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我国抽水蓄能机组装备制造水平持续跃升

日期:2021-09-27    来源:中国改革报《能源发展》周刊  作者:宫让勤 姜宏雨

国际储能网

2021
09/27
11:25
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关键词: 抽水蓄能 装备制造 储能技术

随着清洁能源低碳转型的推进,我国风电和太阳能等非化石能源在电网中的比例越来越高。但由于风电和太阳能等新能源的间歇性特征,要更好地发挥他们的作用,电力系统则需要配备15%的储能电源,以保证电网的电压和频率稳定。而大量研究表明,抽水蓄能电站是最经济、最可靠、最环保、最安全、最成熟、最灵活的大规模储能方式。随着我国抽水蓄能技术水平的持续跃升,抽水蓄能装备正在保障能源电力安全、促进清洁能源消纳、实现“碳达峰、碳中和”目标、促进大气污染防治等方面发挥着越来越重要的作用。

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摸索到创新的跨越

抽水蓄能电站作为电网系统的重要一环,对提高整个系统的安全稳定运行和供电质量起着至关重要的作用。而国外公司对研发技术严格保密,我国抽水蓄能机组在很长一段时间处于自我摸索阶段。虽然上世纪末,国内电力装备制造企业与国外公司进行了回龙、白山、韩国青松等项目的合作交流,积累了一定的机组设计和制造经验,但国内研发能力明显不足。

2005年2月,在国家发改委的大力支持下,进一步推进了我国抽水蓄能机组国产化进程。以哈尔滨电气集团哈尔滨电机厂有限责任公司(简称哈电电机)和东方电气集团东方电机有限公司(简称东方电机)为代表的国内电力装备制造企业努力抢抓机遇,在学习国外技术的同时大力推进自主创新,使我国的抽水蓄能机组研发能力有了质的飞跃。

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作为行业龙头企业的哈电电机和东方电机,累计参与了39座抽水蓄能电站的建设,承制了134台套抽水蓄能机组。这些抽水蓄能机组已涵盖所有水头段和各档转速,在研发、设计、制造、质量等方面已达到了世界最先进的水平。

目前,国内已投运的单机容量最大抽水蓄能机组的为仙居电站,单机容量为375兆瓦;扬程最高的抽水蓄能电站为长龙山电站,最高扬程764米,是世界第二高水头的抽水蓄能电站;转轮直径最大的抽水蓄能电站为白莲河电站,转轮的最大外径为5320毫米。在制的阳江机组单机容量400兆瓦、最高扬程705.6米、额定转速500转每分钟为世界级制高点项目,计划今年年底投入商业运行。现正在研制单机容量425兆瓦,最高扬程约为775米,到达世界先进水平。

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经过多年发展,我国已经建成的抽水蓄能电站在运装机3179万千瓦、在建装机5063万千瓦,成为全球抽水蓄能规模最大的国家。我国抽水蓄能技术的发展和进步得益于国家的政策、信任和支持。

为适应新型电力系统建设和大规模高比例新能源发展,助力国家实现“碳达峰、碳中和”目标,近日,国家能源局印发了《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》,规划明确到2025年抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番,达到6200万千瓦以上;到2030年,抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番,达到1.2亿千瓦左右。这是我国抽水蓄能技术和装备制造水平进一步跃升的重大机遇,对我国电力装备制造行业更好地发挥助力我国经济社会高质量发展作用具有重要意义。

破解世界难题的水泵水轮机技术

抽水蓄能机组设计水头高,且启停机工况复杂,对水轮机各部件的刚强度及抗疲劳性能要求严格。为此,以哈电电机、东方电机为代表的我国电力装备制造企业,在研发、设计、制造过程中开展了大量的创新工作。

