哈電機開啟百萬千瓦水電機組新時代

2017-08-11 11:03:32 中電新聞網(wǎng) 　點擊量：評論 (0)

8月3日，全球在建規(guī)模最大、裝機規(guī)模世界第二的白鶴灘水電站主體工程全面建設(shè)，標志著我國將開啟世界水電百萬千瓦級機組新時代。白鶴灘水電站裝機16臺100萬千瓦總計1600萬千瓦水輪發(fā)電機組，哈電集團哈爾濱電機廠

8月3日，全球在建規(guī)模最大、裝機規(guī)模世界第二的白鶴灘水電站主體工程全面建設(shè)，標志著我國將開啟世界水電百萬千瓦級機組新時代。白鶴灘水電站裝機16臺100萬千瓦總計1600萬千瓦水輪發(fā)電機組，哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱“哈電機”）承接了白鶴灘水電站右岸電站全部8臺套水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備的研發(fā)和制造。

從共和國第一臺立式水電機組的誕生，到世界最大單機容量水輪發(fā)電機組的研制；從引進消化吸收國外先進技術(shù)，到自主創(chuàng)新、登頂行業(yè)技術(shù)制高點，裝備制造業(yè)“共和國長子”一系列組合拳猶如神來之筆，用一個個驕人的業(yè)績，向全球提供源源不斷的“中國動力”。隨著白鶴灘電站的全面開工，潛心鉆研多年100萬千瓦水電機組關(guān)鍵技術(shù)的哈電機，又要繼續(xù)沖擊新的行業(yè)制高點，攀登世界水電之巔。

夢想從這里開始

百萬千瓦水電機組“萌芽”

核心閱讀　從三峽左岸當學(xué)生到三峽右岸自主創(chuàng)新，哈電機走出了一條巨型水輪發(fā)電機組技術(shù)引進、消化吸收、再創(chuàng)新的成功之路，被國家譽為創(chuàng)新領(lǐng)域的“三峽模式”，真正實現(xiàn)了“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的跨越，圓了巨型全空冷水輪發(fā)電機組技術(shù)獨步世界的創(chuàng)新夢。

1958年12月，在“全國科學(xué)規(guī)劃會”上，哈電機將編寫好的《三峽樞紐水利機組容量論證初步意見》同與會專家分享，提出了研制30萬千瓦、45萬千瓦、60萬千瓦、80萬千瓦、100萬千瓦水電機組等5個方案的構(gòu)想，以及相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)、尺寸和裝配圖，這便是“百萬水電機組”逐夢過程的起點。

但由于當時的技術(shù)水平所限和歷史原因，具體的研發(fā)工作并沒有進一步展開?？墒?，研制100萬千瓦水電機組，助力國家經(jīng)濟建設(shè)、助推中國科技進步這一宏偉的夢想，卻深深地植入了哈電人的心中。

從1951年成功制造容量僅0.8兆瓦的下硐水輪發(fā)電機組、實現(xiàn)我國立式水電機組自行設(shè)計制造“零”突破，到安徽響洪甸水電站1萬千瓦、浙江新安江水電站7.25萬千瓦、甘肅劉家峽30萬千瓦雙水內(nèi)冷水電機組的研制成功，再到四川二灘55萬千瓦水輪發(fā)電機組投入運行，哈電機在水電裝備制造過程中直面艱難險阻，領(lǐng)跑中國水電裝備創(chuàng)造，為研發(fā)更大容量水輪發(fā)電機組積累了技術(shù)儲備，進行了充分的實戰(zhàn)演練。

上世紀90年代起，哈電機開啟了“三峽時代”新模式。當時，在三峽左岸，哈電機還只能做一個寂寂無聞的分包商，而在三峽右岸機組的制造中，哈電機便以其“獨門絕技”，實現(xiàn)技術(shù)上的兩大突破：一是開發(fā)的優(yōu)質(zhì)新型轉(zhuǎn)輪為機組帶來最好的穩(wěn)定性，攻克了水輪機高部分負荷壓力脈動帶的難題；二是全空冷技術(shù)的應(yīng)用，打破了國外水電強國對全空冷水輪發(fā)電機極限出力為60萬千瓦的設(shè)計理念，開創(chuàng)了大容量全空冷發(fā)電機運行的新時代。

