壓系統(tǒng)、球閥等設(shè)備通信，且不增加費用。

(3)原設(shè)計中，SFC抽水和BTB抽水協(xié)調(diào)控制流程在機(jī)組公用LCU中。經(jīng)優(yōu)化后，將流程移入到機(jī)組LCU，通過橋回路由機(jī)組LCU直接控制SFC或BTB拖動，不再依賴于機(jī)組公用LCU協(xié)調(diào)，控制變得更為直接、簡單，也提高了可靠性。

1.2 優(yōu)化管理模式

1.2.1自動化元件統(tǒng)一品牌

蓄能電站所有系統(tǒng)都是由電氣、機(jī)械和自動化元器件構(gòu)成，并通過接線聯(lián)結(jié)在一起，再由程序或控制邏輯形成一個系統(tǒng)。自動化元器件是所有組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵，所有的檢測、控制都是通過自動化元件來完成。深蓄電站自動化元器件隨著主機(jī)設(shè)備招標(biāo)采購，存在相同類型和功能的元件供貨品牌過多的問題。在招標(biāo)、合同談判及后續(xù)設(shè)計聯(lián)絡(luò)會議階段，對全廠的PLC、電源模塊、繼電器、按鈕、信號燈、壓力(壓差)、測溫、液位、流量、油混水、位置(行程)、控制閥等元器件品牌進(jìn)行整合統(tǒng)一，既規(guī)范了設(shè)備安裝，也有利于減少庫存?zhèn)淦穫浼N類和數(shù)量，減少占用資金。深蓄電站自動化元件統(tǒng)計見表1。

表1 深蓄電站自動化元件

1.2.2嚴(yán)控設(shè)備出廠質(zhì)量

主機(jī)設(shè)備(包括球閥)于2014年6月啟動監(jiān)造，設(shè)在德陽、成都和哈爾濱3個點，由EDF和電能(北京)工程監(jiān)理有限公司組成EDC聯(lián)合體進(jìn)行監(jiān)造，電能(北京)負(fù)責(zé)駐廠監(jiān)造，EDF主要負(fù)責(zé)監(jiān)造報告審查和派出法方專家對關(guān)鍵點見證進(jìn)行把關(guān)(巡檢)。監(jiān)造范圍及標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《中國南方電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)造作業(yè)指導(dǎo)書第二分冊(發(fā)電廠主設(shè)備)》。

監(jiān)造過程發(fā)現(xiàn)，1號球閥鑄件閥體15處裂紋、2號機(jī)座環(huán)MT檢驗發(fā)現(xiàn)16處表面缺陷、3號和4號機(jī)上下機(jī)架Q235B鋼板屈服強(qiáng)度雙倍復(fù)驗值仍不合格等各種問題，都在出廠前得到妥善處理。主機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試期間未發(fā)生由于重大缺陷需要返廠的情況，為提高設(shè)備可靠性奠定了扎實的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場安裝及調(diào)試

2.1 機(jī)組定子鐵芯疊片質(zhì)量影響RTD安裝

1號機(jī)組定子鐵芯疊片及鐵損試驗合格后，在對定子鐵芯RTD測溫元件試裝時發(fā)現(xiàn)，安裝槽預(yù)留尺寸過小，無法裝入RTD。定子鐵芯RTD位于第37段鐵芯軛部，第37段鐵芯鐵片為特殊片，此鐵片軛部帶有RTD安裝槽(見圖4)，設(shè)計圖安裝槽尺寸為5.5 mm×12 mm(高×寬)，實際預(yù)留3 mm×12 mm。施工現(xiàn)場采取兩班作業(yè)，交接班過程未將重點注意事項交代到位，接班人員憑經(jīng)驗估計測量安裝槽，未按實際圖紙要求施工。

圖4 定子鐵芯RTD安裝(單位：mm)

