中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：浙江省仙居縣，千嶂疊翠，清流急湍，風(fēng)光旖旎，素有“神仙居所”的美譽(yù)。眼下正值陽(yáng)春三月，油菜花點(diǎn)綴起片片金黃，粉紅的桃花吐蕊爭(zhēng)艷。在梧桐山下，永安溪畔，國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司仙居抽水蓄能電站建設(shè)工程正如火如荼地施工。進(jìn)入埋深達(dá)450多米的地下廠房，呈現(xiàn)在眼前的是緊張繁忙的機(jī)組調(diào)試場(chǎng)面。1號(hào)機(jī)組即將進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電階段，電站建設(shè)迎來(lái)最關(guān)鍵的時(shí)期。
仙居電站總經(jīng)理姜成海介紹說(shuō)：“仙居電站安裝了4臺(tái)大型抽水蓄能機(jī)組，單機(jī)容量目前全國(guó)最大，達(dá)37.5萬(wàn)千瓦，并且全部具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！眴螜C(jī)容量37.5萬(wàn)千瓦機(jī)組的安裝應(yīng)用，樹立了我國(guó)抽水蓄能事業(yè)新的里程碑。
可就在10年前，我國(guó)抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還是一片荒漠，抽水蓄能電站的設(shè)備全部是舶來(lái)品。
摘下水電“皇冠上的明珠”，破解水泵水輪機(jī)雙向運(yùn)行難題
“因?yàn)樾枰p向運(yùn)行，而且工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜、運(yùn)行水頭高、設(shè)備轉(zhuǎn)速高，抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造難度遠(yuǎn)高于常規(guī)水電機(jī)組?！眹?guó)網(wǎng)新源公司副總經(jīng)理高蘇杰說(shuō)。設(shè)備依靠進(jìn)口，曾是制約我國(guó)抽水蓄能發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，若想解決這一問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，破解抽水蓄能機(jī)組雙向運(yùn)行難題。
水泵水輪機(jī)是需要翻越的第一座大山。水泵水輪機(jī)是水泵與水輪機(jī)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)水泵抽水儲(chǔ)能，又可以化身為水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，是抽水蓄能電站最核心的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這種功能上的“可逆”，依靠的是它正反雙向運(yùn)行的獨(dú)特能力。
“雙向運(yùn)行聽(tīng)上去簡(jiǎn)單，但做起來(lái)極難。就好像是一只雞，讓它兼具公雞與母雞的功能，既能下蛋，還能打鳴?！眹?guó)家科技支撐計(jì)劃“大型抽水蓄能機(jī)組成套設(shè)備研制”課題負(fù)責(zé)人覃大清解釋說(shuō)，“了解流體力學(xué)的人都清楚，水泵和水輪機(jī)的水力特性是完全相反的，依靠常規(guī)設(shè)計(jì)手段難以兼顧設(shè)備的穩(wěn)定性和效率，所以有人把水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)比喻為水電技術(shù)領(lǐng)域‘皇冠上的明珠’。國(guó)外一般采取在轉(zhuǎn)輪上安裝非同步導(dǎo)葉的機(jī)械手段提升設(shè)備穩(wěn)定性，但是治標(biāo)不治本。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體安全性降低，有時(shí)還會(huì)引發(fā)劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法并網(wǎng)?！?
為了破解這一世界性難題，研究人員用了2年時(shí)間，通過(guò)對(duì)幾十個(gè)水泵水輪機(jī)模型和上百種設(shè)計(jì)方案的分析論證和試驗(yàn)，制定了以水泵與水輪機(jī)特性并行迭代的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用水力手段，從根本上保障了水泵水輪機(jī)雙向運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，依托國(guó)家973計(jì)劃“水力發(fā)電設(shè)備前沿技術(shù)研究”等科研課題研究，研究人員還研發(fā)出降低水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)方法、混流式水泵水輪機(jī)長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪等獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，獲得5項(xiàng)發(fā)明專利。在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了水泵水輪機(jī)效率的同步提高。
依靠這些技術(shù)成果，我國(guó)首個(gè)完全自主設(shè)計(jì)研制的安徽響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)真機(jī)模型，成功通過(guò)了瑞士洛桑中立試驗(yàn)臺(tái)的模型驗(yàn)收試驗(yàn)，最優(yōu)效率達(dá)94.28%。哈爾濱大電機(jī)研究所所長(zhǎng)李正說(shuō)：“響水澗水泵水輪機(jī)的成功研制，標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。”
依靠過(guò)硬的設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)安全性方法
抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電電動(dòng)機(jī)與水泵水輪機(jī)的運(yùn)行方式類似，通過(guò)轉(zhuǎn)子的正向與反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種功能。那么，它的研發(fā)突破點(diǎn)又在哪里呢?
“轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)安全性。”哈爾濱電機(jī)廠前總工程師王國(guó)海解釋說(shuō)，“和常規(guī)水電機(jī)組相比，抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速高。拿三峽巨型水輪發(fā)電機(jī)相比，雖然響水澗電站的單機(jī)容量還不到三峽發(fā)電機(jī)的一半，但轉(zhuǎn)速卻是三峽發(fā)電機(jī)的3倍多。在這么高的轉(zhuǎn)速下，發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要頻繁承受機(jī)組啟停、正反轉(zhuǎn)過(guò)程中交變負(fù)荷和沖擊負(fù)荷，對(duì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)安全性是一個(gè)巨大考驗(yàn)。水電行業(yè)有一個(gè)共識(shí)，就是抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)的研制難度，一般是常規(guī)水電機(jī)組的2到3倍。三峽電站第一臺(tái)機(jī)組2003年7月就正式并網(wǎng)發(fā)電了，可直到響水澗電站之前，我們還沒(méi)有自主研制發(fā)電電動(dòng)機(jī)的能力?！?
