中國儲能網訊：單臺裝機容量375兆瓦，國網新源仙居抽水蓄能電站開創(chuàng)400兆瓦級超大容量抽水蓄能電站建設先河；最大揚程712米，吉林敦化投運我國首個700米級超高水頭大型抽水蓄能機組；總裝機容量3600兆瓦，國網新源河北豐寧抽水蓄能電站創(chuàng)下全球裝機規(guī)模之最……一個個“之最”、一次次“首創(chuàng)”見證了我國抽水蓄能自主化發(fā)展的漫漫長路。
抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)靈活調節(jié)電源，是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。二十年來，國網新源集團有限公司堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展，以需求為牽引聯(lián)合產業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新，從探索起步、消化成長到規(guī)模應用，走出了一條大型抽水蓄能成套設備自主化發(fā)展之路，實現了大型抽水蓄能從依賴進口到自主創(chuàng)新再到技術引領的跨越。
摘取水電領域“皇冠上的明珠”，實現成套設備自主化
2003年以前，我國抽水蓄能領域相關技術研究還未起步，設備全是“舶來品”。進口設備價格高昂，核心機電設備投資占總投資的一半以上，關鍵部件的供貨周期有時需要3～6個月。
與高昂的投資成本、滯后的技術服務相對的，是建設抽水蓄能電站的迫切需要。進入21世紀，經濟社會快速發(fā)展，用電需求持續(xù)攀升，電力峰谷差逐漸拉大。2001年年底，全國發(fā)電裝機容量達3.38億千瓦，其中火力發(fā)電占比75%，系統(tǒng)調峰問題日益突出。
開展大型抽水蓄能機組及成套設備自主化工作迫在眉睫。2003年，在國家發(fā)展改革委、國家能源局的組織協(xié)調下，國家電網有限公司和各有關單位共同研究，確定了采用技貿結合方式，以工程與科研協(xié)同推進，通過技術引進、掌握優(yōu)化和自主創(chuàng)新三個階段，逐步實現我國大型抽水蓄能機組自主化的策略。
水泵水輪機是自主化要邁過的第一道門檻。抽水蓄能機組集水泵與水輪機于一體，正向抽水儲能，反向放水發(fā)電。“雙向運行聽上去簡單，做起來極難。水泵和水輪機的水力特性完全相反，常規(guī)設計難以兼顧穩(wěn)定性和效率。有人把水泵水輪機水力設計比喻為水電技術領域‘皇冠上的明珠’?！薄按笮统樗钅軝C組水泵水輪機研制”課題負責人覃大清解釋。
為了摘取這顆“皇冠上的明珠”，研究人員對幾十個水泵水輪機模型和上百種設計方案進行分析、試驗，最終采取以水泵與水輪機特性并行迭代的水力優(yōu)化設計方法，從根本上保障了雙向運行的穩(wěn)定性，破解了這一世界性難題。
此后，研究人員相繼創(chuàng)新發(fā)電電動機轉子機構安全性方法、降低水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動方法等，我國逐漸掌握了大型抽水蓄能機組關鍵技術。
抽水蓄能機組設備繁多、運行工況復雜、轉換頻繁，如何指揮、協(xié)調、控制電站所有設備？控制保護系統(tǒng)承擔著大腦和中樞神經的職責?？刂票Ｗo系統(tǒng)模型和參數設計極其復雜，對安全可靠性要求極高，當時核心技術被國外企業(yè)控制，技術引進無從談起。為了打破技術壟斷，公司先后多次立項開展自主科研攻關。
在國網新源集團牽頭組織下，經過6年攻關，研究人員厘清了抽水蓄能電站控制邏輯關系，研發(fā)了具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控、勵磁、調速和保護系統(tǒng)。
