我國抽水蓄能機(jī)組裝備制造水平持續(xù)躍升

隨著清潔能源低碳轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，我國風(fēng)電和太陽能等非化石能源在電網(wǎng)中的比例越來越高。但由于風(fēng)電和太陽能等新能源的間歇性特征，要更好地發(fā)揮他們的作用，電力系統(tǒng)則需要配備15%的儲能電源，以保證電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。而大量研究表明，抽水蓄能電站是最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最環(huán)保、最安全、最成熟、最靈活的大規(guī)模儲能方式。隨著我國抽水蓄能技術(shù)水平的持續(xù)躍升，抽水蓄能裝備正在保障能源電力安全、促進(jìn)清潔能源消納、實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)、促進(jìn)大氣污染防治等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

抽水蓄能電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)的重要一環(huán)，對提高整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和供電質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。而國外公司對研發(fā)技術(shù)嚴(yán)格保密，我國抽水蓄能機(jī)組在很長一段時間處于自我摸索階段。雖然上世紀(jì)末，國內(nèi)電力裝備制造企業(yè)與國外公司進(jìn)行了回龍、白山、韓國青松等項目的合作交流，積累了一定的機(jī)組設(shè)計和制造經(jīng)驗，但國內(nèi)研發(fā)能力明顯不足。

2005年2月，在國家發(fā)改委的大力支持下，進(jìn)一步推進(jìn)了我國抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化進(jìn)程。以哈電電機(jī)集團(tuán)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（簡稱哈電電機(jī)）和東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司（簡稱東方電機(jī)）為代表的國內(nèi)電力裝備制造企業(yè)努力搶抓機(jī)遇，在學(xué)習(xí)國外技術(shù)的同時大力推進(jìn)自主創(chuàng)新，使我國的抽水蓄能機(jī)組研發(fā)能力有了質(zhì)的飛躍。

作為行業(yè)龍頭企業(yè)的哈電電機(jī)和東方電機(jī)，累計參與了39座抽水蓄能電站的建設(shè)，承制了134臺套抽水蓄能機(jī)組。這些抽水蓄能機(jī)組已涵蓋所有水頭段和各檔轉(zhuǎn)速，在研發(fā)、設(shè)計、制造、質(zhì)量等方面已達(dá)到了世界最先進(jìn)的水平。

目前，國內(nèi)已投運(yùn)的單機(jī)容量最大抽水蓄能機(jī)組的為仙居電站，單機(jī)容量為375兆瓦；揚(yáng)程最高的抽水蓄能電站為長龍山電站，最高揚(yáng)程764米，是世界第二高水頭的抽水蓄能電站；轉(zhuǎn)輪直徑最大的抽水蓄能電站為白蓮河電站，轉(zhuǎn)輪的最大外徑為5320毫米。在制的陽江機(jī)組單機(jī)容量400兆瓦、最高揚(yáng)程705.6米、額定轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)每分鐘為世界級制高點項目，計劃今年年底投入商業(yè)運(yùn)行。現(xiàn)正在研制單機(jī)容量425兆瓦，最高揚(yáng)程約為775米，到達(dá)世界先進(jìn)水平。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國已經(jīng)建成的抽水蓄能電站在運(yùn)裝機(jī)3179萬千瓦、在建裝機(jī)5063萬千瓦，成為全球抽水蓄能規(guī)模最大的國家。我國抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步得益于國家的政策、信任和支持。

為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)和大規(guī)模高比例新能源發(fā)展，助力國家實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，近日，國家能源局印發(fā)了《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，規(guī)劃明確到2025年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達(dá)到6200萬千瓦以上;到2030年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番，達(dá)到1.2億千瓦左右。這是我國抽水蓄能技術(shù)和裝備制造水平進(jìn)一步躍升的重大機(jī)遇，對我國電力裝備制造行業(yè)更好地發(fā)揮助力我國經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展作用具有重要意義。

