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        [觀察者網]中國水電"沒有對手",原因就在這里

        點擊數:713 發布時間:2021-06-09 09:01:44

               東方電氣下屬東方電機專家何啟源自豪地向觀察者網表示:“中國的發展,外國人是擋不住的。”

         
               5月31日,世界在建規模最大的巨型水電站白鶴灘水電站大壩全線澆筑到頂,把水電再度拉進了輿論熱點。
         
               中國水電自三峽工程起就開始大步追趕國外先進水準。這次,東方電氣駐白鶴灘工地總代表王笑君用一句“已經做到最高水平,沒有其他對手了”宣布中國水電已經從并跑變為領跑,站在世界之巔。而在白鶴灘之后,全世界都很難再有機會建造類似規模的水電項目了。
         
               近日,觀察者網參加了由國資委和中央網信辦聯合主辦的“百年黨旗紅 國企新征程”探訪活動,采訪了白鶴灘水電站左岸8臺100萬千瓦水電機組的研制企業——東方電氣。他們表示,東方電氣能夠從三線建設時期一路走到現在,超越世界各路同行,關鍵在于對自主創新的堅持,“始終堅持對的事情”。
         
               放眼未來,隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出,水電行業將會迎來新的發展機遇,因為儲能將在以新能源為主的新型電力系統里發揮重要作用,而高效的抽水蓄能電站會成為東方電氣重要的發力點。
         
        東方電氣集團東方電機廠區地標——一個退役的水輪機轉輪 觀察者網/李煥宇 攝
         
         
        水電的珠峰
         
               白鶴灘水輪發電機組是世界上首批百萬千瓦水電機組,屬于巨型混流式水輪機組,相對于長江干流的三峽巨型機組和同在金沙江的溪洛渡巨型機組,單機容量又有了巨大的跨越,其技術研究的復雜性和技術難度,遠大于世界上已有的機組。
         
               以大家熟知的三峽機組作參照。三峽水電站的單機容量為70萬千瓦,單臺機組高度50.7米,重達7000噸。
         
        三峽水電站 圖片來源:新華網
         
               相比之下,白鶴灘水電站,單機容量100萬千瓦,機組高度超過50米,重達8000噸。
         
        白鶴灘水電站 圖片來源:東方電氣
         
               白鶴灘水電站(總裝機1600萬千瓦)是中國僅次于三峽(總裝機2250萬千瓦)的第二大水電站,作為電站的核心,其水電機組不僅是“中國制造”,還是“中國創造”。東方電氣稱,白鶴灘水輪發電機組的研制意味著他們已經進入了世界水電技術的“無人區”,也就是王笑君工程師說的那一句:“你已經做到最高水平了,俯視下去,你發現周圍已經沒有其他對手了。”
               東方電氣集團黨組成員、副總經理張繼烈也表示,白鶴灘電站機組的研制意味著中國在水電裝備研制上實現了“從并跑到領跑”。他說,中國水電現在“打遍天下無敵手了”,很多西方國家已經退出了這一領域,當年在和東方電氣同臺競爭的水電巨頭,如今還有請他們過去排解技術問題的。
         
        從“小學生”到“無敵” 東方電氣的逆襲之路
         
               “天下無敵”當然不是“等”出來的,作為一家在大山里起家的企業,東方電氣今日的成就同幾十年來對自主創新始終如一的堅持密不可分。
               該集團的第一座工廠興建于1958年,其余大部分則始建于我國“三線建設”時期。當時,響應國家“好人好馬上三線”的號召,哈爾濱電氣及全國各地的精兵強將和一半的好設備都被調到了還是以農業為主的四川德陽,硬是在大山里建起第一個車間。
         
        東方電氣第一座工廠開建時的新聞報道
         
               1966年,東方電氣制造了他們的第一套水電機組——單機容量45MW(兆瓦)的湖南雙牌水電機組。當時,東方電氣的技術基本是以蘇聯援華時期的技術做底。在這基礎上,東方電氣先后研發出了單機容量150MW的丹江口水電機組、單機容量170MW的葛洲壩水電機組,后者成為當時直到現在世界上轉輪直徑最大的水電機組,獲首屆國家科技進步特等獎(1985年)。
               據東方電氣介紹,他們在這一時期始終堅持獨立自主開發,積累經驗。不過在改革開放后,有著先進技術的外國水電企業對他們形成了強有力的挑戰。
         
