簡述我國發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的自主創(chuàng)新成果

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 楊珍珠

當(dāng)今世界發(fā)電設(shè)備市場已經(jīng)處于供過于求的形勢，從而導(dǎo)致市場競爭更加激烈。美國西屋公司甚至停產(chǎn)了這種產(chǎn)品，并向外轉(zhuǎn)讓技術(shù)；GE公司也通過國際采購方式而盡量少做那些市場上能買到的大路貨；整個歐洲廠家?guī)缀醵冀y(tǒng)合到了德國西門子和法國阿爾斯通公司的旗下。許多廠商關(guān)停并轉(zhuǎn)，重組聯(lián)合，壯大實(shí)力，對長線產(chǎn)品則實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，專業(yè)化生產(chǎn)，全球化采購，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，壓低產(chǎn)品價格，強(qiáng)化競爭實(shí)力。對新產(chǎn)品則實(shí)施技術(shù)壟斷，加大利潤。競爭的主要對象是：水電領(lǐng)域有超大容量的巨型混流式水電機(jī)組（700MW以上，性能好，穩(wěn)定性高）；大容量抽水蓄能發(fā)電機(jī)組（300MW以上，采用交流勵磁進(jìn)行調(diào)速）?；痣婎I(lǐng)域有大容量高效燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；空冷熱電連產(chǎn)供熱發(fā)電機(jī)組；采用高效燃燒技術(shù)的發(fā)電機(jī)組；高溫燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組：壓縮空氣+聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。核電領(lǐng)域有1000MW級機(jī)組（要求采用先進(jìn)的堆芯，具有較高安全性和經(jīng)濟(jì)性，預(yù)防和根除事故的發(fā)生，延長運(yùn)行壽命）。風(fēng)電領(lǐng)域有MW級的大型機(jī)組。海洋發(fā)電領(lǐng)域主要是大中型燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組。市場競爭的取勝，主要取決于自主創(chuàng)新和品牌產(chǎn)品。當(dāng)前生產(chǎn)的最大發(fā)電機(jī)組國內(nèi)外對比見表1。改革開放以來，在原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新方面，我國取得了重大成果。

1 通風(fēng)冷卻科學(xué)化

1.1 蒸發(fā)冷卻

大型汽輪發(fā)電機(jī)普遍采用氫冷，它的冷卻功能遠(yuǎn)大于空冷。然而氫氣泄漏引發(fā)的爆炸危險，威脅發(fā)電廠安全運(yùn)行，內(nèi)地與香港均發(fā)生此類事故，采用蒸發(fā)冷卻就不存在這些問題。水內(nèi)冷技術(shù)雖然冷卻效果很高，但需增設(shè)昂貴的水處理系統(tǒng)，且由水泄漏而造成事故的危險，電站維護(hù)，安全運(yùn)行困難。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)泄漏量可減到最小，具有獨(dú)特的優(yōu)越性，因?yàn)樗墙^緣的液體.它采用低沸點(diǎn)（50度－60度）的新型氟碳化合物液體，具有無毒、無污染、高絕緣性能、無腐蝕性、防火、滅弧性能，且密閉、無泵自循環(huán)、運(yùn)行方便、可靠性較高，這種更加科學(xué)的冷卻技術(shù)將取代復(fù)雜的傳統(tǒng)水冷技術(shù)。采用蒸發(fā)冷卻，可節(jié)約電機(jī)成本3%－5%，冷卻系統(tǒng)基本上無維護(hù)，可減少維護(hù)工作量和費(fèi)用，增加電站經(jīng)濟(jì)效益。這種技術(shù)已經(jīng)用于5臺機(jī)組，李家峽400MW水電機(jī)組，投運(yùn)5年多，從未發(fā)生任何故障。

