中國儲能網(wǎng)訊：7月7日，粵港澳大灣區(qū)首個(gè)變速抽水蓄能工程——肇慶浪江300兆瓦級大型抽水蓄能電站地下廠房開挖完畢，全面進(jìn)入機(jī)電安裝的新階段。這是我國大型變速抽水蓄能機(jī)組研制的又一里程碑節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志著我國加快向首臺（套）裝備實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的目標(biāo)邁進(jìn)。
以“變”應(yīng)“變”，抽水蓄能助力能源轉(zhuǎn)型的“接力長跑”
2023年6月12日，南方電網(wǎng)肇慶浪江、惠州中洞兩座抽水蓄能電站機(jī)組及輔助設(shè)備采購合同在南方電網(wǎng)股份有限公司（以下簡稱“南網(wǎng)儲能公司”）辦公大樓內(nèi)簽訂。這次合同簽訂因采購設(shè)備包含“首臺國產(chǎn)300兆瓦、400兆瓦變速抽水蓄能機(jī)組”引起廣泛關(guān)注，標(biāo)志著國產(chǎn)大型變速抽水蓄能機(jī)組正式進(jìn)入了工程應(yīng)用階段。
截至2024年5月底，我國風(fēng)電、光伏裝機(jī)總量達(dá)11.5億千瓦，已占發(fā)電裝機(jī)總量的37.8%，預(yù)計(jì)年內(nèi)新能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將首次超過煤電裝機(jī)規(guī)模。抽水蓄能電站具有上下兩個(gè)水庫，電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)用電抽水，負(fù)荷高峰時(shí)放水發(fā)電，是目前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源。在我國大力建設(shè)新型電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步進(jìn)入“快車道”，在運(yùn)及在建抽水蓄能電站規(guī)模均穩(wěn)居世界第一。與此同時(shí)，我國聚焦抽水蓄能機(jī)組這一電站核心裝備，積極推動(dòng)機(jī)組裝備制造核心技術(shù)從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展。
安裝變速抽水蓄能機(jī)組能夠通過改變機(jī)組轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)功率的靈活調(diào)節(jié)，更好地適應(yīng)風(fēng)電、光伏等間歇性、波動(dòng)性新能源穩(wěn)定接入電網(wǎng)。針對新能源“變”的特性帶給電網(wǎng)穩(wěn)定的挑戰(zhàn)，我國持續(xù)加快了國產(chǎn)大型變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)攻關(guān)步伐。2017年7月，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究”項(xiàng)目啟動(dòng)，將“可變速抽水蓄能機(jī)組全景物理模擬技術(shù)”列為重要內(nèi)容；2022年5月，我國自主研發(fā)的5兆瓦小型變速抽水蓄能機(jī)組在春廠壩抽水蓄能電站投運(yùn)；同月，我國公布了年度能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目清單，“300兆瓦級變速抽水蓄能機(jī)組成套設(shè)備”列75個(gè)項(xiàng)目之首，明確南方電網(wǎng)肇慶浪江抽水蓄能電站等工程為其依托工程；2022年6月，中國科協(xié)發(fā)布年度10個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題，“如何研制大型可變速抽水蓄能機(jī)組”位列其中；2022年11月，300兆瓦級大容量變速抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化依托工程全部開工建設(shè)；2022年12月，我國首個(gè)超大容量變速抽水蓄能工程南方電網(wǎng)惠州中洞抽水蓄能電站全面開工，將安裝1臺400兆瓦國產(chǎn)大型變速抽水蓄能機(jī)組；2023年5月，“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究”科技成果通過鑒定，南方電網(wǎng)牽頭研制了國內(nèi)首套10兆瓦可變速機(jī)組主機(jī)及變流器工程樣機(jī)，與武漢大學(xué)聯(lián)合搭建了我國首座可變速抽水蓄能機(jī)組實(shí)證平臺……
“國產(chǎn)大型變速抽水蓄能機(jī)組研制是產(chǎn)學(xué)研用多方同向發(fā)力、持續(xù)攻關(guān)的一場‘接力長跑’，盡管各方有著不同的職責(zé)任務(wù)，但終點(diǎn)共通，就是要以變速前沿技術(shù)催生抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的新動(dòng)能。”南方電網(wǎng)戰(zhàn)略級技術(shù)專家彭煜民表示。
向“新”而行，工程建設(shè)推進(jìn)與新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的“雙向奔赴”