抽水蓄能機(jī)組設(shè)計水頭高，且啟停機(jī)工況復(fù)雜，對水輪機(jī)各部件的剛強(qiáng)度及抗疲勞性能要求嚴(yán)格。為此，以哈電電機(jī)、東方電機(jī)為代表的我國電力裝備制造企業(yè)，在研發(fā)、設(shè)計、制造過程中開展了大量的創(chuàng)新工作。

根據(jù)抽水蓄能電站的不同參數(shù)，對水泵水輪機(jī)的水力性能（包括：水輪機(jī)和水泵工況雙向能量性能優(yōu)化，正常運(yùn)行區(qū)壓力脈動的優(yōu)化、水泵工況“駝峰”區(qū)的優(yōu)化，水泵空化性能的優(yōu)化和“S”區(qū)的優(yōu)化等）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對水力通道的幾何尺寸和翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用定常與非定常CFD數(shù)值計算結(jié)果對水力性能進(jìn)行判斷，通過模型試驗對水力模型性能進(jìn)行驗證，成功掌握了水泵工況“駝峰”特性控制技術(shù)、水泵空化性能優(yōu)化技術(shù)、“S”區(qū)優(yōu)化技術(shù)、雙向效率與穩(wěn)定性匹配設(shè)計技術(shù)，滿足了水泵水輪機(jī)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行要求，可以對各水頭段水泵水輪機(jī)進(jìn)行水力開發(fā)。

哈電電機(jī)的科研基地大電機(jī)研究所既是我國大電機(jī)行業(yè)的專業(yè)所，也是水電發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，還是國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，依托強(qiáng)有力的人才、技術(shù)、設(shè)備等研發(fā)資源，大電機(jī)研究所帶領(lǐng)我國行業(yè)企業(yè)開展抽水蓄能技術(shù)研究，在推進(jìn)水泵水輪機(jī)的水力性能、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度及振動、軸承等方面的技術(shù)研究中發(fā)揮了重要作用。

水泵水輪機(jī)的水力開發(fā)需要通過模型試驗對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，而高水頭封閉式水泵水輪機(jī)模型試驗臺是水泵水輪機(jī)模型試驗的基礎(chǔ)。試驗臺數(shù)量的多寡與規(guī)模的大小在很大程度上代表著企業(yè)或部門水力發(fā)電設(shè)備設(shè)計研發(fā)能力，同時也代表著水輪機(jī)模型試驗?zāi)芰Φ母叩汀Ｎ覈墓婋姍C(jī)、東方電機(jī)等單位也具有多座高水頭、高精度的水力性能試驗臺，可保證水泵水輪機(jī)的模型試驗結(jié)果準(zhǔn)確性。

國內(nèi)公司陸續(xù)攻克了80公斤級引水鋼岔管高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)、鍛焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子軸窄間隙埋弧焊技術(shù)、長短葉片結(jié)構(gòu)抽蓄轉(zhuǎn)輪裝焊技術(shù)、推力瓦巴氏合金自動堆焊技術(shù)、機(jī)器人超窄間隙MAG自動焊技術(shù)、耐磨耐腐蝕層不銹鋼自動堆焊等關(guān)鍵技術(shù)、進(jìn)水球閥采用數(shù)控設(shè)備及配合智能測量技術(shù)、整體球閥制造工藝技術(shù)、水輪發(fā)電機(jī)浮動磁軛加工技術(shù)和單波紋彈性油箱數(shù)控加工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，取得相關(guān)發(fā)明及實用新型專利百余項，積累了大量的儲備技術(shù)。這些技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、自動化水平等方面效果顯著，為抽蓄市場的持續(xù)開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。