我國蒸發(fā)冷卻技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用填補(bǔ)了世界空白，處于世界領(lǐng)先地位。蒸發(fā)冷卻新技術(shù)是國際公認(rèn)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域4大最新進(jìn)展之一（其他3項(xiàng)為超高壓電機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)和大型空冷電機(jī)）。中科院電工所長達(dá)40多年的研究，做出了重大貢獻(xiàn)，東方電機(jī)公司首先應(yīng)用并取得成功。1996年11月，研制的最大為（李家峽）400MW機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，上海汽輪發(fā)電機(jī)有限責(zé)任公司主攻臥軸式汽發(fā)，難度較大。2005年1月24日完成的國家科技攻關(guān)項(xiàng)目《135MW蒸發(fā)冷卻汽發(fā)的開發(fā)》通過驗(yàn)收，哈電與中科院電工所合作開發(fā)了世界最大的1000MW級水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)模型模擬試驗(yàn)臺，并進(jìn)行了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的真機(jī)模擬試驗(yàn)和仿真研究。2005年11月，其試驗(yàn)研究成果通過國家鑒定，國家評審團(tuán)充分肯定了哈電為我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到大型和巨型水輪發(fā)電機(jī)上做出重大貢獻(xiàn)。

表1 國內(nèi)外制造的最大發(fā)電機(jī)組

1.2 空氣冷卻

1.2.1 水電空冷

發(fā)熱與冷卻是一項(xiàng)世界性課題，是制約電機(jī)發(fā)展的兩大主要因素之一（另一個是絕緣）。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和選型界限是“每極容量”和“風(fēng)量越大越好”，哈電機(jī)公司大膽解放思想，自主創(chuàng)新，突破這種舊框，更新理念，創(chuàng)新開發(fā)應(yīng)用了新的計(jì)算程序和相似模型驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵是找到了電機(jī)內(nèi)部各個熱源，測得了散熱系數(shù)（各國保密），使通風(fēng)設(shè)計(jì)更加科學(xué)化。開發(fā)的大型水輪發(fā)電機(jī)徑向供風(fēng)無風(fēng)扇端部回風(fēng)式通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量分配均勻，通風(fēng)損耗小，冷卻效率高，安全可靠，已被廣泛應(yīng)用。開發(fā)的大型水輪發(fā)電機(jī)全空冷新技術(shù)已成功地用于三峽700MW機(jī)組上，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。又先后用于廣西龍灘、黃河拉西瓦、云南小灣等700兆瓦級機(jī)組上。

1.2.2 火電空冷

1980年代末期，對節(jié)能和環(huán)保方面的要求日益提高，火電設(shè)備的發(fā)展也趨向于高效率化和低污染化。汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢不再是提高單機(jī)容量、實(shí)現(xiàn)大容量化，而是轉(zhuǎn)向中小容量的產(chǎn)品，以便滿足燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站的日益增長的需求。這種電站的優(yōu)點(diǎn)是可以提高效率、改善環(huán)保、縮短周期、減少投資、便于調(diào)整、節(jié)約水源、延長壽命，已經(jīng)成為老電站改造和新電站籌建的優(yōu)選方案。

用蒸汽發(fā)電已有100年歷史，而用燃?xì)獍l(fā)電則只有66年歷史。汽輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量最大為1200MW以上，達(dá)到了極限，主要采用氫氣和水來冷卻。而燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)則要求采用空氣冷卻。燃?xì)獍l(fā)電時排氣中蘊(yùn)藏有大量可以再利用的熱能，可以通過加裝余熱鍋爐和汽輪機(jī)加以回收，便出現(xiàn)了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電成套裝置。這種聯(lián)合循環(huán)電站的熱效率高達(dá)60%以上。當(dāng)今世界火電設(shè)備的市場需求主流就是這種產(chǎn)品，其中400MW以下的產(chǎn)品占80%左右，而210MW以下的高達(dá)60%以上，哈電開發(fā)的副槽通風(fēng)等新技術(shù)已成功的用于這種產(chǎn)品上。這種大型電機(jī)空氣冷卻新技術(shù)，也是國際公認(rèn)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域4大最新進(jìn)展之一。