根据抽水蓄能电站的不同参数,对水泵水轮机的水力性能(包括:水轮机和水泵工况双向能量性能优化,正常运行区压力脉动的优化、水泵工况“驼峰”区的优化,水泵空化性能的优化和“S”区的优化等)进行了优化设计,对水力通道的几何尺寸和翼型进行优化设计,采用定常与非定常CFD数值计算结果对水力性能进行判断,通过模型试验对水力模型性能进行验证,成功掌握了水泵工况“驼峰”特性控制技术、水泵空化性能优化技术、“S”区优化技术、双向效率与稳定性匹配设计技术,满足了水泵水轮机的稳定、高效运行要求,可以对各水头段水泵水轮机进行水力开发。

哈电电机的科研基地大电机研究所既是我国大电机行业的专业所,也是水电发电设备国家重点实验室,还是国家水力发电设备工程技术研究中心,依托强有力的人才、技术、设备等研发资源,大电机研究所带领我国行业企业开展抽水蓄能技术研究,在推进水泵水轮机的水力性能、结构刚强度及振动、轴承等方面的技术研究中发挥了重要作用。

水泵水轮机的水力开发需要通过模型试验对设计结果进行验证,而高水头封闭式水泵水轮机模型试验台是水泵水轮机模型试验的基础。试验台数量的多寡与规模的大小在很大程度上代表着企业或部门水力发电设备设计研发能力,同时也代表着水轮机模型试验能力的高低。我国的哈电电机、东方电机等单位也具有多座高水头、高精度的水力性能试验台,可保证水泵水轮机的模型试验结果准确性。

国内公司陆续攻克了80公斤级引水钢岔管高强钢焊接技术、锻焊结构转子轴窄间隙埋弧焊技术、长短叶片结构抽蓄转轮装焊技术、推力瓦巴氏合金自动堆焊技术、机器人超窄间隙MAG自动焊技术、耐磨耐腐蚀层不锈钢自动堆焊等关键技术、进水球阀采用数控设备及配合智能测量技术、整体球阀制造工艺技术、水轮发电机浮动磁轭加工技术和单波纹弹性油箱数控加工技术等关键技术,取得相关发明及实用新型专利百余项,积累了大量的储备技术。这些技术在提升产品质量、生产效率、自动化水平等方面效果显著,为抽蓄市场的持续开发提供了有力的技术支撑。

结构刚强度及振动研究技术方面,利用随时间变化的瞬态压力场计算得到转轮运行过程中的动态应力,能显著提高转轮疲劳评估准确性;在设计阶段通过结构优化改变固有频率,避免发生动静干涉共振风险;发电电动机转子关键部件可靠性分析技术,基于FKM准则的疲劳分析技术,全面考虑疲劳影响因素,提高部件疲劳寿命计算精度;机组振动测试及现场动平衡试验技术,积累了丰富的理论和实践经验,解决无数机组振动问题。上述技术成功应用于阳江抽蓄机组等项目研发,并取得较好的效果,为后续抽蓄机组研发奠定了坚实的技术基础。

国内电力装备制造企业的一系列技术创新,提高了机组运行稳定性,实现了高效率和高稳定性兼顾,特别在高水头抽水蓄能电站机组上采用了新的控制策略,缩短了水泵水轮机发电工况启动并网时间,成功攻克了水头变幅大的水泵水轮机并网困难的世界性技术难题。

发电电动机技术持续突破

发电电动机的设计从电磁设计、通风系统设计、绝缘系统研究、轴承技术开发、刚强度及稳定性分析技术研发等角度取得了长足进步。

在电磁性能技术研究上,我国拥有行业通用的Ansoft、Magnet、Flux及Simsen等电磁场及电磁暂态仿真软件,可采用二维及三维瞬态电磁场有限元法及机网电磁暂态数值仿真分析法,结合多年来积累的抽蓄项目电磁理论研究经验,从理论分析计算角度保证机组优良的电磁性能,对未来大容量、高转速蓄能机组项目的研发,具备坚实的电磁理论研究基础。同时,我国有具有世界先进水平的试验设备和国家级大型水电设备质量监督检测中心,具有丰富科研及实际工程项目性能试验经验的电气试验团队,能够实现对理论计算和设计方法的不断校验,有效促进理论分析计算的准确性不断提升。此外,还拥有大型水轮发电机电磁结构及性能实验模型、分数极路比绕组抽水蓄能发电电动样机及抽水蓄能发电电动机变频启动物理仿真系统等,能够对后续抽蓄项目的研发提供有效模拟支撑。

