我國(guó)抽水蓄能成套設(shè)備研制能力持續(xù)增強(qiáng)。
4月12日，國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的抽水蓄能電站——浙江仙居抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組成功并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組的核心水泵水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)均擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)完全自主化，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)掌握大型抽水蓄能電站核心技術(shù)。
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出，抽水蓄能技術(shù)實(shí)現(xiàn)根本性跨越，將強(qiáng)有力地支撐我國(guó)抽水蓄能行業(yè)快速發(fā)展，同時(shí)將使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的抽水蓄能設(shè)備價(jià)格大幅下降，預(yù)計(jì)可為國(guó)家節(jié)省至少上百億元資金。
依靠進(jìn)口發(fā)展受限
抽水蓄能電站被認(rèn)為是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期長(zhǎng)、容量大、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分。
然而2003年以前，我國(guó)抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還處于一片空白，抽水蓄能電站的設(shè)備全部是舶來(lái)品。“抽水蓄能機(jī)組，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，設(shè)計(jì)、制造的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)水電機(jī)組。以我國(guó)當(dāng)時(shí)的重裝備制造水平來(lái)說(shuō)，發(fā)展抽水蓄能只能依靠進(jìn)口設(shè)備?！眹?guó)網(wǎng)新源公司副總經(jīng)理高蘇杰稱(chēng)。
依靠“拿來(lái)主義”就要付出高昂的代價(jià)。國(guó)外廠商依仗技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)備引進(jìn)毫無(wú)討價(jià)還價(jià)的余地。技術(shù)服務(wù)受制于人，關(guān)鍵部件的供貨周期有時(shí)需要3到6個(gè)月，建設(shè)抽水蓄能電站十分艱難。
中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院總工程師陳順義表示:“當(dāng)時(shí)我國(guó)建一座抽水蓄能電站，核心機(jī)電設(shè)備投資占總體投資的一半以上，是國(guó)際市場(chǎng)一般水平的兩倍左右?！?
高昂的投資成本、滯后的技術(shù)服務(wù)等問(wèn)題，嚴(yán)重制約我國(guó)抽水蓄能事業(yè)的發(fā)展。自上世紀(jì)60年代我國(guó)在河北崗南建成第一座抽水蓄能電站，經(jīng)過(guò)近40年、發(fā)展，到2003年，抽水蓄能電站裝機(jī)容量仍然只占電力裝機(jī)總量的1.6%，而歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的抽水蓄能裝機(jī)比例早已達(dá)到5%-10%。抽水蓄能行業(yè)的發(fā)展速度，與我國(guó)電力事業(yè)的高速發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)。
“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)抽水蓄能行業(yè)已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)，就必須打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備自主化?！备咛K杰說(shuō)。
“三步走”后來(lái)居上
2003年3月21日，國(guó)家發(fā)改委組織國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)以及國(guó)內(nèi)水電制造行業(yè)的龍頭——哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司和東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司等單位的專(zhuān)家代表，共商抽蓄設(shè)備自主化大計(jì)。當(dāng)時(shí)會(huì)議正式提出，要采取“技術(shù)引進(jìn)—掌握優(yōu)化—自主創(chuàng)新”的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研、用的戮力同心“總體戰(zhàn)”，逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)抽水蓄能電站機(jī)組及成套設(shè)備制造自主化。
之后，在國(guó)家發(fā)改委統(tǒng)一組織下，招標(biāo)領(lǐng)導(dǎo)小組經(jīng)過(guò)一年多談判，從國(guó)際知名的七家抽水蓄能裝備制造商中確定了寶泉等三座新建抽水蓄能電站主機(jī)設(shè)備的中標(biāo)對(duì)象。同時(shí)，“技術(shù)轉(zhuǎn)讓標(biāo)”談判后，設(shè)備制造商承諾無(wú)條件、無(wú)保留轉(zhuǎn)讓其核心技術(shù)。這種將設(shè)備與技術(shù)“打捆招標(biāo)”的模式，為我國(guó)抽水蓄能技術(shù)的快速發(fā)展開(kāi)辟了道路。
在國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，如何進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)新，成為一大挑戰(zhàn)。其中水泵水輪機(jī)是抽水蓄能電站最核心的設(shè)備，破解其雙向運(yùn)行難題是當(dāng)務(wù)之急。
據(jù)介紹，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，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?！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?zhuān)八煤退啓C(jī)的水力特性完全相反，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。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(zhuān)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。
在此基礎(chǔ)上，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%。
自主研發(fā)提升競(jìng)爭(zhēng)力
隨著抽水蓄能市場(chǎng)的不斷壯大，對(duì)設(shè)備可靠性和安全性的要求越來(lái)越高。
“抽水蓄能機(jī)組發(fā)電機(jī)的研制難度是常規(guī)水電機(jī)組的2到3倍，轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)結(jié)構(gòu)安全性的巨大考驗(yàn)?！惫枮I電機(jī)廠前總工程師王國(guó)海表示，“和常規(guī)水電機(jī)組相比，抽水蓄能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速高。與三峽相比，雖然響水澗電站的單機(jī)容量不足三峽的一半，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，結(jié)構(gòu)安全性面臨巨大考驗(yàn)?！?
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?！爱a(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。”在東方電機(jī)有限公司副總工程師鄭小康帶領(lǐng)下，設(shè)計(jì)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)算試驗(yàn)，最終確定轉(zhuǎn)子柔性固定方案，即自動(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。
設(shè)備的安全可靠更離不開(kāi)控制系統(tǒng)的保障。自動(dòng)控制系統(tǒng)被譽(yù)為抽水蓄能電站的“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。為此，國(guó)家電網(wǎng)曾先后兩次立項(xiàng)，由國(guó)網(wǎng)新源公司和南瑞集團(tuán)公司共同承擔(dān)，開(kāi)展大型抽水蓄能電站自動(dòng)控制系統(tǒng)自主研制工作。
據(jù)了解，目前具有完全自主知識(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。
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仙居抽水蓄能電站工程位于浙江仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，是國(guó)家重點(diǎn)工程。總投資為58.51億元，總裝機(jī)容量150萬(wàn)千瓦，安裝4臺(tái)37.5萬(wàn)千瓦立軸單極可逆混流式機(jī)組，是國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)年抽水用電量32.63億千瓦時(shí)，年發(fā)電量25.13億千瓦時(shí)。電站樞紐由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。上水庫(kù)主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86.7米，水庫(kù)總庫(kù)容1294萬(wàn)立方米；下水庫(kù)利用已建下岸水庫(kù)，下水庫(kù)主壩為混凝土拱壩，最大壩高64米，總庫(kù)容13504萬(wàn)立方米，有效庫(kù)容9261萬(wàn)立方米。
目前，該電站2、3、4號(hào)機(jī)組正緊鑼密鼓地進(jìn)行安裝，2號(hào)機(jī)組預(yù)計(jì)4月23日總裝完成，4月30日整組啟動(dòng)調(diào)試，7月1日并網(wǎng)發(fā)電。3號(hào)機(jī)組預(yù)計(jì)4月30日定子吊裝完成，5月30日轉(zhuǎn)子吊裝完成，8月10日總裝完成，8月18日整組啟動(dòng)調(diào)試，10月1日并網(wǎng)發(fā)電。4號(hào)機(jī)組預(yù)計(jì)在12月31日并網(wǎng)發(fā)電，屆時(shí)將全面實(shí)現(xiàn)“一年四投”節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。
