我國抽水蓄能成套設(shè)備研制能力持續(xù)增強。
4月12日，國內(nèi)單機容量最大的抽水蓄能電站——浙江仙居抽水蓄能電站1號機組成功并網(wǎng)發(fā)電，機組的核心水泵水輪機、發(fā)電機以及自動控制系統(tǒng)均擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了國內(nèi)完全自主化，標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握大型抽水蓄能電站核心技術(shù)。
業(yè)內(nèi)專家指出，抽水蓄能技術(shù)實現(xiàn)根本性跨越，將強有力地支撐我國抽水蓄能行業(yè)快速發(fā)展，同時將使國內(nèi)市場的抽水蓄能設(shè)備價格大幅下降，預(yù)計可為國家節(jié)省至少上百億元資金。
依靠進口發(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、壽命周期長、容量大、技術(shù)最成熟的儲能裝置，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)備全部是舶來品?！俺樗钅軝C組，因為需要雙向運行，而且工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，運行水頭高，設(shè)備轉(zhuǎn)速高，設(shè)計、制造的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)水電機組。以我國當(dāng)時的重裝備制造水平來說，發(fā)展抽水蓄能只能依靠進口設(shè)備?！眹W(wǎng)新源公司副總經(jīng)理高蘇杰稱。
依靠“拿來主義”就要付出高昂的代價。國外廠商依仗技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)備引進毫無討價還價的余地。技術(shù)服務(wù)受制于人，關(guān)鍵部件的供貨周期有時需要3到6個月，建設(shè)抽水蓄能電站十分艱難。
中國電建華東勘測設(shè)計研究院總工程師陳順義表示:“當(dāng)時我國建一座抽水蓄能電站，核心機電設(shè)備投資占總體投資的一半以上，是國際市場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)等問題，嚴(yán)重制約我國抽水蓄能事業(yè)的發(fā)展。自上世紀(jì)60年代我國在河北崗南建成第一座抽水蓄能電站，經(jīng)過近40年、發(fā)展，到2003年，抽水蓄能電站裝機容量仍然只占電力裝機總量的1.6%，而歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家的抽水蓄能裝機比例早已達(dá)到5%-10%。抽水蓄能行業(yè)的發(fā)展速度，與我國電力事業(yè)的高速發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)。
“當(dāng)時國內(nèi)抽水蓄能行業(yè)已經(jīng)深刻認(rèn)識到，實現(xiàn)抽水蓄能跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)，就必須打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)核心設(shè)備自主化?！备咛K杰說。
“三步走”后來居上
2003年3月21日，國家發(fā)改委組織國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、中國機械工業(yè)聯(lián)合會以及國內(nèi)水電制造行業(yè)的龍頭——哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司和東方電氣集團東方電機有限公司等單位的專家代表，共商抽蓄設(shè)備自主化大計。當(dāng)時會議正式提出，要采取“技術(shù)引進—掌握優(yōu)化—自主創(chuàng)新”的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，通過產(chǎn)、學(xué)、研、用的戮力同心“總體戰(zhàn)”，逐步實現(xiàn)我國抽水蓄能電站機組及成套設(shè)備制造自主化。
之后，在國家發(fā)改委統(tǒng)一組織下，招標(biāo)領(lǐng)導(dǎo)小組經(jīng)過一年多談判，從國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設(shè)備的中標(biāo)對象。同時，“技術(shù)轉(zhuǎn)讓標(biāo)”談判后，設(shè)備制造商承諾無條件、無保留轉(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，為我國抽水蓄能技術(shù)的快速發(fā)展開辟了道路。
在國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，如何進行消化吸收再創(chuàng)新，成為一大挑戰(zhàn)。其中水泵水輪機是抽水蓄能電站最核心的設(shè)備，破解其雙向運行難題是當(dāng)務(wù)之急。
據(jù)介紹，水泵水輪機是水泵與水輪機的結(jié)合，可以實現(xiàn)水泵抽水儲能，又可以化身為水輪機拖動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)這種功能上的“可逆”，依靠的是它正反雙向運行的獨特能力。
“雙向運行聽上去簡單，但做起來極難?！眹铱萍贾斡媱潯按笮统樗钅軝C組成套設(shè)備研制”課題負(fù)責(zé)人覃大清解釋，“水泵和水輪機的水力特性完全相反，依靠常規(guī)設(shè)計手段難以兼顧設(shè)備的穩(wěn)定性和效率。國外一般采取在轉(zhuǎn)輪上安裝非同步導(dǎo)葉的機械手段提升設(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，有時還會引發(fā)劇烈振動，導(dǎo)致機組無法并網(wǎng)?！?