2008年，哈電機承接了向家壩4臺套80萬千瓦和溪洛渡6臺套77萬千瓦全空冷水輪發(fā)電機組研制合同。其中，向家壩機組是當今世界已運行單機容量最大的機組，也是國內(nèi)首個80萬千瓦等級機組。在研制期間，哈電機采用了多項“百萬水電機組”的研究成果，使“百萬水電機組”的研究得到工程實際的進一步驗證。溪洛渡、向家壩機組投運后，相關(guān)專家得出的結(jié)論是：哈電機研制的機組主要指標比最初確定的“精品機組”要求還要好，機組的穩(wěn)定性超乎最初的想象。

憑著先進的技術(shù)和領(lǐng)先的制造，哈電機成為全國巨型水輪發(fā)電機組市場的最大贏家。三峽工程全部發(fā)電機組共32臺，而短時間內(nèi)哈電機承攬的50多臺巨型水輪發(fā)電機組制造合同，相當于再造了兩個新三峽，對國家裝備制造業(yè)的貢獻無可取代。

夢想向這里進發(fā)

百萬千瓦水電機組“攻關(guān)”

核心閱讀　從新中國第一臺0.8兆瓦的下硐水輪發(fā)電機組，到世界最大單機容量100萬千瓦的白鶴灘空冷水電機組，哈電機練就了過硬的本領(lǐng)，許多關(guān)鍵技術(shù)達到了國際先進水平，研制巨型機組得心應(yīng)手、揮灑自如，為開發(fā)“百萬水電機組”奠定了更加堅實的基礎(chǔ)。

2007年，受中國水電水利規(guī)劃設(shè)計總院委托，哈電機承接了《100萬千瓦級水電機組制造可行性分析》專題研究，踏上了百萬千瓦水電機組科研攻關(guān)的征途。同年，在向國家科技部提交可行性研究報告之后，哈電機又聯(lián)合國內(nèi)知名研究院所、高等院校和企業(yè)組成攻關(guān)團隊，承接了7個國家科技支撐項目課題的研究工作，產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合，獲得了一大批新理論、新技術(shù)、新測試分析方法及發(fā)明專利。

時間快步行走至2012年，國家科技支撐計劃攻關(guān)的重任依舊落在哈電人的肩上，不同的是，有了白鶴灘項目為依托。根據(jù)白鶴灘、烏東德工程的實際特點，三峽集團公司先后委托哈電機開展了6個關(guān)于100萬千瓦水輪發(fā)電機組專項技術(shù)的研究，使哈電機的研究開發(fā)工作更具針對性，更接近工程實際。

白鶴灘水電站是中國長江三峽集團公司開發(fā)的金沙江下游河段梯級的第二級電站。電站裝機16臺總計1600萬千瓦水輪發(fā)電機組。電站建成后，將僅次于三峽水電站，成為世界第二大水電站。

白鶴灘電站機組為中高水頭、中低轉(zhuǎn)速、巨型混流式水輪發(fā)電機組。機組不僅運行水頭高、變幅范圍廣，而且結(jié)構(gòu)外形尺寸巨大。因此，要對水輪機、發(fā)電機參數(shù)進行單獨及整體匹配優(yōu)化研究；對機組總體結(jié)構(gòu)型式選擇、重大部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動力響應(yīng)及機械穩(wěn)定性進行預(yù)估研究，不僅要考慮改善機組高水頭運行的穩(wěn)定性，而且要兼顧低水頭超額定出力發(fā)電的要求。

哈電機從100萬千瓦水輪發(fā)電機組的安全高效運行角度出發(fā)，重點針對巨型機組穩(wěn)定性、水力開發(fā)、電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣技術(shù)、疲勞破壞和過渡過程、通風冷卻試驗及測試方法等方面進行科研攻關(guān)，攻克了多項世界性技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了歷史性跨越，推動著我國巨型水輪發(fā)電機組制造技術(shù)進一步走向成熟。

在項目的研究過程中，哈電機發(fā)表了47篇論文，獲得國內(nèi)專利授權(quán)49項，其中發(fā)明專利16項。課題驗收專家組認為，哈電機研究的成果在某些方面達到世界領(lǐng)先水平，各項科研成果足可以支撐工程設(shè)計制造的各項要求。

夢想在這里實現(xiàn)

百萬千瓦水電機組“蛻變”

核心閱讀　一定要把科研開發(fā)作為打造技術(shù)競爭優(yōu)勢與核心競爭力的長期戰(zhàn)略，推進技術(shù)進步上新臺階。懷揣著偉大的信念，哈電機不斷超越自我，在百萬千瓦水電項目的研發(fā)領(lǐng)域攀登新的高峰。