穿過1600余米的交通洞，來到“300兆瓦級變速抽水蓄能機(jī)組成套設(shè)備”依托工程肇慶浪江抽水蓄能電站工程的“心臟”——地下廠房。這個(gè)外觀如同“巨型地宮”的新廠房長179米、寬26米、高59米，總體積超過27萬立方米，相當(dāng)于108個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池大小。“廠房開挖歷時(shí)近19個(gè)月，從上至下分7層施工完成，我們通過對爆破、支護(hù)、混凝土澆筑等關(guān)鍵流程的技術(shù)參數(shù)和作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格管控，施工優(yōu)良率高達(dá)96%，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平?！蹦暇W(wǎng)儲能公司肇慶浪江抽蓄項(xiàng)目部工程管理專責(zé)張軒指著頭頂上方開挖作業(yè)入口介紹。
據(jù)了解，對于一座總建設(shè)周期約7年半的抽水蓄能電站而言，挖好廠房僅僅是工程進(jìn)入機(jī)電安裝階段的起始。每臺抽水蓄能機(jī)組安裝要經(jīng)過5節(jié)尾水管組裝、125噸重的蝸殼座環(huán)安裝、基坑基礎(chǔ)安裝、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝、350噸重的機(jī)組定子安裝、410噸重的機(jī)組轉(zhuǎn)子安裝等施工工序，歷時(shí)24個(gè)月。要讓抽水蓄能機(jī)組的抽水和發(fā)電兩大功能得以發(fā)揮，還得開挖總?cè)莘e近2000萬立方米、接近一個(gè)半西湖大小的上下水庫，總長超過20公里的35個(gè)地下隧洞、埋藏大山數(shù)百米處的2.8公里長的輸水水道、500余米深的引水豎井?！澳壳埃?000名建設(shè)者正同步推進(jìn)機(jī)電設(shè)備安裝、上下水庫及豎井開挖等40余個(gè)施工面的工作任務(wù)，整個(gè)工地本質(zhì)上是新質(zhì)生產(chǎn)力鍛造的‘大熔爐’，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的施工新模式處處可見?！蹦暇W(wǎng)儲能公司肇慶浪江抽蓄項(xiàng)目部總經(jīng)理鄭智談到。
在電站引水調(diào)壓井正井作業(yè)平臺上，約10層樓高的井架映入眼簾，正在緊張進(jìn)行工程引水深豎井施工作業(yè)。走到井邊往下看，一個(gè)深度超過500米的“長洞”直通山體內(nèi)部，正在進(jìn)行正井?dāng)U挖。這是“引水深豎井正井法”先進(jìn)施工法首次應(yīng)用我國水電工程領(lǐng)域，此前主要應(yīng)用于礦山開挖領(lǐng)域。這套施工法包括鑿巖、排渣、灌漿、排水等13道復(fù)雜工序，實(shí)現(xiàn)井架支撐、主副提升、穩(wěn)車懸吊、立井鉆爆等16個(gè)機(jī)械裝備系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，可直接減少現(xiàn)場人工作業(yè)人員約30%，大幅優(yōu)化工程工期，做到“更少人工、更快施工”。
電站設(shè)計(jì)長度5050米的自流排水洞，將在兩個(gè)月后迎來名字響亮的“掘進(jìn)者”——“肇慶一號”。“肇慶一號”是代表目前隧洞施工技術(shù)最先進(jìn)水平的裝備“全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)”，簡稱“TBM”。利用TBM掘進(jìn)作業(yè)，不僅在掘進(jìn)速度達(dá)到傳統(tǒng)人工鉆爆的4倍，而且能夠大大降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，已在南寧抽水蓄能電站高質(zhì)量地完成掘進(jìn)作業(yè)。肇慶浪江抽水蓄能電站自流排水洞的TBM作業(yè)將實(shí)現(xiàn)該套裝備在粵港澳大灣區(qū)抽蓄工程領(lǐng)域的首次應(yīng)用。
“我們正充分利用抽水蓄能工程建設(shè)的規(guī)模優(yōu)勢，加快推進(jìn)先進(jìn)施工技術(shù)、方法和經(jīng)驗(yàn)在9個(gè)在建抽水蓄能工程的復(fù)制應(yīng)用，積極探索發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的科學(xué)路徑，更高效地為變速抽水蓄能機(jī)組等高端技術(shù)裝備的應(yīng)用搭好平臺?！蹦暇W(wǎng)儲能公司基建部總經(jīng)理余建生如是說。
凝心聚力，技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“深度融合”
2023年3月，我國首臺自主研制變速抽水蓄能機(jī)組的超大直徑護(hù)環(huán)鍛件在江蘇無錫成功下線。這個(gè)直徑約5米、外觀并無特殊的“圓環(huán)”，是東方電機(jī)聯(lián)合派克科技一年多來技術(shù)攻關(guān)的重大成果，填補(bǔ)了超大直徑非磁性金屬護(hù)環(huán)鍛件國產(chǎn)化制造空白，吸引了南方電網(wǎng)等近10家設(shè)備業(yè)主單位、設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)技術(shù)代表們遠(yuǎn)道而來見證。
