简述我国发电设备制造业的自主创新成果

哈尔滨电机厂有限责任公司 杨珍珠

当今世界发电设备市场已经处于供过于求的形势，从而导致市场竞争更加激烈。美国西屋公司甚至停产了这种产品，并向外转让技术；GE公司也通过国际采购方式而尽量少做那些市场上能买到的大路货；整个欧洲厂家几乎都统合到了德国西门子和法国阿尔斯通公司的旗下。许多厂商关停并转，重组联合，壮大实力，对长线产品则实行标准化、模块化设计，专业化生产，全球化采购，缩短生产周期，降低生产成本，压低产品价格，强化竞争实力。对新产品则实施技术垄断，加大利润。竞争的主要对象是：水电领域有超大容量的巨型混流式水电机组（700MW以上，性能好，稳定性高）；大容量抽水蓄能发电机组（300MW以上，采用交流励磁进行调速）。火电领域有大容量高效燃气发电机组；空冷热电连产供热发电机组；采用高效燃烧技术的发电机组；高温燃气发电机组：压缩空气+联合循环发电机组。核电领域有1000MW级机组（要求采用先进的堆芯，具有较高安全性和经济性，预防和根除事故的发生，延长运行寿命）。风电领域有MW级的大型机组。海洋发电领域主要是大中型灯泡贯流式发电机组。市场竞争的取胜，主要取决于自主创新和品牌产品。当前生产的最大发电机组国内外对比见表1。改革开放以来，在原始创新、集成创新和引进、消化、吸收、再创新方面，我国取得了重大成果。

1 通风冷却科学化

1.1 蒸发冷却

大型汽轮发电机普遍采用氢冷，它的冷却功能远大于空冷。然而氢气泄漏引发的爆炸危险，威胁发电厂安全运行，内地与香港均发生此类事故，采用蒸发冷却就不存在这些问题。水内冷技术虽然冷却效果很高，但需增设昂贵的水处理系统，且由水泄漏而造成事故的危险，电站维护，安全运行困难。蒸发冷却系统泄漏量可减到最小，具有独特的优越性，因为它是绝缘的液体.它采用低沸点（50度－60度）的新型氟碳化合物液体，具有无毒、无污染、高绝缘性能、无腐蚀性、防火、灭弧性能，且密闭、无泵自循环、运行方便、可靠性较高，这种更加科学的冷却技术将取代复杂的传统水冷技术。采用蒸发冷却，可节约电机成本3%－5%，冷却系统基本上无维护，可减少维护工作量和费用，增加电站经济效益。这种技术已经用于5台机组，李家峡400MW水电机组，投运5年多，从未发生任何故障。

我国蒸发冷却技术的开发应用填补了世界空白，处于世界领先地位。蒸发冷却新技术是国际公认的旋转电机领域4大最新进展之一（其他3项为超高压电机、超导电机和大型空冷电机）。中科院电工所长达40多年的研究，做出了重大贡献，东方电机公司首先应用并取得成功。1996年11月，研制的最大为（李家峡）400MW机组并网发电，上海汽轮发电机有限责任公司主攻卧轴式汽发，难度较大。2005年1月24日完成的国家科技攻关项目《135MW蒸发冷却汽发的开发》通过验收，哈电与中科院电工所合作开发了世界最大的1000MW级水轮发电机通风冷却系统模型模拟试验台，并进行了蒸发冷却技术的真机模拟试验和仿真研究。2005年11月，其试验研究成果通过国家鉴定，国家评审团充分肯定了哈电为我国具有完全自主知识产权的蒸发冷却技术应用到大型和巨型水轮发电机上做出重大贡献。

表1 国内外制造的最大发电机组

1.2 空气冷却

1.2.1 水电空冷

发热与冷却是一项世界性课题，是制约电机发展的两大主要因素之一（另一个是绝缘）。传统的设计理念和选型界限是“每极容量”和“风量越大越好”，哈电机公司大胆解放思想，自主创新，突破这种旧框，更新理念，创新开发应用了新的计算程序和相似模型验证优化设计方法。关键是找到了电机内部各个热源，测得了散热系数（各国保密），使通风设计更加科学化。开发的大型水轮发电机径向供风无风扇端部回风式通风系统，风量分配均匀，通风损耗小，冷却效率高，安全可靠，已被广泛应用。开发的大型水轮发电机全空冷新技术已成功地用于三峡700MW机组上，填补了国内空白。又先后用于广西龙滩、黄河拉西瓦、云南小湾等700兆瓦级机组上。