2 絕緣技術(shù)完善化

三峽左岸機(jī)組由外商承包，國內(nèi)分包時采用了國產(chǎn)絕緣，外商檢驗(yàn)合格，卻要求再送國外復(fù)驗(yàn)，還是合格。他們不愿國產(chǎn)化，希望續(xù)用昂貴的進(jìn)口材料。國內(nèi)承包三峽右岸空冷發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)研究的完成，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。哈電開發(fā)的F級高電壓高云母含量環(huán)氧玻璃粉云母帶的粉云母紙技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，解決了高壓電機(jī)定子繞組線圈或線棒矩形截面的四個角部存在的電場集中現(xiàn)象，減薄了主絕緣厚度，提高了主絕緣導(dǎo)熱系數(shù)。哈電開發(fā)的大容量、高電壓、高云母含量、高導(dǎo)熱、減薄型新絕緣系統(tǒng)，可用于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站的500MW透平發(fā)電機(jī)組和1000MW的巨型水電機(jī)組。

3 蓄能機(jī)組國產(chǎn)化

1990年代初期，十三陵機(jī)組曾實(shí)行中外聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造，但國內(nèi)廠家（哈電和東電）只能參與分包制造，沒有制造整機(jī)的機(jī)會，不能掌握設(shè)計(jì)制造核心技術(shù)，不能具備獨(dú)立投標(biāo)資質(zhì)。即使到了本世紀(jì)初（2003年），國內(nèi)廠家自行設(shè)計(jì)制造白山、回龍蓄能機(jī)組時，其推力軸承還要從國外進(jìn)口。廣州機(jī)組至今還得采用國外進(jìn)口的推力軸承潤滑油，將來產(chǎn)品打入市場，還要向外商交付提成費(fèi)，利潤幾乎都流到國外。

推力軸承物理特性非常復(fù)雜，瓦面油膜的不等溫性、不等壓性，瓦面與鏡板的熱彈性變形等都需深入研究。影響熱彈性流體計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，是邊界條件和軸瓦，鏡板與推力頭的熱彈性變形。為掌握軸承潤滑的特性，通過聯(lián)立求解潤滑油膜的厚度，動壓（雷諾方程）、熱能量、黏度、溫度等方程和軸瓦與鏡板的熱傳導(dǎo)、熱彈性變形等方程，再迭代求出推力軸承的性能參數(shù)。哈電通過自主創(chuàng)新、研發(fā)了大型推力軸承熱彈性流體動力潤滑性能計(jì)算分析軟件，并在巖灘、天生橋、水口及三峽電站機(jī)組得到驗(yàn)證。

哈電建成了國內(nèi)最大的3000噸推力軸承試驗(yàn)臺，針對高水頭大容量高轉(zhuǎn)速的大型抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行了雙向推力軸承的多項(xiàng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究，結(jié)束了國內(nèi)沒有設(shè)計(jì)這種雙向推力軸承的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)它的國產(chǎn)化打下基礎(chǔ)。哈電自主開發(fā)的回龍60MW高水頭大容量高轉(zhuǎn)速的大型抽水蓄能機(jī)組已成功投運(yùn)。

4 風(fēng)電設(shè)備調(diào)速化

大型風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展可以分為三個階段，第一代產(chǎn)品是已經(jīng)廣泛應(yīng)用的異步發(fā)電機(jī)，除了風(fēng)輪機(jī)外，它的機(jī)艙內(nèi)還裝有齒輪箱和變壓器；第二代產(chǎn)品是近年來大量推廣應(yīng)用的雙饋式異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用變頻式供電交流勵磁，定子電樞輸出為恒頻（工頻），它取消了齒輪箱，但保留有變壓器；第三代新產(chǎn)品就是上個世紀(jì)末開發(fā)應(yīng)用的超高壓永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它不僅取消了齒輪箱，還取消了變壓器，而且采用了高壓直流輸電新技術(shù)。這種第三代新產(chǎn)品有許多優(yōu)點(diǎn)，如減少組件、簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、便于維護(hù)、延長壽命等，但是最大的經(jīng)濟(jì)效益在于投資和成本的大幅度降低，而這個優(yōu)點(diǎn)是涉及到上網(wǎng)電價的關(guān)鍵問題，也是當(dāng)今世界發(fā)展風(fēng)電的最為關(guān)注的重要指標(biāo)。