        雙牌水電機組的轉輪 圖片來源:東方電氣
         
        葛洲壩水電機組轉輪 圖片來源:東方電氣
         
               四川省勞動模范、東方電機水力設計首席專家王亞林坦言,在八十年代,他們和剛進來的外國企業間有著看似“無法跨越”的差距。張繼烈也表示,當時的東方電氣就像是個“小學生”,不過他們沒有氣餒,而是跟在后面一點點學,學會了以后就自己創新。
               到九十年代,中外水電機組的發電效率分別達到92%和93%,雖然差距只有1%,但這背后仍有5-10年的技術代溝。
               真正在技術上開始能夠追趕國外發生于三峽工程時期。三峽工程左岸機組的核心技術來自于法國阿爾斯通、德國西門子、瑞士ABB等國外巨頭,不過東方電氣借助參加左岸機組的制造成功掌握了世界上巨型混流式水電機組研制的關鍵技術,達到世界先進水平,具備了立足國內自主研制70萬千瓦級巨型水電機組的能力和條件。
               在那之后,通過持續創新,東方電氣成功開發出了適用于三峽右岸電站的轉輪模型,綜合性能優于三峽左岸國外的轉輪模型,在舉世矚目的三峽右岸機組投標中與國外一流制造廠商同臺競技并勝出,取得了有歷史意義的自行設計、制造三峽右岸4臺70萬千瓦水電機組合同。
         
        東方電氣的水電機組發展沿革過程
         
               到單機容量77萬千瓦的溪洛渡電站建設時期,東方電氣已經可以在技術參數上不輸國外,甚至部分領先。其機組運行振動、擺度、噪音等穩定性指標均表明,溪洛渡水輪發電機組的研發水平已經達到國際先進水平。
               “可以和國外任何公司叫板。”王亞林說道。
               最終在白鶴灘水電站建設時期,東方電氣實現了從“并跑”到“領跑”,抵達世界水電的“無人區”。王亞林稱其為“最大的跨越”,讓他們“完全弄懂”了水電。高級工程師陳文學也認為,白鶴灘機組的研制是技術突破的關鍵節點,它是“前無古人,后無來者”的標桿,提升了民族的自信心。
         
        白鶴灘機組 前無古人后無來者
         
               為什么白鶴灘機組會有這么高的評價?不妨看看這套機組創下的“世界第一”:
        單機容量100萬千瓦(高度超過50米,重達8000噸),世界第一
        發電機額定效率不低于99.01%,世界第一
        定子繞組溫升不超過63K,轉子繞組溫升不超過58K,屬全行業最嚴溫升控制水平,世界第一
        發電機最高電壓等級24千伏,世界第一
               同這樣一個全球最強水電發電機組相配的,是在建設過程中同樣創下了不少“世界第一”的白鶴灘水電站:
        地下洞室群規模,世界第一
        圓筒式尾水調壓室規模,世界第一
        300米級高拱壩抗震參數,世界第一
        無壓泄洪洞群規模,世界第一
               要創造這樣一個“世界第一”,難度可想而知。
               《中國能源報》曾以80萬千瓦的水輪發電機為例稱,這樣一個電機有五層樓高,僅旋轉部分就重達3000多噸,它有數萬個部件,一些指標要以0.01毫米的精度來考量——那僅僅是一根頭發絲直徑的六分之一。相比之下,百萬千瓦機組的技術難度和復雜性更是史無前例,機組的設計制造已超出了當時既有的技術水平和規范。
               沒有任何技術可以參照,自主創新就成了唯一途徑。
               東方電氣下屬的東方電機開展了機組的總體設計、水力開發、電磁設計、高效冷卻技術、推力軸承技術、高壓絕緣技術、轉輪動應力、高強度材料研究與應用、關鍵部件制造技術等等重大專題科研攻關,僅僅是軸承部分就產生了32項新專利。
               黨委副書記、教授級高級工程師陳文學對這種巨型裝備的研發給出了一個精準的比喻——“大象跳舞”。
               以負責推力軸承設計的研究試驗中心主任工程師鐘海權為例。機組的滑動軸承,兩個運動面之間有一層0.003毫米的油膜,但卻要承載4000多噸的重力,比三峽還要高一個等級。但是,市面上幾乎沒有這方面的計算軟件,已有的計算軟件精度不夠,他只有自己開發軟件程序;運行軸承瓦升溫太高,不能滿足標書要求,鐘海全帶領團隊歷經數十輪試驗,發明了熱邊界層隔離降溫技術及裝置,解決了推力軸承瓦溫偏高的問題;團隊成員還集體發力,創新性地完成了全流道、全工況數值模擬,將計算手段換代升級,創建了全新的評判標準。
         
