中國(guó)水電設(shè)備的技術(shù)進(jìn)展

孫玉田 魏顯著 陳太平

(哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

當(dāng)前，我國(guó)正面臨能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。我國(guó)化石能源的儲(chǔ)量十分有限，能源轉(zhuǎn)型需要發(fā)展清潔的可再生能源[1-2]。

水電是綠色的可再生能源，積極開發(fā)水電資源符合“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)下的能源發(fā)展規(guī)劃要求。而我國(guó)水電的開發(fā)程度大約為30%多，仍存在很大的開發(fā)潛力?？紤]化石能源的資源儲(chǔ)量有限、化石能源生產(chǎn)過程的排放對(duì)地球的氣候變化帶來(lái)不利的影響，積極發(fā)展水電是人類社會(huì)綠色、減排，可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

為了配合電力系統(tǒng)對(duì)新能源發(fā)電(風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電等)的消納，我國(guó)需要裝備大量的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組是目前最經(jīng)濟(jì)、最高效的電力調(diào)節(jié)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各國(guó)的電力系統(tǒng)中。

水電機(jī)組是水力發(fā)電與儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的主力設(shè)備。我國(guó)水力發(fā)電設(shè)備走過了從葛洲壩、三峽、到白鶴灘等電站里程碑式的輝煌歷程。圖1展現(xiàn)了我國(guó)水電設(shè)備近年來(lái)裝機(jī)容量快速發(fā)展的足跡。中國(guó)水電裝機(jī)容量在2022年預(yù)計(jì)將達(dá)到4.39億kW，占世界水電裝機(jī)總量的首位。盡管中國(guó)水電設(shè)備裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到世界最高，但水力發(fā)電占本國(guó)電力比重僅為17%，遠(yuǎn)低于巴西64%、加拿大60%?？梢姡窈筝^長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，開發(fā)水電，推動(dòng)水力發(fā)電設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步仍是一項(xiàng)重要任務(wù)。

(a)水力發(fā)電量

1 水力發(fā)電設(shè)備的發(fā)展

我國(guó)從1951年生產(chǎn)國(guó)內(nèi)首臺(tái)單機(jī)容量0.8MW的下硐水輪發(fā)電機(jī)組開始到單機(jī)容量800 MW向家壩水輪發(fā)電機(jī)組，直至目前1000 MW白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)組，經(jīng)歷了早期的自力更生、到技術(shù)引進(jìn)再創(chuàng)新、到自主創(chuàng)新的發(fā)展歷程[3]。

1.1 水電站水輪機(jī)

圖2給出了不同類型水輪機(jī)及適用的水頭范圍。水輪機(jī)按水流作用原理分為兩類：(1)同時(shí)利用水流動(dòng)能和勢(shì)能的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)；(2)僅利用水流動(dòng)能的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)。反擊式水輪機(jī)可分混流式、軸流式、斜流式、貫流式等，沖擊式可分為水斗式、雙擊式、斜擊式等。

圖2 水輪機(jī)型式及水頭適用范圍

我國(guó)水輪機(jī)產(chǎn)品研制與水電機(jī)組同步進(jìn)行，自主開發(fā)與國(guó)際合作相結(jié)合。近年來(lái)，我國(guó)水輪機(jī)技術(shù)總體上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在一些領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，見表1。

表1 世界及中國(guó)水輪機(jī)主要機(jī)型單機(jī)容量之最

(1)混流式水輪機(jī)

我國(guó)混流式機(jī)組技術(shù)自三峽右岸機(jī)組以來(lái)，在模型最高效率上不斷刷新記錄，在容量等級(jí)上穩(wěn)步提升，2013年國(guó)產(chǎn)的溪洛渡770 MW機(jī)組以及向家壩800 MW機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異，標(biāo)志著我國(guó)水輪機(jī)制造能力、大型混流式水輪機(jī)研制方面已經(jīng)走在了世界前列，處于世界先進(jìn)水平。2021年白鶴灘水電站首批機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志我國(guó)混流式水輪機(jī)技術(shù)進(jìn)入了新的時(shí)代[4]。

(2)軸流式水輪機(jī)

