中國水電設備的技術進展

孫玉田 魏顯著 陳太平

(哈爾濱電氣集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

當前，我國正面臨能源結構轉型的挑戰。我國化石能源的儲量十分有限，能源轉型需要發展清潔的可再生能源[1-2]。

水電是綠色的可再生能源，積極開發水電資源符合“碳中和、碳達峰”目標下的能源發展規劃要求。而我國水電的開發程度大約為30%多，仍存在很大的開發潛力?？紤]化石能源的資源儲量有限、化石能源生產過程的排放對地球的氣候變化帶來不利的影響，積極發展水電是人類社會綠色、減排，可持續發展的必經之路。

為了配合電力系統對新能源發電(風力發電和太陽能發電等)的消納，我國需要裝備大量的抽水蓄能發電電動機組，來對電力系統的有功功率和無功功率進行調節。抽水蓄能發電電動機組是目前最經濟、最高效的電力調節設備，廣泛應用于各國的電力系統中。

水電機組是水力發電與儲能調節的主力設備。我國水力發電設備走過了從葛洲壩、三峽、到白鶴灘等電站里程碑式的輝煌歷程。圖1展現了我國水電設備近年來裝機容量快速發展的足跡。中國水電裝機容量在2022年預計將達到4.39億kW，占世界水電裝機總量的首位。盡管中國水電設備裝機容量已經達到世界最高，但水力發電占本國電力比重僅為17%，遠低于巴西64%、加拿大60%?？梢?，今后較長一段時間內，開發水電，推動水力發電設備的技術進步仍是一項重要任務。

(a)水力發電量

1 水力發電設備的發展

我國從1951年生產國內首臺單機容量0.8MW的下硐水輪發電機組開始到單機容量800 MW向家壩水輪發電機組，直至目前1000 MW白鶴灘水輪發電機組，經歷了早期的自力更生、到技術引進再創新、到自主創新的發展歷程[3]。

1.1 水電站水輪機

圖2給出了不同類型水輪機及適用的水頭范圍。水輪機按水流作用原理分為兩類：(1)同時利用水流動能和勢能的水輪機稱為反擊式水輪機；(2)僅利用水流動能的水輪機稱為沖擊式水輪機。反擊式水輪機可分混流式、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 水輪機型式及水頭適用范圍

我國水輪機產品研制與水電機組同步進行，自主開發與國際合作相結合。近年來，我國水輪機技術總體上已達到國際先進水平，在一些領域已達到國際領先水平，見表1。

表1 世界及中國水輪機主要機型單機容量之最

(1)混流式水輪機

我國混流式機組技術自三峽右岸機組以來，在模型最高效率上不斷刷新記錄，在容量等級上穩步提升，2013年國產的溪洛渡770 MW機組以及向家壩800 MW機組相繼投入商業運行，機組各項指標優異，標志著我國水輪機制造能力、大型混流式水輪機研制方面已經走在了世界前列，處于世界先進水平。2021年白鶴灘水電站首批機組正式投產發電，標志我國混流式水輪機技術進入了新的時代[4]。

(2)軸流式水輪機

我國軸流式水輪機的研制經過幾十年的努力，全面掌握了關鍵技術并有所發展。20世紀80年代，獨立研制了以葛洲壩為代表的軸流式水輪機，其中一臺單機出力125 MW機型獲得國家金獎，另一臺單機出力170 MW機型，轉輪直徑11.7 m，是世界上直徑最大的軸流轉槳式水輪機[5]。

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

(3)貫流式水輪機

2001年，國內自行研制的首臺30 MW大型燈泡貫流式水輪發電機組在四川紅巖子電站成功投運，填補了我國大型燈泡貫流式機組自主研制的空白。2009年，我國中標為巴西杰瑞電站開發的貫流機組容量已達75 MW，直徑達到7.9 m，成為世界單機容量最大燈泡貫流式機組。

1.2 水電站水輪發電機

從冷卻技術上，大型水輪發電機主要分為三種類型，即，全空冷水輪發電機、蒸發冷卻水輪發電機、水內冷水輪發電機。全空冷電機是借助空氣的流動進行傳熱冷卻的電機。由于其具有結構簡單、運行可靠性高等優點，受到了用戶的廣泛歡迎和采用。