        白鶴灘水電機組轉子吊裝 圖片來源:國投集團
         
               這種例子在東方電氣探索“無人區”的過程中數不勝數。在研發環節,他們采用先進的水力設計、CFD分析等手段,應用了全流道全工況數值仿真技術,創新性開拓了葉形加厚技術,實現了整個過流部件強度與水力性能的最佳匹配,兼顧了高效和安全穩定的關系。
               在制造環節,他們持續優化轉輪制造工藝,嚴控每道制造工序質量,通過轉輪全低氫焊接技術研究及應用,轉輪及上冠空中偏心翻身技術創新,隱形平衡塊結構研究并應用等工藝措施,確保了轉輪焊縫一檢合格率、外觀質量、制造精度等滿足內控標準、精品標準,轉輪精品檢測指標達標率達到了100%。
               白鶴灘1號機轉輪,殘余不平衡力矩為前所未有的零值,創造了全球巨型機組轉輪靜平衡試驗的最好記錄。截至目前,東方電氣已為白鶴灘水電站研制了3臺“零配重”轉輪。
         
        三峽水電機組轉子吊裝 圖片來源:國投集團
         
               東方電氣還充分總結三峽、溪洛渡等大容量機組的研制經驗,形成了一系列具有自主知識產權的核心技術:
               一是磁極繞組空內冷技術,增加磁極散熱面積33%,大幅縮短傳熱路徑,極大提高了散熱效率,實現了嚴控溫升水平和降低內部溫差的目標。
               二是低損耗軸承技術,提升軸承性能、提升冷卻效果、降低軸承損耗、控制油霧污染。
               三是平衡受力新型轉子支架,性能上全面優于傳統結構,各種工況應力水平降低10%以上,具有更低的自身通風損耗特性,大幅降低負壓抽吸作用,降低機組油霧污染防治難度。
               四是24千伏絕緣系統,首次提出并形成24千伏定子繞組絕緣性能的評定項目與考核標準,單臺機組共1620支線棒,全部達到精品標準要求,全部一次通過現場電氣性能試驗檢驗。
               正是有了這一系列自主創新的核心技術做底,副總經理張繼烈才會豪言:白鶴灘機組的所有指標在水電裝備領域里面都屬于極致,“這個地位我認為基本上是無法撼動的”。他還表示,全世界可能很難再找到第二塊可以進行這樣大規模水利建設的地方了。
         
        白鶴灘水電站夜景 圖片來源:東方電氣
         
               為什么東方電氣能夠堅持自主創新?張繼烈表示,這個是他們60年來的傳統,始終堅持對的事情。高級工程師陳文學表示,東方電氣始終以世界第一為目標,不忘產業報國初心,堅守制造強國的使命,以創新為核心,他們已經實現了技術上100%國產,在原材料上也實現了98%-99%的國產化。
               目前,東方電氣已經是國家級的高新技術企業,有著全球領先的水電和火電技術,風電也屬于行業頂級,另外在核電、氣電、光電、氫能均有布局,還建設了多條無人化的智慧生產線。整個十三五期間,東方電氣在科研上投入了29.63億元,平均一年接近6億,其科研投入占比是非常高的。
        東方電氣下屬東方電機專家何啟源自豪地向觀察者網表示:“中國的發展,外國人是擋不住的。”
               在這一點上,東方電氣自己的發展歷程其實就是最好的例子。
         
        大壩之后 水電未來在何方?
         