由于定子鐵芯疊裝及鐵損試驗合格后下線工作也接近完工，拆除鐵芯重新疊裝需投入大量的人力物力，并且耽誤工期，影響里程碑進(jìn)度計劃。考慮到定子組裝后RTD更換困難，深蓄電站機(jī)組定子鐵芯測溫均采用雙RTD冗余的薄膜式整體封裝結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜，每臺機(jī)組定子鐵芯共安裝21個RTD。經(jīng)討論提出2個方案：一是采用單RTD結(jié)構(gòu)，無備用RTD；二是采用更小的雙RTD元件冗余結(jié)構(gòu)，但造價增加。為了不改變原有的RTD設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場確定采用后1個方案，重新訂做29個新型雙元件薄膜式RTD，21個用于安裝，8個作為備件。1號機(jī)組在調(diào)試期間及投入商運后，定子鐵芯RTD測溫運行良好，對比其他機(jī)組定子鐵芯的測溫數(shù)據(jù)，1號機(jī)組采用更小尺寸RTD元件的雙冗余結(jié)構(gòu)其性能也是穩(wěn)定可靠的。

表2 部分問題匯總

2.2 安裝調(diào)試資料維基系統(tǒng)管理

按照國家規(guī)范和南方電網(wǎng)檔案管理規(guī)定，施工前對責(zé)任單位開展檔案交底。安裝調(diào)試和試運行過程督促檢查資料整理，包括數(shù)據(jù)核對、審核簽字、掃描后錄入維基系統(tǒng)等程序，供存檔和查閱，書面資料則用于歸檔。

過程資料分為安裝、調(diào)試和試運行等3個階段。其中，調(diào)試階段包括調(diào)試進(jìn)度、調(diào)試日志、檢查記錄、調(diào)試方案、調(diào)試報告、專題會議紀(jì)要、安全交底、站班會問題清單及遺留問題等。全面開展技術(shù)資料整理，為驗收、投產(chǎn)和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督做足準(zhǔn)備。充分挖掘和利用維基系統(tǒng)功能，將安裝調(diào)試階段過程資料，包括技術(shù)手冊、圖紙、調(diào)試方案、設(shè)備定值、試驗記錄等分門別類掛入維基系統(tǒng)，既方便共享查詢，也為建立7個維度設(shè)備臺賬、體系評審等工作打好基礎(chǔ)。安裝階段資料管理見圖5。

圖5 安裝階段資料管理

2.3 設(shè)備消缺清單式管理

在設(shè)備調(diào)試、投入運行各個階段，對發(fā)現(xiàn)的缺陷按照專業(yè)或者專業(yè)配合匯總成清單，確定責(zé)任部門、工期、工作內(nèi)容、安全隔離措施等，處理完成后由專業(yè)驗收組進(jìn)行驗收。通過清單方式進(jìn)行消號管理，有效提高設(shè)備整體健康水平。部分問題匯總見表2。

2.4 階段性工作分析總結(jié)提高

1號機(jī)組試運行考核結(jié)束后，組織各參建單位召開了機(jī)組安裝調(diào)試、運行管理、消缺等方面工作總結(jié)會，分析討論余下的35項缺陷，有待優(yōu)化的項目31項。2號機(jī)組開始試運行考核后，及時制定3號機(jī)組各系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試及各系統(tǒng)跟進(jìn)人員分工計劃，根據(jù)前2臺機(jī)組安裝調(diào)試情況，整理出3號機(jī)組重點關(guān)注問題清單共27項，見表3。

表3 3號機(jī)組重點關(guān)注問題

表4 1號、2號機(jī)組在試運行考核和投產(chǎn)初期啟動失敗

2.5 機(jī)組啟動失敗故障分析及對策

1號、2號機(jī)組在試運行考核和投產(chǎn)初期發(fā)生4次啟動失敗(見表4)，簡要分析如下：

(1)在首臺機(jī)組投產(chǎn)初期，周邊環(huán)境條件比較差，容易造成灰塵堵塞勵磁裝置濾網(wǎng)，振動環(huán)境下也容易發(fā)生螺絲松動，在后續(xù)的機(jī)組投產(chǎn)時都列為重點關(guān)注點。

(2)進(jìn)水閥的插裝閥彈簧在使用中反復(fù)出現(xiàn)變形，經(jīng)過現(xiàn)場分析和廠家意見，確定在后續(xù)機(jī)組中對插裝閥換型改造。

