隨著清潔能源低碳轉型的推進，我國風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、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、促進清潔能源消納、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標、促進大氣污染防治等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
摸索到創(chuàng)新的跨越
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)定運行和供電質量起著至關重要的作用。而國外公司對研發(fā)技術嚴格保密，我國抽水蓄能機組在很長一段時間處于自我摸索階段。雖然上世紀末，國內電力裝備制造企業(yè)與國外公司進行了回龍、白山、韓國青松等項目的合作交流，積累了一定的機組設計和制造經(jīng)驗，但國內研發(fā)能力明顯不足。
2005年2月，在國家發(fā)改委的大力支持下，進一步推進了我國抽水蓄能機組國產(chǎn)化進程。以哈電電機集團哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱哈電電機）和東方電氣集團東方電機有限公司（簡稱東方電機）為代表的國內電力裝備制造企業(yè)努力搶抓機遇，在學習國外技術的同時大力推進自主創(chuàng)新，使我國的抽水蓄能機組研發(fā)能力有了質的飛躍。
作為行業(yè)龍頭企業(yè)的哈電電機和東方電機，累計參與了39座抽水蓄能電站的建設，承制了134臺套抽水蓄能機組。這些抽水蓄能機組已涵蓋所有水頭段和各檔轉速，在研發(fā)、設計、制造、質量等方面已達到了世界最先進的水平。
目前，國內已投運的單機容量最大抽水蓄能機組的為仙居電站，單機容量為375兆瓦；揚程最高的抽水蓄能電站為長龍山電站，最高揚程764米，是世界第二高水頭的抽水蓄能電站；轉輪直徑最大的抽水蓄能電站為白蓮河電站，轉輪的最大外徑為5320毫米。在制的陽江機組單機容量400兆瓦、最高揚程705.6米、額定轉速500轉每分鐘為世界級制高點項目，計劃今年年底投入商業(yè)運行。現(xiàn)正在研制單機容量425兆瓦，最高揚程約為775米，到達世界先進水平。
經(jīng)過多年發(fā)展，我國已經(jīng)建成的抽水蓄能電站在運裝機3179萬千瓦、在建裝機5063萬千瓦，成為全球抽水蓄能規(guī)模最大的國家。我國抽水蓄能技術的發(fā)展和進步得益于國家的政策、信任和支持。
為適應新型電力系統(tǒng)建設和大規(guī)模高比例新能源發(fā)展，助力國家實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，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，達到1.2億千瓦左右。這是我國抽水蓄能技術和裝備制造水平進一步躍升的重大機遇，對我國電力裝備制造行業(yè)更好地發(fā)揮助力我國經(jīng)濟社會高質量發(fā)展作用具有重要意義。
破解世界難題的水泵水輪機技術
抽水蓄能機組設計水頭高，且啟停機工況復雜，對水輪機各部件的剛強度及抗疲勞性能要求嚴格。為此，以哈電電機、東方電機為代表的我國電力裝備制造企業(yè)，在研發(fā)、設計、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)，對水泵水輪機的水力性能（包括：水輪機和水泵工況雙向能量性能優(yōu)化，正常運行區(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）進行了優(yōu)化設計，對水力通道的幾何尺寸和翼型進行優(yōu)化設計，采用定常與非定常CFD數(shù)值計算結果對水力性能進行判斷，通過模型試驗對水力模型性能進行驗證，成功掌握了水泵工況“駝峰”特性控制技術、水泵空化性能優(yōu)化技術、“S”區(qū)優(yōu)化技術、雙向效率與穩(wěn)定性匹配設計技術，滿足了水泵水輪機的穩(wěn)定、高效運行要求，可以對各水頭段水泵水輪機進行水力開發(fā)。
哈電電機的科研基地大電機研究所既是我國大電機行業(yè)的專業(yè)所，也是水電發(fā)電設備國家重點實驗室，還是國家水力發(fā)電設備工程技術研究中心，依托強有力的人才、技術、設備等研發(fā)資源，大電機研究所帶領我國行業(yè)企業(yè)開展抽水蓄能技術研究，在推進水泵水輪機的水力性能、結構剛強度及振動、軸承等方面的技術研究中發(fā)揮了重要作用。
水泵水輪機的水力開發(fā)需要通過模型試驗對設計結果進行驗證，而高水頭封閉式水泵水輪機模型試驗臺是水泵水輪機模型試驗的基礎。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)電設備設計研發(fā)能力，同時也代表著水輪機模型試驗能力的高低。我國的哈電電機、東方電機等單位也具有多座高水頭、高精度的水力性能試驗臺，可保證水泵水輪機的模型試驗結果準確性。
國內公司陸續(xù)攻克了80公斤級引水鋼岔管高強鋼焊接技術、鍛焊結構轉子軸窄間隙埋弧焊技術、長短葉片結構抽蓄轉輪裝焊技術、推力瓦巴氏合金自動堆焊技術、機器人超窄間隙MAG自動焊技術、耐磨耐腐蝕層不銹鋼自動堆焊等關鍵技術、進水球閥采用數(shù)控設備及配合智能測量技術、整體球閥制造工藝技術、水輪發(fā)電機浮動磁軛加工技術和單波紋彈性油箱數(shù)控加工技術等關鍵技術，取得相關發(fā)明及實用新型專利百余項，積累了大量的儲備技術。這些技術在提升產(chǎn)品質量、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)提供了有力的技術支撐。