結(jié)構(gòu)安全性研究沒(méi)有捷徑可走，只能依靠過(guò)硬的設(shè)計(jì)能力。“產(chǎn)品質(zhì)量首先是設(shè)計(jì)出來(lái)的，其次才是制造出來(lái)的?！痹跂|方電機(jī)有限公司副總工程師鄭小康的帶領(lǐng)下，設(shè)計(jì)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的安全性問(wèn)題開展了深入研究。
最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的選取，要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大量的分析計(jì)算。為了節(jié)省研究時(shí)間，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈剛強(qiáng)度分層計(jì)算方法。在滿足計(jì)算精度的同時(shí)，有效降低計(jì)算量，解決計(jì)算分析難題。短時(shí)間內(nèi)，多個(gè)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果和優(yōu)化方案相繼出爐，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)優(yōu)中選優(yōu)，經(jīng)過(guò)10余次篩選修改，最終選擇了轉(zhuǎn)子柔性固定方案。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性，東方電機(jī)有限公司又研制出世界首個(gè)全尺寸、全模擬真機(jī)、全極限工況的發(fā)電電動(dòng)機(jī)靜態(tài)加載試驗(yàn)臺(tái)，開展試驗(yàn)驗(yàn)證。
試驗(yàn)結(jié)果振奮人心!經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證，轉(zhuǎn)子柔性固定方式能自動(dòng)適應(yīng)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速、不同工況的需要，保持恒定約束力，大幅加強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全性。為了確保萬(wàn)無(wú)一失，研究團(tuán)隊(duì)又針對(duì)設(shè)計(jì)方案組織了兩次全國(guó)專家評(píng)審會(huì)，設(shè)計(jì)方案得到了與會(huì)專家的一致通過(guò)。
找到自主化的最后一塊拼圖，研制開發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)
自動(dòng)控制系統(tǒng)是抽水蓄能電站的“大腦”和“中樞神經(jīng)”，用來(lái)指揮、協(xié)調(diào)、控制電站的所有設(shè)備。由于抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況多、轉(zhuǎn)換復(fù)雜，其控制系統(tǒng)模型和參數(shù)設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，安全可靠性要求極高，已成為抽水蓄能領(lǐng)域的核心技術(shù)。
如此高含金量的技術(shù)，早已被國(guó)際知名企業(yè)牢牢控制，技術(shù)引進(jìn)無(wú)從談起，也就意味著沒(méi)有任何成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒和參考。為了打破技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的突破，國(guó)家電網(wǎng)先后兩次立項(xiàng)，由國(guó)網(wǎng)新源公司和南瑞集團(tuán)公司共同承擔(dān)，開啟了大型抽水蓄能電站自動(dòng)控制系統(tǒng)自主研制之路。
南瑞集團(tuán)具備深耕自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)底蘊(yùn)，國(guó)網(wǎng)新源公司擁有長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)抽水蓄能業(yè)務(wù)的專業(yè)能力，雙方科研人員通力合作，奮力攀登。經(jīng)過(guò)6年多時(shí)間，歷經(jīng)1000多次模型試驗(yàn)驗(yàn)證，抽水蓄能電站控制邏輯關(guān)系終于被厘清，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控、勵(lì)磁、調(diào)速和保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)自主調(diào)試，成功應(yīng)用于安徽響水澗、福建仙游抽水蓄能電站。不僅如此，引進(jìn)控制系統(tǒng)存在的機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)大、參數(shù)測(cè)量精度低、滅磁速度慢等問(wèn)題，也一一被克服。
抽水蓄能設(shè)備自主化工作的最后一塊拼圖終于被找到了。
歷經(jīng)10年攻堅(jiān)克難，我國(guó)在抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨到引領(lǐng)、從進(jìn)口到出口、從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的根本性跨越。2011年以來(lái)，我國(guó)相繼建成安徽響水澗、福建仙游兩座主機(jī)設(shè)備完全自主化的大型抽水蓄能電站，兩座電站分獲國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)和國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎(jiǎng)。2013年，我國(guó)獲得伊朗阿扎得抽水蓄能電站2臺(tái)機(jī)組供貨合同。我國(guó)抽水蓄能領(lǐng)域所取得的成就，得到了國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際水電行業(yè)的高度認(rèn)可。抽水蓄能自主研發(fā)終于實(shí)現(xiàn)了彎道超車。
我國(guó)抽水蓄能事業(yè)的根本性跨越鮮明地表明，重大裝備制造業(yè)的強(qiáng)力支撐，促使水電事業(yè)加快發(fā)展，中國(guó)由水電大國(guó)向水電強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的步伐愈發(fā)強(qiáng)健。按照國(guó)家發(fā)改委的規(guī)劃，到2025年，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量將增加至1億千瓦。由于我國(guó)抽水蓄能技術(shù)實(shí)現(xiàn)根本性跨越，使得國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的設(shè)備超標(biāo)價(jià)格大幅下降，預(yù)計(jì)2025年可為國(guó)家至少節(jié)省上百億元資金。
雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。經(jīng)過(guò)10年勵(lì)精圖治，我們有理由相信，我國(guó)抽水蓄能事業(yè)的明天將更加美好。(牛翔宇 傅誠(chéng) 衣傳寶)