(3)SFC輸入側(cè)地刀反饋信號不夠穩(wěn)定，存在抖動，在SFC程序中增加防抖動濾波，并檢查每次操作后信號。

(4)進(jìn)水閥的電磁閥組現(xiàn)場安裝后經(jīng)過壓力試驗，運行中管路接頭漏油，說明管路安裝過程中存在應(yīng)力，造成在振動環(huán)境中多次操作后發(fā)生接頭松脫。重新配管并校正接頭平直度，繼續(xù)觀察使用情況。

2.6 2019年主設(shè)備缺陷處理情況

2019年，按所屬設(shè)備系統(tǒng)統(tǒng)計共發(fā)現(xiàn)缺陷328項(見圖6)。其中，水機(jī)輔機(jī)、球閥、發(fā)機(jī)輔機(jī)、調(diào)速器、廠用電系統(tǒng)占缺陷總數(shù)的55%，分別是61、34、34、29、22項。截至2019年12月31日，全年發(fā)現(xiàn)缺陷已關(guān)閉273項，27項正在處理中，其他28項未處理缺陷已安排下次檢修/定檢時處理。缺陷處理情況見圖7。

圖6 主設(shè)備缺陷定級統(tǒng)計

圖7 主設(shè)備缺陷處理情況

2.7 關(guān)鍵因素管控成效顯著

深蓄電站自2017年9月首臺機(jī)組投入試運行，2018年9月4臺機(jī)組全部投產(chǎn)，統(tǒng)計至2020年11月30日，機(jī)組投入商運以來，各項指標(biāo)優(yōu)良，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)生電站設(shè)備損壞、影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定等異常情況。各年啟動運行情況見表5。

表5 各年啟動運行情況

深蓄電站機(jī)組全面國產(chǎn)化，2018年完成了2、3、4號機(jī)組安裝調(diào)試，投入商運后，全年啟動成功率比考核目標(biāo)值90%提高了9個百分點，并達(dá)到國內(nèi)進(jìn)口抽水蓄能機(jī)組建成投運后第3年的水平[1]，2019年和2020年機(jī)組啟動成功率都在顯著提升。隨著對設(shè)備質(zhì)量因素、設(shè)計、安裝以及維護(hù)等原因進(jìn)行分類消缺，設(shè)備健康狀況做到可控在控，2018年和2019年未發(fā)生主變壓器、斷路器強(qiáng)迫停運現(xiàn)象，機(jī)組等效可用系數(shù)均高于考核指標(biāo)。機(jī)組非計劃停運、強(qiáng)迫停運率大幅度下降。機(jī)組非計劃停運、強(qiáng)迫停運率見表6。

表6 機(jī)組非計劃停運、強(qiáng)迫停運率

3 結(jié) 語

深蓄電站機(jī)組設(shè)備全面國產(chǎn)化，由東電、哈電聯(lián)合生產(chǎn)，電站建設(shè)方依托南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司的專家團(tuán)隊力量，積極主動提前做好謀劃，開展優(yōu)化設(shè)計方案、落實駐廠監(jiān)造、控制設(shè)備出廠質(zhì)量、分專業(yè)跟進(jìn)設(shè)備安裝調(diào)試現(xiàn)場等。在單體調(diào)試和聯(lián)動調(diào)試過程中，專人負(fù)責(zé)提前準(zhǔn)備技術(shù)方案、試驗大綱和記錄表格，過程調(diào)試充分，盡可能暴露潛在的缺陷和隱患，并進(jìn)行清單式消號管理。設(shè)備投運后，以考核指標(biāo)為導(dǎo)向，針對設(shè)計、安裝調(diào)試、維護(hù)以及設(shè)備質(zhì)量等遺留問題，提前籌劃并在計劃檢修、特巡特維和專項消缺中落實到位。2019年深蓄電站累計發(fā)電電量和抽水電量分別為13.201、16.625億kW·h，全廠綜合效率79.41%，全年應(yīng)急啟動19臺次，累計應(yīng)急容量4 680 MW[4]。深蓄電站投入商運以來，為電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻提供了有力保障，提升了社會公眾對抽水蓄能電站綠色能源的認(rèn)識和認(rèn)可。