結構剛強度及振動研究技術方面，利用隨時間變化的瞬態(tài)壓力場計算得到轉輪運行過程中的動態(tài)應力，能顯著提高轉輪疲勞評估準確性；在設計階段通過結構優(yōu)化改變固有頻率，避免發(fā)生動靜干涉共振風險；發(fā)電電動機轉子關鍵部件可靠性分析技術，基于FKM準則的疲勞分析技術，全面考慮疲勞影響因素，提高部件疲勞壽命計算精度；機組振動測試及現(xiàn)場動平衡試驗技術，積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗，解決無數(shù)機組振動問題。上述技術成功應用于陽江抽蓄機組等項目研發(fā)，并取得較好的效果，為后續(xù)抽蓄機組研發(fā)奠定了堅實的技術基礎。
國內電力裝備制造企業(yè)的一系列技術創(chuàng)新，提高了機組運行穩(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組上采用了新的控制策略，縮短了水泵水輪機發(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并網(wǎng)困難的世界性技術難題。
發(fā)電電動機技術持續(xù)突破
發(fā)電電動機的設計從電磁設計、通風系統(tǒng)設計、絕緣系統(tǒng)研究、軸承技術開發(fā)、剛強度及穩(wěn)定性分析技術研發(fā)等角度取得了長足進步。
在電磁性能技術研究上，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網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)值仿真分析法，結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組優(yōu)良的電磁性能，對未來大容量、高轉速蓄能機組項目的研發(fā)，具備堅實的電磁理論研究基礎。同時，我國有具有世界先進水平的試驗設備和國家級大型水電設備質量監(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)驗的電氣試驗團隊，能夠實現(xiàn)對理論計算和設計方法的不斷校驗，有效促進理論分析計算的準確性不斷提升。此外，還擁有大型水輪發(fā)電機電磁結構及性能實驗模型、分數(shù)極路比繞組抽水蓄能發(fā)電電動樣機及抽水蓄能發(fā)電電動機變頻啟動物理仿真系統(tǒng)等，能夠對后續(xù)抽蓄項目的研發(fā)提供有效模擬支撐。
在絕緣性能技術研究領域，哈電電機等國內企業(yè)擁有國內容量最大、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、防鹽霧等試驗能力。此外，在高電壓等級及高海拔環(huán)境的絕緣技術方面，積累了豐富的工程經(jīng)驗，對未來大容量、高轉速抽蓄項目的研發(fā)提供了有力支撐。
在通風冷卻技術研究方面，國內企業(yè)擁有專業(yè)的冷卻技術研究團隊，應用國際通用的Fluent、CFX、Flowmaster等流體及熱分析軟件進行電機的流場和溫度場分析，能夠有效解決電機冷卻技術研究問題。國內企業(yè)自主開發(fā)了用于模擬發(fā)電電動機流場的相似通風模型、用于高電密轉子通風結構研究的轉子共軛換熱模型、用于基礎科研的流體及換熱參數(shù)試驗臺進行有針對性的研究，解決了發(fā)電電動機通風冷卻的瓶頸問題，實現(xiàn)了抽水蓄能發(fā)電電動機容量提升過程中通風冷卻系統(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模型驗證。從研發(fā)到試驗驗證，再到工程應用、現(xiàn)場運行試驗對比，國內企業(yè)實現(xiàn)了抽水蓄能發(fā)電電動機通風冷卻系統(tǒng)的閉環(huán)研究，冷卻技術基礎扎實，創(chuàng)新能力強，可有力支撐抽水蓄能項目的推進。
在軸承技術研究方面，自寶泉、惠州、白蓮花等抽水蓄能機組技術引進開始，哈電電機和東方電機就展開了對蓄能機組雙向推力軸承的瓦面材料、支撐結構、性能計算等關鍵技術方法的研究，經(jīng)過30余年發(fā)展，各項研究內容已經(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組；在軸承支撐結構方面，開發(fā)了特有的彈性油箱支撐結構，能自動平衡瓦間負荷，提升軸承運行穩(wěn)定性，其性能處于行業(yè)領先地位；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)精準計算。除此之外，哈電電機還建設了高速推力軸承試驗臺，其試驗能力處于行業(yè)第一位置，先后進行過溧陽、深蓄、敦化、長龍山、陽江等抽水蓄能機組雙向推力軸承全尺寸模擬試驗，積累了行業(yè)內最豐富的雙向推力軸承試驗數(shù)據(jù)，為提升軸承綜合設計能力提供了堅實基礎。
與此同時，隨著近年來技術改造及信息化進程的加速，國內的工藝裝備發(fā)生了質的變化。以哈電電機為代表的國內公司早已配備了功能強勁的下料、熱處理、成型設備，類別齊全、加工范圍寬廣的系列冷加工設備，數(shù)控精大稀金屬切削設備，全自動數(shù)控加工中心、焊接機器人，以及為制造定子線棒、磁極部件、磁軛沖片等關鍵工件的專用加工設備。
經(jīng)過近二十年的高速發(fā)展，中國抽水蓄能機組裝備制造水平持續(xù)躍升、制造成就令人矚目，能夠承擔單機容量450兆瓦的抽水蓄能機組的設計和制造，水頭范圍覆蓋到800米，轉輪直徑最大可達7米，轉速從100轉每分鐘到750轉每分鐘，實現(xiàn)了單級水泵水輪發(fā)電機組水頭全覆蓋、轉速全覆蓋、容量全覆蓋，為“雙碳目標”的實施提供強有力的裝備制造支持。
可以預見，隨著抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃的落實實施，我國抽水蓄能技術和裝備制造水平將進一步躍升。（作者系系哈爾濱電機廠有限責任公司、副總設計師宮讓勤；哈爾濱電機廠有限責任公司市場部項目經(jīng)理姜宏雨）
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