在绝缘性能技术研究领域,哈电电机等国内企业拥有国内容量最大、精度最高的定子线棒冷热循环装置,能够保证定子线棒拥有良好的热稳定性;具备电热老化实验、耐环境温度、防潮、防盐雾等试验能力。此外,在高电压等级及高海拔环境的绝缘技术方面,积累了丰富的工程经验,对未来大容量、高转速抽蓄项目的研发提供了有力支撑。

在通风冷却技术研究方面,国内企业拥有专业的冷却技术研究团队,应用国际通用的Fluent、CFX、Flowmaster等流体及热分析软件进行电机的流场和温度场分析,能够有效解决电机冷却技术研究问题。国内企业自主开发了用于模拟发电电动机流场的相似通风模型、用于高电密转子通风结构研究的转子共轭换热模型、用于基础科研的流体及换热参数试验台进行有针对性的研究,解决了发电电动机通风冷却的瓶颈问题,实现了抽水蓄能发电电动机容量提升过程中通风冷却系统的升级。先后完成了白鹤滩、丰宁、敦化、阳江等重点项目的通风模型验证。从研发到试验验证,再到工程应用、现场运行试验对比,国内企业实现了抽水蓄能发电电动机通风冷却系统的闭环研究,冷却技术基础扎实,创新能力强,可有力支撑抽水蓄能项目的推进。

在轴承技术研究方面,自宝泉、惠州、白莲花等抽水蓄能机组技术引进开始,哈电电机和东方电机就展开了对蓄能机组双向推力轴承的瓦面材料、支撑结构、性能计算等关键技术方法的研究,经过30余年发展,各项研究内容已经逐渐成熟并取得了丰硕成果。在瓦面材料方面,开发出了巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦两种瓦面材料,经验证两种材料均适用于大型抽水蓄能机组;在轴承支撑结构方面,开发了特有的弹性油箱支撑结构,能自动平衡瓦间负荷,提升轴承运行稳定性,其性能处于行业领先地位;在计算方法方面,自主开发了热弹流动力润滑性能计算分析软件TBearing,可对轴承承载能力实现精准计算。除此之外,哈电电机还建设了高速推力轴承试验台,其试验能力处于行业第一位置,先后进行过溧阳、深蓄、敦化、长龙山、阳江等抽水蓄能机组双向推力轴承全尺寸模拟试验,积累了行业内最丰富的双向推力轴承试验数据,为提升轴承综合设计能力提供了坚实基础。

与此同时,随着近年来技术改造及信息化进程的加速,国内的工艺装备发生了质的变化。以哈电电机为代表的国内公司早已配备了功能强劲的下料、热处理、成型设备,类别齐全、加工范围宽广的系列冷加工设备,数控精大稀金属切削设备,全自动数控加工中心、焊接机器人,以及为制造定子线棒、磁极部件、磁轭冲片等关键工件的专用加工设备。

经过近二十年的高速发展,中国抽水蓄能机组装备制造水平持续跃升、制造成就令人瞩目,能够承担单机容量450兆瓦的抽水蓄能机组的设计和制造,水头范围覆盖到800米,转轮直径最大可达7米,转速从100转每分钟到750转每分钟,实现了单级水泵水轮发电机组水头全覆盖、转速全覆盖、容量全覆盖,为“双碳目标”的实施提供强有力的装备制造支持。

可以预见,随着抽水蓄能中长期发展规划的落实实施,我国抽水蓄能技术和装备制造水平将进一步跃升。(宫让勤系哈尔滨电机厂有限责任公司、副总设计师;姜宏雨系哈尔滨电机厂有限责任公司市场部项目经理)

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