1.2.2 火电空冷

1980年代末期，对节能和环保方面的要求日益提高，火电设备的发展也趋向于高效率化和低污染化。汽轮发电机的发展趋势不再是提高单机容量、实现大容量化，而是转向中小容量的产品，以便满足燃气—蒸汽联合循环电站的日益增长的需求。这种电站的优点是可以提高效率、改善环保、缩短周期、减少投资、便于调整、节约水源、延长寿命，已经成为老电站改造和新电站筹建的优选方案。

用蒸汽发电已有100年历史，而用燃气发电则只有66年历史。汽轮发电机的单机容量最大为1200MW以上，达到了极限，主要采用氢气和水来冷却。而燃气轮发电机则要求采用空气冷却。燃气发电时排气中蕴藏有大量可以再利用的热能，可以通过加装余热锅炉和汽轮机加以回收，便出现了燃气—蒸汽联合循环发电成套装置。这种联合循环电站的热效率高达60%以上。当今世界火电设备的市场需求主流就是这种产品，其中400MW以下的产品占80%左右，而210MW以下的高达60%以上，哈电开发的副槽通风等新技术已成功的用于这种产品上。这种大型电机空气冷却新技术，也是国际公认的旋转电机领域4大最新进展之一。

2 绝缘技术完善化

三峡左岸机组由外商承包，国内分包时采用了国产绝缘，外商检验合格，却要求再送国外复验，还是合格。他们不愿国产化，希望续用昂贵的进口材料。国内承包三峡右岸空冷发电机绝缘系统研究的完成，填补了国内空白。哈电开发的F级高电压高云母含量环氧玻璃粉云母带的粉云母纸技术指标达到了世界先进水平，解决了高压电机定子绕组线圈或线棒矩形截面的四个角部存在的电场集中现象，减薄了主绝缘厚度，提高了主绝缘导热系数。哈电开发的大容量、高电压、高云母含量、高导热、减薄型新绝缘系统，可用于燃气—蒸汽联合循环电站的500MW透平发电机组和1000MW的巨型水电机组。

3 蓄能机组国产化

1990年代初期，十三陵机组曾实行中外联合设计、合作制造，但国内厂家（哈电和东电）只能参与分包制造，没有制造整机的机会，不能掌握设计制造核心技术，不能具备独立投标资质。即使到了本世纪初（2003年），国内厂家自行设计制造白山、回龙蓄能机组时，其推力轴承还要从国外进口。广州机组至今还得采用国外进口的推力轴承润滑油，将来产品打入市场，还要向外商交付提成费，利润几乎都流到国外。

推力轴承物理特性非常复杂，瓦面油膜的不等温性、不等压性，瓦面与镜板的热弹性变形等都需深入研究。影响热弹性流体计算结果准确性的关键因素，是边界条件和轴瓦，镜板与推力头的热弹性变形。为掌握轴承润滑的特性，通过联立求解润滑油膜的厚度，动压（雷诺方程）、热能量、黏度、温度等方程和轴瓦与镜板的热传导、热弹性变形等方程，再迭代求出推力轴承的性能参数。哈电通过自主创新、研发了大型推力轴承热弹性流体动力润滑性能计算分析软件，并在岩滩、天生桥、水口及三峡电站机组得到验证。

哈电建成了国内最大的3000吨推力轴承试验台，针对高水头大容量高转速的大型抽水蓄能机组进行了双向推力轴承的多项设计、试验研究，结束了国内没有设计这种双向推力轴承的现状，为实现它的国产化打下基础。哈电自主开发的回龙60MW高水头大容量高转速的大型抽水蓄能机组已成功投运。

4 风电设备调速化

大型风电设备的发展可以分为三个阶段，第一代产品是已经广泛应用的异步发电机，除了风轮机外，它的机舱内还装有齿轮箱和变压器；第二代产品是近年来大量推广应用的双馈式异步发电机，转子采用变频式供电交流励磁，定子电枢输出为恒频（工频），它取消了齿轮箱，但保留有变压器；第三代新产品就是上个世纪末开发应用的超高压永磁式风力发电机，它不仅取消了齿轮箱，还取消了变压器，而且采用了高压直流输电新技术。这种第三代新产品有许多优点，如减少组件、简化结构、降低成本、便于维护、延长寿命等，但是最大的经济效益在于投资和成本的大幅度降低，而这个优点是涉及到上网电价的关键问题，也是当今世界发展风电的最为关注的重要指标。

转子采用交流励磁新技术时可以通过调节转子励磁电流的频率、幅值和相位来保证发电机始终处于最佳工况不运行，达到高效和稳定，即使在风能状态不断变化情况下，也能使机组跟踪最优工况点，保证机组不会失步，同时提高电力系统的稳定性。如果采用现代化的矢量控制，还可以在调节有功和无功功率的同时，使发电机的控制达到快速响应。