2012年11月18日，機組轟鳴啟動，水流奔涌激蕩，國網新源安徽響水澗抽水蓄能電站最后一臺機組投入商業(yè)運行。這是我國第一座全面實現設備國產化的大型抽水蓄能電站，標志著我國抽水蓄能電站步入主輔設備設計制造國產化階段，我國逐步實現300兆瓦級以下機組及成套設備自主化，顯著提升了我國高端裝備技術實力，形成了抽水蓄能裝備中國制造新格局。
適應新型電力系統(tǒng)需求，向著400兆瓦級、700米級機組國產化邁進
在浙江仙居縣群山環(huán)抱之中，坐落著我國自主研發(fā)、制造、安裝、調試的大型抽水蓄能電站——國網新源仙居抽水蓄能電站。電站地下廠房深藏于地下450米，4臺375兆瓦的巨型機組平穩(wěn)運行。在仙居抽水蓄能電站這塊“試驗田”上，我國開展了400兆瓦級抽水蓄能機組研發(fā)制造，推動國產化裝備上臺階。
國網新源集團聯(lián)合科研院所、制造廠家等多方組建研發(fā)團隊，攻克了推力軸承、剛強度、大直徑球閥等方面一系列世界級技術難題。2016年4月，仙居抽水蓄能電站1號機組并網發(fā)電，填補了國內400兆瓦級抽水蓄能機組設計制造的技術空白。
進入“十三五”，我國新能源發(fā)電裝機爆發(fā)式增長，風電、太陽能發(fā)電的波動性、隨機性給電網安全運行帶來挑戰(zhàn)。為了進一步提高抽水蓄能電站的經濟性，抽水蓄能向著高水頭、高轉速、大容量方向發(fā)展。
國家能源局《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，全面實現高性能大容量水電機組和高水頭大容量抽水蓄能機組成套設備設計和制造的自主化。
2021年6月4日，國網新源吉林敦化抽水蓄能電站1號機組投產發(fā)電。700米水頭的高壓水流傾瀉而下，沖擊轉輪，9片合金葉片在20個精密導葉的調控下高速旋轉，機組瞬間達到每分鐘500轉的額定轉速。
該電站是我國首座700米級水頭抽水蓄能電站，機組最高揚程達712米?！皺C組試運行時，振動、擺度及瓦溫等關鍵指標表現優(yōu)異，穩(wěn)定運行時各部導軸承擺度均小于0.1毫米。”敦化抽水蓄能電站副總經理張德浩說。
項目成功打破了國外的技術壟斷，使我國成為第三個擁有700米級超高水頭大型抽水蓄能關鍵技術的國家，700米級350兆瓦抽水蓄能機組成套設備入選國家能源局2021年度能源領域首臺（套）重大技術裝備項目。
高水頭、高轉速、大容量抽水蓄能技術研究帶來巨大的社會效益和經濟效益，相關技術在國網新源安徽績溪、河北豐寧、重慶蟠龍等大型抽水蓄能電站實現工程應用，為新能源靈活并網、高效消納提供裕度。同時，國產化設備建設成本大幅降低。
當前新型電力系統(tǒng)加快建設，抽水蓄能功能定位由調峰、系統(tǒng)備用為主轉變?yōu)檎{峰、調頻、調相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等。截至2024年年底，我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模達到14.5億千瓦，超過火電。要形成與新能源發(fā)展相適應的系統(tǒng)調節(jié)能力，需要具備更廣泛調節(jié)能力的變速抽水蓄能技術。
國網新源豐寧抽水蓄能電站在國內首次采用交流勵磁變速機組——2臺采用自啟動方式的300兆瓦交流勵磁變速抽水蓄能機組，與張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程配套運行，支撐京津電網及冀北電網靈活調用需求，為后續(xù)我國實現大型變速抽水蓄能機組自主化打下基礎。
“在加快構建新型電力系統(tǒng)背景下，我國抽水蓄能行業(yè)逐步掌握了大型抽水蓄能機組的水力開發(fā)、電磁設計、機電網控制等關鍵核心技術，實現了國內抽水蓄能產業(yè)的技術跨越，促進了我國電力裝備制造業(yè)的科技進步?！敝袊こ淘涸菏筷惡袢罕硎?。
創(chuàng)新建設運營實踐，讓中國經驗成世界標準
截至2024年年底，公司有在運在建抽水蓄能電站75座，是全球運營抽水蓄能規(guī)模最大的企業(yè)。作為專業(yè)化開發(fā)建設綠色調節(jié)電源的服務運營商，國網新源集團在設計制造、建設施工和運行維護等方面積累了豐富經驗，推動了抽水蓄能電站高質量建設、高效率運行。