轉(zhuǎn)子采用交流勵磁新技術(shù)時可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值和相位來保證發(fā)電機(jī)始終處于最佳工況不運(yùn)行，達(dá)到高效和穩(wěn)定，即使在風(fēng)能狀態(tài)不斷變化情況下，也能使機(jī)組跟蹤最優(yōu)工況點(diǎn)，保證機(jī)組不會失步，同時提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果采用現(xiàn)代化的矢量控制，還可以在調(diào)節(jié)有功和無功功率的同時，使發(fā)電機(jī)的控制達(dá)到快速響應(yīng)。

1996年8月，國家機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金委員會下?lián)茉菏炕?0萬元來支持“380 kW交流勵磁變速恒頻發(fā)電機(jī)試驗(yàn)”項(xiàng)目。經(jīng)過多年的科研攻關(guān)，哈電開發(fā)成功了300 kW轉(zhuǎn)子采用交流勵磁且能變頻調(diào)速、而定子則仍恒頻發(fā)電的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。哈電開發(fā)的1.2MW和2.0MW這種產(chǎn)品已投運(yùn)多年，現(xiàn)正開發(fā)3MW級以上的。除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種交流勵磁調(diào)速新技術(shù)還廣泛用于抽水蓄能發(fā)電機(jī)組上。

5 穩(wěn)定運(yùn)行長壽化

當(dāng)今世界水電機(jī)組容量和尺寸不斷增大，電站水頭變化幅度也在增大，負(fù)荷范圍明顯拓寬，當(dāng)電站條件偏離甚至遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況，就會產(chǎn)生脫流和渦帶，引起水力震動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，尾水管撕裂。這種現(xiàn)象目前還不能用最先進(jìn)的數(shù)值流動分析進(jìn)行預(yù)測，而且通過模型試驗(yàn)也難以辨認(rèn)。壓力脈動是混流式轉(zhuǎn)輪本身固有特點(diǎn)所決定的，在水力設(shè)計(jì)中也是不可能完全根除的。最先進(jìn)的流體動態(tài)解析軟件也只能限于穩(wěn)態(tài)流動，它能顯示穩(wěn)態(tài)流動中是否出現(xiàn)渦帶，但是不能給出渦帶是否穩(wěn)定的結(jié)論，它是一項(xiàng)世界性課題。三峽左岸機(jī)組由外商承包，投標(biāo)時穩(wěn)定性就不合格，外商回去改進(jìn)，有些好轉(zhuǎn)，卻不理想，當(dāng)時世界水平有限。運(yùn)行證明，外商承包的三峽左岸機(jī)組14臺幾乎全部振動、噪聲。在三峽右岸機(jī)組投標(biāo)時，哈電通過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新開發(fā)的轉(zhuǎn)輪名列前茅。運(yùn)行實(shí)踐證明，穩(wěn)定性遠(yuǎn)超外商承包的左岸機(jī)組。外商承包的三峽左岸機(jī)組14臺正由國內(nèi)廠家予以改造、消除振動。

6 經(jīng)營管理網(wǎng)絡(luò)化

作為全國“現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)工程”的重點(diǎn)應(yīng)用示范工程企業(yè)，哈電獲得了最高分。這種集成系統(tǒng)工程的目標(biāo)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代化的經(jīng)營管理模式為核心，吸取并行工程思想，在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立項(xiàng)目管理／綜合管理系統(tǒng)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝一體化，依靠信息技術(shù)，把企業(yè)的人、財(cái)、物與技術(shù)集成為一個整體的優(yōu)化系統(tǒng)，促進(jìn)全面提高企業(yè)快速響應(yīng)市場、提高質(zhì)量、降低成本、優(yōu)良服務(wù)的能力，并確保成為國際同行中競爭力極強(qiáng)的著名企業(yè)。