我國(guó)軸流式水輪機(jī)的研制經(jīng)過幾十年的努力，全面掌握了關(guān)鍵技術(shù)并有所發(fā)展。20世紀(jì)80年代，獨(dú)立研制了以葛洲壩為代表的軸流式水輪機(jī)，其中一臺(tái)單機(jī)出力125 MW機(jī)型獲得國(guó)家金獎(jiǎng)，另一臺(tái)單機(jī)出力170 MW機(jī)型，轉(zhuǎn)輪直徑11.7 m，是世界上直徑最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)[5]。

20世紀(jì)90年代，與國(guó)外合作，研制了以水口電站為代表的高水頭軸流式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪直徑為8 m，單機(jī)出力為200 MW，為世界上單機(jī)出力最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。

(3)貫流式水輪機(jī)

2001年，國(guó)內(nèi)自行研制的首臺(tái)30 MW大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組在四川紅巖子電站成功投運(yùn)，填補(bǔ)了我國(guó)大型燈泡貫流式機(jī)組自主研制的空白。2009年，我國(guó)中標(biāo)為巴西杰瑞電站開發(fā)的貫流機(jī)組容量已達(dá)75 MW，直徑達(dá)到7.9 m，成為世界單機(jī)容量最大燈泡貫流式機(jī)組。

1.2 水電站水輪發(fā)電機(jī)

從冷卻技術(shù)上，大型水輪發(fā)電機(jī)主要分為三種類型，即，全空冷水輪發(fā)電機(jī)、蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)、水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)。全空冷電機(jī)是借助空氣的流動(dòng)進(jìn)行傳熱冷卻的電機(jī)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，受到了用戶的廣泛歡迎和采用。

我國(guó)在三峽右岸電站700MW水輪發(fā)電機(jī)的研發(fā)上，首次實(shí)現(xiàn)了巨型水輪發(fā)電機(jī)的全空冷方案，以后，從溪洛渡、向家壩、到白鶴灘，我國(guó)的全空冷水輪發(fā)電機(jī)一直處于世界領(lǐng)先地位。

若全空氣冷卻機(jī)組無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可以使用內(nèi)冷方案的機(jī)組。內(nèi)冷方案包括水內(nèi)冷方案和蒸發(fā)冷卻方案。其中，水內(nèi)冷方案由于其安全程度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)已面臨淘汰，因此在這種情況下，蒸發(fā)冷卻方案便是最好的選擇。

蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)組是中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水輪發(fā)電機(jī)組。目前，全世界采用該類型機(jī)組的電站共有四個(gè)，即大寨電站(單機(jī)容量10 MW)、安康電站(單機(jī)容量200 MW)、李家峽電站(單機(jī)容量400 MW)及三峽電站(單機(jī)容量700 MW)，全部為中國(guó)自主產(chǎn)品。

目前，我國(guó)的水輪發(fā)電機(jī)還是以全空氣冷卻形式為主。具體應(yīng)用上，常規(guī)水電可分為立式水輪發(fā)電機(jī)和臥式水輪發(fā)電機(jī)，后者在我國(guó)主要以燈泡式水輪發(fā)電機(jī)為主。抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的已有產(chǎn)品均為同步(定速)發(fā)電電動(dòng)機(jī)；為了適應(yīng)水頭變化和電力調(diào)節(jié)的深度需求，一種基于雙饋電機(jī)的新型變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)正在起步。

(1)立式水輪發(fā)電機(jī)

該類型發(fā)電機(jī)通常適合與軸流式及混流式水輪機(jī)配合發(fā)電，其在水電市場(chǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入到21世紀(jì)后，立式水輪發(fā)電機(jī)得到了飛速發(fā)展，世界上單機(jī)容量大于700 MVA水電機(jī)組統(tǒng)計(jì)情況見表2。由表可知，世界范圍內(nèi)，中國(guó)大型水電機(jī)組的發(fā)展十分重要[6]。

表2 世界上單機(jī)容量大于700 MVA水電機(jī)組統(tǒng)計(jì)

表2中，中國(guó)電站的水輪發(fā)電機(jī)除三峽左岸是水冷水輪發(fā)電機(jī)，三峽地下電站有二臺(tái)蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)外，其余全部是全空冷水輪發(fā)電機(jī)[7]。

巨型水輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)步，標(biāo)志著我國(guó)在大型立式水輪發(fā)電機(jī)的電磁性能、冷卻技術(shù)、推力軸承、高壓絕緣以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都取得了顯著的成績(jī)。

(2)燈泡式水輪發(fā)電機(jī)