如果將抽水蓄能電站地下廠房比作心房，那么輸水系統(tǒng)就是上下水庫水雙向流動的血管，輸水系統(tǒng)中的引水斜井就是動脈。國網新源河南洛寧抽水蓄能電站1號引水斜井長927米，開挖直徑7.23米，高差近560米，是國內抽水蓄能電站最長斜井，具有掘進傾角大、長度長、高差大的特點。
2024年9月9日，伴隨著轟鳴聲，斜井硬巖隧道掘進機（TBM）“永寧號”在洛寧抽水蓄能電站2號引水斜井開挖面破土而出，標志著斜井TBM在抽水蓄能行業(yè)首次應用取得成功。掘進過程中，“永寧號”最大單日進尺16.086米，最大月進尺171米，提升了開挖質量和工藝水平。
大壩填筑應用無人駕駛振動碾施工技術，巖石邊坡開挖采用無爆破切割技術，輸水系統(tǒng)壓力鋼管安裝采用自動焊接技術……機械化技術手段的廣泛應用提升了建設速度、安全和質量水平。
當下，抽水蓄能提質開發(fā)、批量建設、集中投產、高頻運行高度疊加，如何確保已投運機組隨調隨啟、穩(wěn)定運行？一套精心操作、精細維護、精準評價、精益管控的生產管理體系讓電站發(fā)揮最大效能。
今年上半年，國網新源北京十三陵抽水蓄能電站發(fā)電量6.68億千瓦時，較2024年同期增長61.7%。自1995年投產發(fā)電以來，該電站擔負著華北地區(qū)調頻調峰、事故備用、新能源消納等責任?！皺C組運行強度大，我們精心運維、操作，今年上半年還完成3臺機組C修及4臺機組定檢工作，讓30年的老機組隨調隨啟，保持100%啟動成功率。”該電站運行部主任鄒志偉說。
標準助推創(chuàng)新發(fā)展，標準引領時代進步。“依托在抽水蓄能技術研發(fā)和工程應用中的實踐積累，我們聯(lián)合產業(yè)鏈上下游編制了涵蓋規(guī)劃設計、設備制造、工程施工、安裝調試和運維檢修等方面的抽水蓄能全生命周期技術標準?！眹W新源集團科信部主任常玉紅說。截至5月，該集團共主編、參編標準474項，其中國際標準4項、國家標準36項、行業(yè)標準94項，基本實現了抽水蓄能技術標準全業(yè)務覆蓋，推動了行業(yè)安全、快速、健康發(fā)展。
“十四五”時期，《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》《抽水蓄能電站開發(fā)建設管理暫行辦法》等先后發(fā)布，推動抽水蓄能從“提速增量”向“提質有序”發(fā)展。《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》明確，到2035年，形成滿足新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求的，技術先進、管理優(yōu)質、國際競爭力強的抽水蓄能現代化產業(yè)。
中國水力發(fā)電工程學會抽水蓄能行業(yè)分會副秘書長余賢華認為，抽水蓄能功能已演變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定的調節(jié)單元、清潔高效的調節(jié)資源，“調”的功能日益凸顯?！盀檫m應系統(tǒng)日益復雜和豐富多樣的靈活調節(jié)需求，抽水蓄能行業(yè)需要主動創(chuàng)新求變，發(fā)展新一代抽水蓄能。這是一項前瞻性、系統(tǒng)性工程，需要從理論研究、規(guī)劃設計、裝備制造和調控運維等全環(huán)節(jié)發(fā)力?！彼f。
隨著“雙碳”目標深入推進和新能源發(fā)電裝機規(guī)模持續(xù)擴大，抽水蓄能將迎來更廣闊發(fā)展空間。從最初的設備引進、技術消化到如今的自主創(chuàng)新、標準輸出，二十余年來，我國抽水蓄能行業(yè)不僅實現了技術能力的跨越式提升，更積累了深厚的工程實踐經驗和人才儲備。技術創(chuàng)新和產業(yè)升級，將續(xù)寫中國抽水蓄能自主創(chuàng)新的故事。