結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度及振動研究技術(shù)方面，利用隨時間變化的瞬態(tài)壓力場計算得到轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中的動態(tài)應(yīng)力，能顯著提高轉(zhuǎn)輪疲勞評估準(zhǔn)確性；在設(shè)計階段通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變固有頻率，避免發(fā)生動靜干涉共振風(fēng)險；發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部件可靠性分析技術(shù)，基于FKM準(zhǔn)則的疲勞分析技術(shù)，全面考慮疲勞影響因素，提高部件疲勞壽命計算精度；機(jī)組振動測試及現(xiàn)場動平衡試驗技術(shù)，積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗，解決無數(shù)機(jī)組振動問題。上述技術(shù)成功應(yīng)用于陽江抽蓄機(jī)組等項目研發(fā)，并取得較好的效果，為后續(xù)抽蓄機(jī)組研發(fā)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

國內(nèi)電力裝備制造企業(yè)的一系列技術(shù)創(chuàng)新，提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，實現(xiàn)了高效率和高穩(wěn)定性兼顧，特別在高水頭抽水蓄能電站機(jī)組上采用了新的控制策略，縮短了水泵水輪機(jī)發(fā)電工況啟動并網(wǎng)時間，成功攻克了水頭變幅大的水泵水輪機(jī)并網(wǎng)困難的世界性技術(shù)難題。

發(fā)電電動機(jī)的設(shè)計從電磁設(shè)計、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計、絕緣系統(tǒng)研究、軸承技術(shù)開發(fā)、剛強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析技術(shù)研發(fā)等角度取得了長足進(jìn)步。

在電磁性能技術(shù)研究上，我國擁有行業(yè)通用的Ansoft、Magnet、Flux及Simsen等電磁場及電磁暫態(tài)仿真軟件，可采用二維及三維瞬態(tài)電磁場有限元法及機(jī)網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)值仿真分析法，結(jié)合多年來積累的抽蓄項目電磁理論研究經(jīng)驗，從理論分析計算角度保證機(jī)組優(yōu)良的電磁性能，對未來大容量、高轉(zhuǎn)速蓄能機(jī)組項目的研發(fā)，具備堅實的電磁理論研究基礎(chǔ)。同時，我國有具有世界先進(jìn)水平的試驗設(shè)備和國家級大型水電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，具有豐富科研及實際工程項目性能試驗經(jīng)驗的電氣試驗團(tuán)隊，能夠?qū)崿F(xiàn)對理論計算和設(shè)計方法的不斷校驗，有效促進(jìn)理論分析計算的準(zhǔn)確性不斷提升。此外，還擁有大型水輪發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)及性能實驗?zāi)Ｐ?、分?jǐn)?shù)極路比繞組抽水蓄能發(fā)電電動樣機(jī)及抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)變頻啟動物理仿真系統(tǒng)等，能夠?qū)罄m(xù)抽蓄項目的研發(fā)提供有效模擬支撐。

在絕緣性能技術(shù)研究領(lǐng)域，哈電電機(jī)等國內(nèi)企業(yè)擁有國內(nèi)容量最大、精度最高的定子線棒冷熱循環(huán)裝置，能夠保證定子線棒擁有良好的熱穩(wěn)定性；具備電熱老化實驗、耐環(huán)境溫度、防潮、防鹽霧等試驗?zāi)芰Α４送?，在高電壓等級及高海拔環(huán)境的絕緣技術(shù)方面，積累了豐富的工程經(jīng)驗，對未來大容量、高轉(zhuǎn)速抽蓄項目的研發(fā)提供了有力支撐。