我國在三峽右岸電站700MW水輪發電機的研發上，首次實現了巨型水輪發電機的全空冷方案，以后，從溪洛渡、向家壩、到白鶴灘，我國的全空冷水輪發電機一直處于世界領先地位。

若全空氣冷卻機組無法實現，可以使用內冷方案的機組。內冷方案包括水內冷方案和蒸發冷卻方案。其中，水內冷方案由于其安全程度低、結構復雜，在國內已面臨淘汰，因此在這種情況下，蒸發冷卻方案便是最好的選擇。

蒸發冷卻水輪發電機組是中國具有自主知識產權的水輪發電機組。目前，全世界采用該類型機組的電站共有四個，即大寨電站(單機容量10 MW)、安康電站(單機容量200 MW)、李家峽電站(單機容量400 MW)及三峽電站(單機容量700 MW)，全部為中國自主產品。

目前，我國的水輪發電機還是以全空氣冷卻形式為主。具體應用上，常規水電可分為立式水輪發電機和臥式水輪發電機，后者在我國主要以燈泡式水輪發電機為主。抽水蓄能發電電動機的已有產品均為同步(定速)發電電動機；為了適應水頭變化和電力調節的深度需求，一種基于雙饋電機的新型變速發電電動機正在起步。

(1)立式水輪發電機

該類型發電機通常適合與軸流式及混流式水輪機配合發電，其在水電市場中得到廣泛的應用。進入到21世紀后，立式水輪發電機得到了飛速發展，世界上單機容量大于700 MVA水電機組統計情況見表2。由表可知，世界范圍內，中國大型水電機組的發展十分重要[6]。

表2 世界上單機容量大于700 MVA水電機組統計

表2中，中國電站的水輪發電機除三峽左岸是水冷水輪發電機，三峽地下電站有二臺蒸發冷卻水輪發電機外，其余全部是全空冷水輪發電機[7]。

巨型水輪發電機的進步，標志著我國在大型立式水輪發電機的電磁性能、冷卻技術、推力軸承、高壓絕緣以及機械結構設計等方面都取得了顯著的成績。

(2)燈泡式水輪發電機

該類型發電機較適合于低水頭流域的貫流式水輪機配合發電，其特點為電機呈細長型，電磁設計難度較大。燈泡式水輪發電機的電磁設計需重點考慮通風冷卻，同時要合理設計阻尼繞組，防止出現電蝕現象。對于其軸承，要重點考慮結構設計問題，尤其是徑向軸承和正反推力軸承的設計。

在中國，燈泡式水輪發電機得到了快速發展。其制造業的發展情況如圖3所示，其中，中國公司承制的巴西杰瑞電站燈泡式水輪發電機是世界最大的燈泡式水輪發電機。

圖3 燈泡式水輪發電機制造業的發展

2 抽水蓄能機組的發展

抽水蓄能機組將抽水與發電機功能集于一體，如圖4所示。在電力系統負荷低谷時抽水蓄能機組抽水運行，從下水庫向上水庫抽水，將電能以水的勢能方式存儲起來；在電力系統負荷高峰時作發電運行，從上水庫向下水庫放水發電，將水的勢能轉換為電能。由此實現電力系統的功率調節作用。

圖4 抽水蓄能電站示意圖

我國抽水蓄能機組技術起步較晚，從1980年左右到20世紀90年代初，我國有關企業、科研院所和大學等單位進行了開發性研究，但是并沒有形成產業化，這期間陸續建成的大型抽水蓄能電站機組全部為進口設備[8]。

2000年以后，國內企業通過技術合作的方式進行了抽水蓄能技術的引進和消化吸收。2005年起，哈電與東電聯合開展了寶泉、白蓮河和惠州電站的打捆招標技術引進工作，合作生產的產品分別于2009年到2011年在三座電站投入運行。此后，完全自主開發的250 MW響水澗電站抽水蓄能機組于2012年投入運行，成為首臺全國產化抽水蓄能機組。表3為國內近年開發的大容量抽水蓄能機組情況。

表3 我國大容量抽水蓄能機組情況

近年來，我國抽水蓄能機組取得了長足的進步，已具備完全自主研制能力。機組轉輪在“S區”和“駝峰區”的穩定運行達到了世界領先水平。在單機容量和最高水頭/揚程方面已接近國際最高水平。我國目前主流產品500 m水頭左右、300 MW功率等級機組整體水平達國際先進水平。