由于實(shí)現(xiàn)了集成化，實(shí)現(xiàn)了以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程與信息的集成，以生產(chǎn)計(jì)劃為中心的管理系統(tǒng)的集成，以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與其他管理系統(tǒng)之間的集成和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的集成，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平與效率?；趯＜蚁到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)、基于三維造型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及快速投標(biāo)報價等，增強(qiáng)了企業(yè)的國內(nèi)外市場競爭實(shí)力。開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的根本功效是好、快、省，即提高質(zhì)量、縮短周期、降低成本，保證企業(yè)的生存和發(fā)展。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化、生產(chǎn)管理信息化、加工制造自動化的新型企業(yè)模式。哈電通過集成創(chuàng)新開發(fā)和應(yīng)用的這種系統(tǒng)工程已通過國家驗(yàn)收，并在全國同行企業(yè)推廣應(yīng)用、實(shí)施聯(lián)網(wǎng)、信息共享。

7 創(chuàng)新體系擴(kuò)大化

為了提高企業(yè)核心競爭力，哈電建立了符合市場經(jīng)濟(jì)要求的科研、技術(shù)創(chuàng)新體系和機(jī)制。成立了由著名專家組成的技術(shù)咨詢委員會并與清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合建立技術(shù)開發(fā)合作關(guān)系。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研大聯(lián)合，開展基礎(chǔ)理論、學(xué)術(shù)研究，大力推進(jìn)原始創(chuàng)新。在國家科委、國資委批準(zhǔn)哈電集團(tuán)為“發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心”以后，又獲準(zhǔn)建立了“國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心”、“水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室”、“大型水力發(fā)電設(shè)備和大型電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心”等。

早在1990年就在渤海灣的葫蘆島上建成并投產(chǎn)了東北濱海水電設(shè)備大件加工廠(現(xiàn)名為葫蘆島濱海水電大件制造有限責(zé)任公司)，是由哈電與原渤海造船廠合資興建的海岸工廠。組焊加工后的水電大件經(jīng)過海上和江上運(yùn)往電站工地（如三峽）。近年，在發(fā)改委、國資委領(lǐng)導(dǎo)下，已加盟哈電的昆明電機(jī)廠正在熱火朝天地?cái)U(kuò)建新廠房、安裝現(xiàn)代化大型加工設(shè)備。從大東北到大西南，幾乎穿越全國，實(shí)現(xiàn)南北合作、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。水力資源多在大西南。就地制造、就近安裝，縮短了運(yùn)輸距離，方便了售后服務(wù)，強(qiáng)化了市場競爭實(shí)力。最近，又開辟了一條跨國的江海聯(lián)運(yùn)通道，即將發(fā)電設(shè)備的大型部件由哈市松花江運(yùn)到撫遠(yuǎn)港口，換裝江海聯(lián)運(yùn)船后，經(jīng)俄羅斯內(nèi)河到達(dá)尼古拉耶夫（廟街）出海，運(yùn)往電站工地（如三百門1000MW火電定子）。

哈電先后申報并獲準(zhǔn)了下述9種國家專利：（1）具有內(nèi)外機(jī)座的汽輪發(fā)電機(jī)；（2）曲線坡口機(jī)；（3）浮動式迷宮螺旋復(fù)合密封裝置；（4）軍用直流幅壓發(fā)電機(jī)；（5）靜壓軸承變恒流量供油系統(tǒng)；（6）半屏蔽強(qiáng)制循環(huán)泵電機(jī)；（7）-混流式水輪機(jī)變頻轉(zhuǎn)輪；（8）混流式水輪機(jī)L型葉片轉(zhuǎn)輪；（9）控制頭等。這些專利技術(shù)充分顯示了哈電自主創(chuàng)新的特色。