               白鶴灘水電站對東方電氣乃至全球水電行業而言都是一座意義非凡的高峰,但在攻克這座高峰之后,也帶來了另一個問題,隨著中國適合建水電的地方接連被開發,水電人的未來又在何方?
               四川省五一勞動獎章獲得者、東方電氣下屬東方電機研究試驗中心副主任劉德民坦言,水電行業曾被認為是夕陽行業,但隨著中央提出“碳達峰、碳中和”的3060目標,以及構建以新能源為主體的新型電力系統,水電行業已被拉回了朝陽。
               目前,我國新能源的裝機占比已達到41.1%,但發電占比只有27.3%,在以新能源為主體的新型電力系統下,風、光發電將會成為發電主力。但眾所周知,此類能源的波動性、隨機性、不確定性會給電網造成極大壓力,需要搭配儲能進行調峰,而在儲能領域,抽水蓄能電站表現出色,它也將是東方電氣未來重要的發力點。
         
        我國抽水蓄能電站分布情況 圖片來源:水電水利規劃設計總院
         
               抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站。東方電機專家何啟源向觀察者網表示,目前大型抽水蓄能電站綜合效率(電站抽水效率與發電效率之乘積)為0.75~0.77,近些年投運的電站效率可以達到0.78,福建仙游的抽蓄電站效率可以達到0.79,是他知道的效率最高的抽蓄電站。
               相比于化學儲能電站,抽蓄電站在單位面積的效率上優勢明顯。以目前在建項目大連液流電池儲能調峰電站為例,該電站建設規模達到200MW,總  建筑面積36519平方米。一般大型抽水蓄能電站總容量都在1000MW以上,如果化學儲能電站想要達到抽水蓄能電站的水平,至少需要15~20萬平方米的面積。
         
        大連液流電池儲能調峰電站施工現場 圖片來源:大連日報
         
               不過,抽蓄電站除了距電網要有經濟合理距離外還得滿足地形上能建設合適庫容這一條件,因此一般建在有天然河道或湖泊的地方,方便建設上、下水庫。上庫由人工圍建,下庫則利用天然河道、湖泊、海彎或利用已經建成的水庫。
               何啟源表示,在我國抽水蓄能電站區域發展尚不平衡,建設主要以東部地區居多,如浙江、江蘇、安徽、福建等,內陸地區在需要的地方也會建有抽水蓄能電站,如北京、河北、山西等。
               抽蓄電站市場潛力巨大,據《中國能源報》報道,“十四五”期間國內將新增2000萬千瓦機組規模的抽蓄電站,相當于一個三峽電站。不過它的技術難度并不低,據何啟源介紹,抽水蓄能機組從研發、設計到生產制造以及后續的安裝調試難度都是很大的。由于機組體積龐大,轉速高,在精度和壽命上的要求也極為苛刻,這對于他們的研發設計人員都是不小的挑戰。
               我國在抽蓄電站這一塊起步較晚,但已經達到世界先進水平,即將在7月投產發電的長龍山抽水蓄能電站就是典型代表。
               東方電機為長龍山抽水蓄能電站研制了4臺350MW抽水蓄能機組,它有著超高水頭(710米,世界第二)、超大容量(350MW,國內第三)、超高轉速(600rpm,世界最高等級),其設計開發難度屬世界最高等級,難度系數與日本的葛野川(世界第1高水頭)相當,在高效率、高穩定性、高可靠性、高均衡性上均已達到世界前列,總體技術達到國際先進水平。
         
        長龍山抽水蓄能電站 圖片來源:三峽集團
         
               劉德民表示,目前有兩個技術是他們的重點。一個是變速技術,因為抽蓄電站作為一種調峰手段是得順著新能源發電的波動情況跟著起伏的,由于新能源本身波動很大,因此對抽蓄電站的變速要求也是很高的。目前,東方電氣已掌握了關鍵技術,還向國外輸出了此類技術,預計在今明兩年就會有研發成果。
               另一點則是在生態環保上,國內外都提出這一塊上的要求,需要保證電站的過魚能力。特別是東南亞地區,魚在他們生活中的扮演者重要的角色,而且該區河流內的魚類資源也非常豐富,因此這些國家對過魚能力的要求也非常高。
               此外,傳統水電工程的建設也遠遠沒有走到盡頭,東方電機的專家們表示,雖然像白鶴灘這樣規模的電站很難再有了,但工程還是會有的,傳統水電站仍有繼續建設的空間。
         
        來源|觀察者網 文/李煥宇
         

         

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