該類型發(fā)電機(jī)較適合于低水頭流域的貫流式水輪機(jī)配合發(fā)電，其特點(diǎn)為電機(jī)呈細(xì)長(zhǎng)型，電磁設(shè)計(jì)難度較大。燈泡式水輪發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮通風(fēng)冷卻，同時(shí)要合理設(shè)計(jì)阻尼繞組，防止出現(xiàn)電蝕現(xiàn)象。對(duì)于其軸承，要重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，尤其是徑向軸承和正反推力軸承的設(shè)計(jì)。

在中國(guó)，燈泡式水輪發(fā)電機(jī)得到了快速發(fā)展。其制造業(yè)的發(fā)展情況如圖3所示，其中，中國(guó)公司承制的巴西杰瑞電站燈泡式水輪發(fā)電機(jī)是世界最大的燈泡式水輪發(fā)電機(jī)。

圖3 燈泡式水輪發(fā)電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展

2 抽水蓄能機(jī)組的發(fā)展

抽水蓄能機(jī)組將抽水與發(fā)電機(jī)功能集于一體，如圖4所示。在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)抽水蓄能機(jī)組抽水運(yùn)行，從下水庫(kù)向上水庫(kù)抽水，將電能以水的勢(shì)能方式存儲(chǔ)起來(lái)；在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)作發(fā)電運(yùn)行，從上水庫(kù)向下水庫(kù)放水發(fā)電，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。由此實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)作用。

圖4 抽水蓄能電站示意圖

我國(guó)抽水蓄能機(jī)組技術(shù)起步較晚，從1980年左右到20世紀(jì)90年代初，我國(guó)有關(guān)企業(yè)、科研院所和大學(xué)等單位進(jìn)行了開發(fā)性研究，但是并沒有形成產(chǎn)業(yè)化，這期間陸續(xù)建成的大型抽水蓄能電站機(jī)組全部為進(jìn)口設(shè)備[8]。

2000年以后，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過技術(shù)合作的方式進(jìn)行了抽水蓄能技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收。2005年起，哈電與東電聯(lián)合開展了寶泉、白蓮河和惠州電站的打捆招標(biāo)技術(shù)引進(jìn)工作，合作生產(chǎn)的產(chǎn)品分別于2009年到2011年在三座電站投入運(yùn)行。此后，完全自主開發(fā)的250 MW響水澗電站抽水蓄能機(jī)組于2012年投入運(yùn)行，成為首臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化抽水蓄能機(jī)組。表3為國(guó)內(nèi)近年開發(fā)的大容量抽水蓄能機(jī)組情況。

表3 我國(guó)大容量抽水蓄能機(jī)組情況

近年來(lái)，我國(guó)抽水蓄能機(jī)組取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已具備完全自主研制能力。機(jī)組轉(zhuǎn)輪在“S區(qū)”和“駝峰區(qū)”的穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。在單機(jī)容量和最高水頭/揚(yáng)程方面已接近國(guó)際最高水平。我國(guó)目前主流產(chǎn)品500 m水頭左右、300 MW功率等級(jí)機(jī)組整體水平達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。

在200 m及以下水頭由于項(xiàng)目少，相應(yīng)水頭水泵水輪機(jī)模型性能與國(guó)外尚有較大差距，但完全具備開發(fā)能力。

3 水電設(shè)備智能運(yùn)維技術(shù)

近年來(lái)，水電設(shè)備數(shù)字化、智能化技術(shù)引起廣泛關(guān)注，并快速發(fā)展。2017～2020年，哈電集團(tuán)承擔(dān)國(guó)家工業(yè)與信息化部、財(cái)政部2017年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)(中國(guó)制造2025)資金“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目”——水力發(fā)電設(shè)備智能遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式項(xiàng)目，探索水力發(fā)電設(shè)備行業(yè)智能化發(fā)展的新方向，成果于2020年5月通過國(guó)家驗(yàn)收。2021年至今，承擔(dān)工信部專項(xiàng)“發(fā)電行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生全生命周期管理系統(tǒng)”，建立了發(fā)電行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)用新體系。哈電集團(tuán)數(shù)字化、智能化應(yīng)用產(chǎn)品已在國(guó)網(wǎng)新源豐滿、黔源電力董箐、雅礱江兩河口等電站上工程化應(yīng)用。正在進(jìn)行豐寧、荒溝抽水蓄能、長(zhǎng)河壩、加查、三峽、托巴等電站的數(shù)字化、智能化新產(chǎn)品開發(fā)，形成了初步的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