在通風(fēng)冷卻技術(shù)研究方面，國內(nèi)企業(yè)擁有專業(yè)的冷卻技術(shù)研究團(tuán)隊，應(yīng)用國際通用的Fluent、CFX、Flowmaster等流體及熱分析軟件進(jìn)行電機(jī)的流場和溫度場分析，能夠有效解決電機(jī)冷卻技術(shù)研究問題。國內(nèi)企業(yè)自主開發(fā)了用于模擬發(fā)電電動機(jī)流場的相似通風(fēng)模型、用于高電密轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)研究的轉(zhuǎn)子共軛換熱模型、用于基礎(chǔ)科研的流體及換熱參數(shù)試驗臺進(jìn)行有針對性的研究，解決了發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)冷卻的瓶頸問題，實現(xiàn)了抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)容量提升過程中通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的升級。先后完成了白鶴灘、豐寧、敦化、陽江等重點項目的通風(fēng)模型驗證。從研發(fā)到試驗驗證，再到工程應(yīng)用、現(xiàn)場運(yùn)行試驗對比，國內(nèi)企業(yè)實現(xiàn)了抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的閉環(huán)研究，冷卻技術(shù)基礎(chǔ)扎實，創(chuàng)新能力強(qiáng)，可有力支撐抽水蓄能項目的推進(jìn)。

在軸承技術(shù)研究方面，自寶泉、惠州、白蓮花等抽水蓄能機(jī)組技術(shù)引進(jìn)開始，哈電電機(jī)和東方電機(jī)就展開了對蓄能機(jī)組雙向推力軸承的瓦面材料、支撐結(jié)構(gòu)、性能計算等關(guān)鍵技術(shù)方法的研究，經(jīng)過30余年發(fā)展，各項研究內(nèi)容已經(jīng)逐漸成熟并取得了豐碩成果。在瓦面材料方面，開發(fā)出了巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦兩種瓦面材料，經(jīng)驗證兩種材料均適用于大型抽水蓄能機(jī)組；在軸承支撐結(jié)構(gòu)方面，開發(fā)了特有的彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，能自動平衡瓦間負(fù)荷，提升軸承運(yùn)行穩(wěn)定性，其性能處于行業(yè)領(lǐng)先地位；在計算方法方面，自主開發(fā)了熱彈流動力潤滑性能計算分析軟件TBearing，可對軸承承載能力實現(xiàn)精準(zhǔn)計算。除此之外，哈電電機(jī)還建設(shè)了高速推力軸承試驗臺，其試驗?zāi)芰μ幱谛袠I(yè)第一位置，先后進(jìn)行過溧陽、深蓄、敦化、長龍山、陽江等抽水蓄能機(jī)組雙向推力軸承全尺寸模擬試驗，積累了行業(yè)內(nèi)最豐富的雙向推力軸承試驗數(shù)據(jù)，為提升軸承綜合設(shè)計能力提供了堅實基礎(chǔ)。

與此同時，隨著近年來技術(shù)改造及信息化進(jìn)程的加速，國內(nèi)的工藝裝備發(fā)生了質(zhì)的變化。以哈電電機(jī)為代表的國內(nèi)公司早已配備了功能強(qiáng)勁的下料、熱處理、成型設(shè)備，類別齊全、加工范圍寬廣的系列冷加工設(shè)備，數(shù)控精大稀金屬切削設(shè)備，全自動數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人，以及為制造定子線棒、磁極部件、磁軛沖片等關(guān)鍵工件的專用加工設(shè)備。

經(jīng)過近二十年的高速發(fā)展，中國抽水蓄能機(jī)組裝備制造水平持續(xù)躍升、制造成就令人矚目，能夠承擔(dān)單機(jī)容量450兆瓦的抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計和制造，水頭范圍覆蓋到800米，轉(zhuǎn)輪直徑最大可達(dá)7米，轉(zhuǎn)速從100轉(zhuǎn)每分鐘到750轉(zhuǎn)每分鐘，實現(xiàn)了單級水泵水輪發(fā)電機(jī)組水頭全覆蓋、轉(zhuǎn)速全覆蓋、容量全覆蓋，為“雙碳目標(biāo)”的實施提供強(qiáng)有力的裝備制造支持。

可以預(yù)見，隨著抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃的落實實施，我國抽水蓄能技術(shù)和裝備制造水平將進(jìn)一步躍升。（作者系系哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、副總設(shè)計師宮讓勤；哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司市場部項目經(jīng)理姜宏雨）