為了破解這一世界性難題，研究人員用了2年時間，通過對幾十個水泵水輪機模型和上百種設(shè)計方案的分析論證和試驗，制定了以水泵與水輪機特性并行迭代的水力優(yōu)化設(shè)計方法，采用水力手段，從根本上保障了水泵水輪機雙向運行的穩(wěn)定性。此外，依托國家973計劃“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)出降低水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動方法、混流式水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪等獨創(chuàng)技術(shù)，獲得5項發(fā)明專利。在保證穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)了水泵水輪機效率的同步提高。
在此基礎(chǔ)上，我國首個完全自主設(shè)計研制的安徽響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機真機模型，成功通過了瑞士洛桑中立試驗臺的模型驗收試驗，最優(yōu)效率達(dá)94.28%。
自主研發(fā)提升競爭力
隨著抽水蓄能市場的不斷壯大，對設(shè)備可靠性和安全性的要求越來越高。
“抽水蓄能機組發(fā)電機的研制難度是常規(guī)水電機組的2到3倍，轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)帶來結(jié)構(gòu)安全性的巨大考驗?！惫枮I電機廠前總工程師王國海表示，“和常規(guī)水電機組相比，抽水蓄能發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速高。與三峽相比，雖然響水澗電站的單機容量不足三峽的一半，但轉(zhuǎn)速卻是三峽發(fā)電機的3倍多。在這么高的轉(zhuǎn)速下，發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子要頻繁承受機組啟停、正反轉(zhuǎn)過程中交變負(fù)荷和沖擊負(fù)荷，結(jié)構(gòu)安全性面臨巨大考驗?！?
結(jié)構(gòu)安全性研究沒有捷徑可走，只能依靠過硬的設(shè)計能力?！爱a(chǎn)品質(zhì)量首先是設(shè)計出來的，其次才是制造出來的。”在東方電機有限公司副總工程師鄭小康帶領(lǐng)下，設(shè)計攻關(guān)團隊經(jīng)過反復(fù)測算試驗，最終確定轉(zhuǎn)子柔性固定方案，即自動適應(yīng)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速、不同工況的需要，保持恒定約束力，大幅加強轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全性。
設(shè)備的安全可靠更離不開控制系統(tǒng)的保障。自動控制系統(tǒng)被譽為抽水蓄能電站的“大腦”和“中樞神經(jīng)”，用來指揮、協(xié)調(diào)、控制電站的所有設(shè)備。由于抽水蓄能機組運行工況多、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)，早已被國際知名企業(yè)牢牢控制，技術(shù)引進無從談起，也就意味著沒有任何成熟經(jīng)驗可以借鑒和參考。為此，國家電網(wǎng)曾先后兩次立項，由國網(wǎng)新源公司和南瑞集團公司共同承擔(dān)，開展大型抽水蓄能電站自動控制系統(tǒng)自主研制工作。
據(jù)了解，目前具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站計算機監(jiān)控、勵磁、調(diào)速和保護系統(tǒng)，通過自主調(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，引進控制系統(tǒng)存在的機組啟動轉(zhuǎn)速擺動大、參數(shù)測量精度低、滅磁速度慢等問題，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)，是國家重點工程?？偼顿Y為58.51億元，總裝機容量150萬千瓦，安裝4臺37.5萬千瓦立軸單極可逆混流式機組，是國內(nèi)單機容量最大的抽水蓄能電站，設(shè)計年抽水用電量32.63億千瓦時，年發(fā)電量25.13億千瓦時。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等建筑物組成。上水庫主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86.7米，水庫總庫容1294萬立方米；下水庫利用已建下岸水庫，下水庫主壩為混凝土拱壩，最大壩高64米，總庫容13504萬立方米，有效庫容9261萬立方米。
目前，該電站2、3、4號機組正緊鑼密鼓地進行安裝，2號機組預(yù)計4月23日總裝完成，4月30日整組啟動調(diào)試，7月1日并網(wǎng)發(fā)電。3號機組預(yù)計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日整組啟動調(diào)試，10月1日并網(wǎng)發(fā)電。4號機組預(yù)計在12月31日并網(wǎng)發(fā)電，屆時將全面實現(xiàn)“一年四投”節(jié)點目標(biāo)。