這種新型護(hù)環(huán)技術(shù)將用于肇慶浪江抽水蓄能電站的300兆瓦變速抽水蓄能機(jī)組?！白兯贆C(jī)組同定速機(jī)組名字只是一字之差，卻需要從零開始重塑一個(gè)新設(shè)備，需要很多像護(hù)環(huán)鍛件這樣的國內(nèi)首創(chuàng)?！鼻皝韰⑴c見證的南網(wǎng)儲能公司技術(shù)專家徐鵬表示。
徐鵬口中的“重塑”源于變速抽水蓄能機(jī)組的特殊結(jié)構(gòu)原理。抽水蓄能機(jī)組集發(fā)電和抽水兩大功能于一體，主要包括發(fā)電電動(dòng)機(jī)和水泵水輪機(jī)。變速機(jī)組的水泵水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)和原理上與定速機(jī)組沒有差別，差別主要在發(fā)電電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，電機(jī)由固定部分的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的必要條件是定子和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場同步運(yùn)行。對于常規(guī)的定速機(jī)組，由于電網(wǎng)頻率本身恒定，固定的定子的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速也不會變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子采取靜態(tài)不變的直流磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要設(shè)置固定的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的同步。變速機(jī)組則大不相同，由于轉(zhuǎn)子本身需要改變速度來實(shí)現(xiàn)功率的靈活調(diào)節(jié)，要與定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步，只能選取同樣動(dòng)態(tài)的交流磁場，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化需要同步調(diào)節(jié)交流磁場的運(yùn)動(dòng)頻率，以實(shí)現(xiàn)兩者磁場同步。
機(jī)組原理變化了，帶給研發(fā)團(tuán)隊(duì)的是整個(gè)研制工作“從無到有”的技術(shù)攻關(guān)?！拔覀兂闪⒘酥鳈C(jī)設(shè)備、控制保護(hù)、仿真研究、網(wǎng)源協(xié)調(diào)、標(biāo)準(zhǔn)建立等5個(gè)技術(shù)攻關(guān)組，聯(lián)合高校院所、設(shè)備廠商同步推進(jìn)16項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)，按周管控進(jìn)度、按月總結(jié)進(jìn)展?！蹦暇W(wǎng)儲能公司基建部副總經(jīng)理雷興春指著電腦里的技術(shù)攻關(guān)進(jìn)度表說。
當(dāng)前，肇慶浪江抽水蓄能電站變速機(jī)組的交流勵(lì)磁設(shè)備已完成電壓電流設(shè)計(jì)參數(shù)校核、輸出電壓波形仿真，基本完成整機(jī)試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行電氣細(xì)化設(shè)計(jì)以及聯(lián)調(diào)試驗(yàn)方案編制工作?！熬妥兯贆C(jī)組而言，不僅是加持關(guān)鍵技術(shù)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛強(qiáng)度、制造工藝，每個(gè)領(lǐng)域都需要重新設(shè)計(jì)研究！”已經(jīng)聯(lián)合各個(gè)設(shè)備廠商召開數(shù)十次專題技術(shù)研討會的南網(wǎng)儲能公司建管分公司機(jī)電部總經(jīng)理葉飛感慨道。
技術(shù)研究過程允許不斷地“探索嘗試”，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品一旦投入工程應(yīng)用，就必須做到安全“萬無一失”，仿真是檢驗(yàn)研發(fā)功能的有效工具。技術(shù)攻關(guān)啟動(dòng)以來，彭煜民帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員一直致力于變速機(jī)組不同運(yùn)行工況的控制策略研究。“目前，我們已經(jīng)完成了機(jī)組工況轉(zhuǎn)換流程的編制和數(shù)模仿真平臺的搭建，正持續(xù)開展有關(guān)功能測試。”彭煜民介紹。
隨著技術(shù)攻關(guān)的各個(gè)擊破和依托工程的加快建設(shè)，我國首臺（套）變速抽水蓄能機(jī)組實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的腳步正加速臨近。“多年來的設(shè)備研制，強(qiáng)烈感受到了關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)新型舉國體制對高端裝備產(chǎn)業(yè)鏈自主化的強(qiáng)大賦能，這也是我們作為技術(shù)工作者的底氣所在?！崩着d春說。