在200 m及以下水頭由于項目少，相應水頭水泵水輪機模型性能與國外尚有較大差距，但完全具備開發能力。

3 水電設備智能運維技術

近年來，水電設備數字化、智能化技術引起廣泛關注，并快速發展。2017～2020年，哈電集團承擔國家工業與信息化部、財政部2017年工業轉型升級(中國制造2025)資金“智能制造綜合標準化與新模式應用項目”——水力發電設備智能遠程運維新模式項目，探索水力發電設備行業智能化發展的新方向，成果于2020年5月通過國家驗收。2021年至今，承擔工信部專項“發電行業關鍵設備數字孿生全生命周期管理系統”，建立了發電行業關鍵設備數字孿生應用新體系。哈電集團數字化、智能化應用產品已在國網新源豐滿、黔源電力董箐、雅礱江兩河口等電站上工程化應用。正在進行豐寧、荒溝抽水蓄能、長河壩、加查、三峽、托巴等電站的數字化、智能化新產品開發，形成了初步的產業規模。

4 發展趨勢

我國的水電設備經過多年的努力，產品技術不斷進步，在某些方面已經走到了世界前沿。未來一段時間，水電設備及技術還將朝著高效發電、深度儲能、靈活調節、環境友好等方向發展。

(1)寬負荷穩定運行

受諸多條件的限制，水電機組的運行負荷范圍在45%～100%之間，在45%負荷以下禁止運行，有些大型電站甚至禁止在60%負荷以下運行。從提高水電機組在電網中的調控能力和靈活性的角度，尤其考慮與不斷增長的風光能源互補方面，需拓展水電機組水輪機的穩定運行負荷范圍。

(2)可變速抽水蓄能機組

變速抽水蓄能機組具有變速恒頻發電能力，因而可以更好地適應水力條件的變化，滿足電網對有功調峰、無功補償的要求，可以滿足電力系統的快速響應要求。國外最大的變速抽水蓄能機組單機容量已經達到400 MW、轉速500 r/min的水平，而國內變速抽水蓄能機組的開發才剛剛起步。

為增加電力系統對新能源的消納水平，提高電網運行的穩定性，有必要攻克大型變速抽水蓄能機組的制造瓶頸，開發一批雙饋型可變速抽水蓄能發電電動機組。

(3)生態環保設計

為水力發電所修建的攔河大壩對河流生態、水生生命會有一定影響?，F有水輪機結構的油脂泄露(如轉動部件及操作機構)會對下游河流造成污染，同時，高速旋轉的水輪機轉輪會導致部分魚類不能順利通過。開發新型水輪機，使其向友善于環保和生態的方向發展。最新的水輪機設計趨向于減少水下部件所需的潤滑。目前，水輪機中已有部分驅動采用電驅動或水等環保介質替代潤滑劑。通過這些環境保護上的努力，使水電機組的開發朝向生態友好的方向發展。

(4)多級抽水蓄能機組水輪機

目前我國商業化的抽水蓄能機組多數為水頭500 m以下、功率在300 MW等級。更高水頭、更大容量的機組有待于進一步的開發。對更高水頭站址的水電機組，需加強多級抽水蓄能機組的研發力度，開展更深入的理論和技術攻關[9]。

5 結束語

水電設備擁有廣闊的發展空間。三峽、溪洛渡、向家壩到白鶴灘電站的投運，標志著我國水電產品總體上已經達到了世界前沿水平。我國的水電設備品種豐富，全空冷機組處于世界領先水平，蒸發冷卻機組是中國獨有的自主知識產權產品，燈泡貫流式機組也走在世界前列。

未來，基于與風光電能互補和促進消納的需求，抽水蓄能機組將會迎來大發展，變速抽水蓄能機組是重點突破和應用方向，為增強水電機組在電網中的調控能力和靈活性，拓展水輪機的穩定運行范圍是重要演技課題，在國家《十四五規劃和2035年遠景目標》雅魯藏布江下游水電開發戰略需求下，沖擊式水輪機技術會得到大幅提升。

我國水資源理論蘊藏量豐富，我國的水電開發還有較大的發展空間，相信在此過程中，水力發電設備技術會得到進一步的提升。