1996年8月，国家机械工业技术发展基金委员会下拨院士基金20万元来支持“380 kW交流励磁变速恒频发电机试验”项目。经过多年的科研攻关，哈电开发成功了300 kW转子采用交流励磁且能变频调速、而定子则仍恒频发电的大型风力发电机。哈电开发的1.2MW和2.0MW这种产品已投运多年，现正开发3MW级以上的。除了风力发电机，这种交流励磁调速新技术还广泛用于抽水蓄能发电机组上。

5 稳定运行长寿化

当今世界水电机组容量和尺寸不断增大，电站水头变化幅度也在增大，负荷范围明显拓宽，当电站条件偏离甚至远离设计工况，就会产生脱流和涡带，引起水力震动，导致转轮叶片裂纹，尾水管撕裂。这种现象目前还不能用最先进的数值流动分析进行预测，而且通过模型试验也难以辨认。压力脉动是混流式转轮本身固有特点所决定的，在水力设计中也是不可能完全根除的。最先进的流体动态解析软件也只能限于稳态流动，它能显示稳态流动中是否出现涡带，但是不能给出涡带是否稳定的结论，它是一项世界性课题。三峡左岸机组由外商承包，投标时稳定性就不合格，外商回去改进，有些好转，却不理想，当时世界水平有限。运行证明，外商承包的三峡左岸机组14台几乎全部振动、噪声。在三峡右岸机组投标时，哈电通过引进、消化、吸收、再创新开发的转轮名列前茅。运行实践证明，稳定性远超外商承包的左岸机组。外商承包的三峡左岸机组14台正由国内厂家予以改造、消除振动。

6 经营管理网络化

作为全国“现代集成制造系统工程”的重点应用示范工程企业，哈电获得了最高分。这种集成系统工程的目标是以信息技术为基础，以现代化的经营管理模式为核心，吸取并行工程思想，在企业内部网络环境下建立项目管理／综合管理系统，使产品设计与工艺一体化，依靠信息技术，把企业的人、财、物与技术集成为一个整体的优化系统，促进全面提高企业快速响应市场、提高质量、降低成本、优良服务的能力，并确保成为国际同行中竞争力极强的著名企业。

由于实现了集成化，实现了以产品数据管理为基础的设计过程与信息的集成，以生产计划为中心的管理系统的集成，以及产品数据管理系统与其他管理系统之间的集成和计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工艺规划的集成，提高了产品设计水平与效率。基于专家系统的发电机组方案设计、基于三维造型的产品设计，以及快速投标报价等，增强了企业的国内外市场竞争实力。开发应用现代化计算机集成制造系统的根本功效是好、快、省，即提高质量、缩短周期、降低成本，保证企业的生存和发展。实现了设计制造一体化、生产管理信息化、加工制造自动化的新型企业模式。哈电通过集成创新开发和应用的这种系统工程已通过国家验收，并在全国同行企业推广应用、实施联网、信息共享。

7 创新体系扩大化

为了提高企业核心竞争力，哈电建立了符合市场经济要求的科研、技术创新体系和机制。成立了由著名专家组成的技术咨询委员会并与清华大学、哈尔滨工业大学联合建立技术开发合作关系。实现产、学、研大联合，开展基础理论、学术研究，大力推进原始创新。在国家科委、国资委批准哈电集团为“发电设备国家工程研究中心”以后，又获准建立了“国家水力发电设备工程技术研究中心”、“水力发电设备国家重点试验室”、“大型水力发电设备和大型电机产品质量监督检测中心”等。

早在1990年就在渤海湾的葫芦岛上建成并投产了东北滨海水电设备大件加工厂(现名为葫芦岛滨海水电大件制造有限责任公司)，是由哈电与原渤海造船厂合资兴建的海岸工厂。组焊加工后的水电大件经过海上和江上运往电站工地（如三峡）。近年，在发改委、国资委领导下，已加盟哈电的昆明电机厂正在热火朝天地扩建新厂房、安装现代化大型加工设备。从大东北到大西南，几乎穿越全国，实现南北合作、强强联合。水力资源多在大西南。就地制造、就近安装，缩短了运输距离，方便了售后服务，强化了市场竞争实力。最近，又开辟了一条跨国的江海联运通道，即将发电设备的大型部件由哈市松花江运到抚远港口，换装江海联运船后，经俄罗斯内河到达尼古拉耶夫（庙街）出海，运往电站工地（如三百门1000MW火电定子）。

哈电先后申报并获准了下述9种国家专利：（1）具有内外机座的汽轮发电机；（2）曲线坡口机；（3）浮动式迷宫螺旋复合密封装置；（4）军用直流幅压发电机；（5）静压轴承变恒流量供油系统；（6）半屏蔽强制循环泵电机；（7）-混流式水轮机变频转轮；（8）混流式水轮机L型叶片转轮；（9）控制头等。这些专利技术充分显示了哈电自主创新的特色。