4 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的水電設(shè)備經(jīng)過多年的努力，產(chǎn)品技術(shù)不斷進(jìn)步，在某些方面已經(jīng)走到了世界前沿。未來(lái)一段時(shí)間，水電設(shè)備及技術(shù)還將朝著高效發(fā)電、深度儲(chǔ)能、靈活調(diào)節(jié)、環(huán)境友好等方向發(fā)展。

(1)寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行

受諸多條件的限制，水電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷范圍在45%～100%之間，在45%負(fù)荷以下禁止運(yùn)行，有些大型電站甚至禁止在60%負(fù)荷以下運(yùn)行。從提高水電機(jī)組在電網(wǎng)中的調(diào)控能力和靈活性的角度，尤其考慮與不斷增長(zhǎng)的風(fēng)光能源互補(bǔ)方面，需拓展水電機(jī)組水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷范圍。

(2)可變速抽水蓄能機(jī)組

變速抽水蓄能機(jī)組具有變速恒頻發(fā)電能力，因而可以更好地適應(yīng)水力條件的變化，滿足電網(wǎng)對(duì)有功調(diào)峰、無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?，可以滿足電力系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求。國(guó)外最大的變速抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到400 MW、轉(zhuǎn)速500 r/min的水平，而國(guó)內(nèi)變速抽水蓄能機(jī)組的開發(fā)才剛剛起步。

為增加電力系統(tǒng)對(duì)新能源的消納水平，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有必要攻克大型變速抽水蓄能機(jī)組的制造瓶頸，開發(fā)一批雙饋型可變速抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。

(3)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)

為水力發(fā)電所修建的攔河大壩對(duì)河流生態(tài)、水生生命會(huì)有一定影響?，F(xiàn)有水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的油脂泄露(如轉(zhuǎn)動(dòng)部件及操作機(jī)構(gòu))會(huì)對(duì)下游河流造成污染，同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪會(huì)導(dǎo)致部分魚類不能順利通過。開發(fā)新型水輪機(jī)，使其向友善于環(huán)保和生態(tài)的方向發(fā)展。最新的水輪機(jī)設(shè)計(jì)趨向于減少水下部件所需的潤(rùn)滑。目前，水輪機(jī)中已有部分驅(qū)動(dòng)采用電驅(qū)動(dòng)或水等環(huán)保介質(zhì)替代潤(rùn)滑劑。通過這些環(huán)境保護(hù)上的努力，使水電機(jī)組的開發(fā)朝向生態(tài)友好的方向發(fā)展。

(4)多級(jí)抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)

目前我國(guó)商業(yè)化的抽水蓄能機(jī)組多數(shù)為水頭500 m以下、功率在300 MW等級(jí)。更高水頭、更大容量的機(jī)組有待于進(jìn)一步的開發(fā)。對(duì)更高水頭站址的水電機(jī)組，需加強(qiáng)多級(jí)抽水蓄能機(jī)組的研發(fā)力度，開展更深入的理論和技術(shù)攻關(guān)[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

水電設(shè)備擁有廣闊的發(fā)展空間。三峽、溪洛渡、向家壩到白鶴灘電站的投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)水電產(chǎn)品總體上已經(jīng)達(dá)到了世界前沿水平。我國(guó)的水電設(shè)備品種豐富，全空冷機(jī)組處于世界領(lǐng)先水平，蒸發(fā)冷卻機(jī)組是中國(guó)獨(dú)有的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，燈泡貫流式機(jī)組也走在世界前列。

未來(lái)，基于與風(fēng)光電能互補(bǔ)和促進(jìn)消納的需求，抽水蓄能機(jī)組將會(huì)迎來(lái)大發(fā)展，變速抽水蓄能機(jī)組是重點(diǎn)突破和應(yīng)用方向，為增強(qiáng)水電機(jī)組在電網(wǎng)中的調(diào)控能力和靈活性，拓展水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍是重要演技課題，在國(guó)家《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)》雅魯藏布江下游水電開發(fā)戰(zhàn)略需求下，沖擊式水輪機(jī)技術(shù)會(huì)得到大幅提升。

我國(guó)水資源理論蘊(yùn)藏量豐富，我國(guó)的水電開發(fā)還有較大的發(fā)展空間，相信在此過程中，水力發(fā)電設(shè)備技術(shù)會(huì)得到進(jìn)一步的提升。