針對白鶴灘電站對機組運行的要求，哈電機多輪次地優(yōu)化設(shè)計水輪機轉(zhuǎn)輪，大幅度降低了水輪機飛逸轉(zhuǎn)速及無葉區(qū)壓力脈動，提高了機組過速和甩負荷時的穩(wěn)定性和安全性，既能滿足高水頭穩(wěn)定性能的要求，又在低水頭段具有較大的超發(fā)能力。同臺對比最終結(jié)果表明：哈電機研發(fā)的模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率和加權(quán)平均效率均達到了世界先進水平。

隨著單機容量的增加，電機的冷卻難度也越來越大。經(jīng)過分析得出，采用空氣冷卻方式的機組，結(jié)構(gòu)布置簡單、安裝維護方便、運行更加可靠。然而，首次在這樣大容量的機組上采用空氣冷卻，不僅是一個新的技術(shù)飛躍，更是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為了獲得有效的試驗數(shù)據(jù)，哈電機冷卻團隊設(shè)計制造了專用的模型裝置，真實模擬真機的通風狀態(tài)，驗證了100萬千瓦機組采用全空冷的方式是完全可行的。相關(guān)專家認為，哈電機掌握了一套獨有的全空冷技術(shù)。這一科研成果榮獲了黑龍江省科學(xué)技術(shù)一等獎，該模擬試驗裝置也獲得了國家發(fā)明專利。

哈電機產(chǎn)品設(shè)計部初步設(shè)計組組長王威介紹說，白鶴灘電站的尾水系統(tǒng)為“三機一洞”的布置方式，具有明滿流交替的現(xiàn)象，對過渡過程的品質(zhì)要求更苛刻，致使機組過渡過程的計算尤為復(fù)雜。為了攻下這一難題，哈電機開發(fā)出了先進的軟件，詳細模擬白鶴灘左岸1號和右岸8號水力單元的管路系統(tǒng)，對機組運行中的各種過渡工況進行仿真計算，獲得了一系列詳實、有效的數(shù)據(jù)，為后續(xù)進一步優(yōu)化設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

由于機組單機容量大，無論是電力系統(tǒng)擾動引起的振蕩，亦或是系統(tǒng)的誤操作，都有可能對電機或電網(wǎng)造成影響，甚至會帶來巨大損失。避免此問題的唯一辦法，就是對機組各個瞬態(tài)運行性能進行預(yù)估，找準應(yīng)對方案。

哈電機電磁分析科研團隊責無旁貸地承擔了這一國家重點科研課題。無數(shù)次地計算，無數(shù)次地試驗，100萬千瓦水輪發(fā)電機最佳的電磁方案終于被成功地開發(fā)出來。在此基礎(chǔ)上，電磁分析科研團隊還針對三峽、溪洛渡、向家壩等巨型機組調(diào)試中出現(xiàn)的各種振動問題進行了跟蹤測試，在白鶴灘機組的設(shè)計中，尤其是在定子低頻振動方面，研究出了更加可靠的解決方案。

哈電機白鶴灘項目水輪機主任設(shè)計吳繼兵介紹說，經(jīng)過不斷探索，哈電機將水導(dǎo)軸承設(shè)計為自泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)，冷卻器外置式，這不僅減小了水導(dǎo)油箱的尺寸，而且保證了足夠的維護檢修空間。通過對主軸密封的研發(fā)，哈電機將靜壓自平衡式端面水壓密封作為首選方案，這種結(jié)構(gòu)能夠保證密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)之間形成潤滑水膜，密封效果更穩(wěn)定，工作壽命更長，維護和檢修更方便。

白鶴灘水電機組將繼承三峽等項目的研制成果，水輪機轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)、葉片，均采用精煉不銹鋼材質(zhì)鑄造，再分別數(shù)控加工后進行焊接熱處理，由于模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計優(yōu)秀、材質(zhì)好、型線準確、按設(shè)計區(qū)域運行，破解了以往轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的難題。

由于機組的部件尺寸大，轉(zhuǎn)輪和下機架均需采用工地制造，工藝人員詳細分析和研究大型部件廠內(nèi)和工地制造方案，先后對工地制造方案、設(shè)備、工藝、廠房布局、質(zhì)量控制、吊裝方案等進行了詳細研究和討論，首次對工地制造廠房進行了3D繪制并在標書編制中應(yīng)用和展示，為實現(xiàn)關(guān)鍵大型部件在工地成功制造提供了保障。