龙滩工程关键设备国产化的实施和体会

初曰亭，张强

(龙滩水电开发有限公司，广西天峨547300)

0 前言

龙滩水电工程位于我国第三大江河珠江干流红水河上，是红水河流域的龙头和控制性工程，是“西电东送”和“西部大开发”的标志性工程，也是南方电网重要的电源支撑点。龙滩工程具有发电、防洪、调水、航运等综合效益，在电网中起着调峰、调频、事故备用等关键作用。电站规划装机9×700MW，分两期建设，一期工程装机7×700MW，库容162.1亿m3,兴利库容111.5m3；二期工程装机2×700MW，总库容272.7亿m3,兴利库容205.3m3。

龙滩水电工程于2001年7月1日作为我国西部大开发的重点工程正式开工。鉴于当时国内大型水电设备的设计、制造水平，在国家计委2000年审查通过的《红水河龙滩水电站可行性研究补充报告》中，对于水轮发电机组、主变压器、500kVGIS、500 kV电缆、计算机监控系统、发电机变压器保护等关键设备均拟采用进口设备。

考虑到自我国改革开放以来，通过不断的探索和技术引进、消化、吸收，国内水电装备制造业和国际先进水平的差距正在逐步缩小。为推进国内水电装备制造业水平的提升、降低工程管理难度和造价，我们在充分听取专家意见和进行广泛调研的基础上，决定在龙滩水电站关键设备采购中率先进行最大范围的国产化尝试，并实现了700MW级全空冷水轮发电机组、780MVA三相组合式变压器、500kV交联聚乙烯绝缘电缆、巨型水电站计算机监控系统等电站关键装备的首次国产化应用。其中700MW级全空冷水轮发电机组、780MVA三相组合式变压器均创造了新的世界之最。

1 水轮发电机组设备国产化实施

1.1 参数选择

根据国家对龙滩水电工程可行性研究报告的批复意见“龙滩水电工程按400m蓄水位设计，先期按375m蓄水位建设，额定水头125m时额定容量600 MW”。由于龙滩水电工程最低水头97m，最高水头179m，Hmax/Hmin=1.85，水头变幅较大，在不更换转轮的前提下，为了使水轮机前后期都能稳定运行，经广泛征询专家意见，我们最终确定龙滩水轮机额定水头为140m，额定容量为714MW，同时在净水头125m时，其出力不小于612MW。

龙滩水轮发电机额定容量778MVA，56个磁极，每磁容量13.89MVA。在发电机冷却方式的选择上，经过对全空冷、半水冷及蒸发冷却等几种方式的充分比较，并广泛征询专家意见，我们决定采用具有结构简单可靠、布置方便、技术成熟、运行维护工作量小等优势的全空冷方式。对于采用全空冷方式带来的定子铁芯长压紧难、定子热应力大等问题，则通过改善结构设计和安装工艺加以解决，同时可通过加强通风设计，提高通风冷却效率，降低线棒运行温差。

1.2 采购方式

在2001年龙滩机组设备进行招标采购时，我们对采用国产设备和采用以国外制造厂为主的两种招标模式进行了认真分析，直接引进国外品牌机组这种采购方式未知因素少、风险小，但采购过程复杂、投资大，而依靠国内厂商则投资少，联络和沟通方便，但国内厂商在经验和技术上与国外著名公司尚有差距。考虑到国内厂商经过多年的引进、消化、吸收，在大型水电机组的生产、制造方面与世界著名厂商的差距已大为缩小，此时，我们再不实实在在地支持民族工业，把引进技术变为生产力，那国内制造厂就很难再有迎头赶上国际先进水平的机会，我们也就永远成不了世界水电制造业的强者，为此我们愿意迈出支持民族工业、实现大型水电机组国产化制造的第一步。

龙滩工程机组设备于2002年4月招标采购，2002年9月开标，并于2002年12月顺利地将水轮机制造标授予东电(包括分包方上海伏依特西门子)、将水轮发电机组制造标授予哈电，在国内大型水轮发电机组生产制造方面第一个实现由国内制造厂牵头制造的模式。

1.3 设备制造

哈电、东电两大设备制造厂对首次实现700 MW级水轮发电机组国产化的机会非常珍惜，认真组织、精益求精，创新地解决了多项技术难题，使得龙滩水电站的设备无论从质量上还是交货进度上和以前相比都有很大提高。

龙滩水轮机额定出力714MW，最大最小水头比达1.85，具有功率大、水头高且变幅大的特点，给转轮的设计带来了不小的难题。为保证转轮的水力性能，我们和制造厂经过优化选择，采用了对水头和负荷变化适应范围广的X型叶片转轮，并在设计阶段采用CFD数值模拟等手段，对转轮的基本设计方案进行精细调整，最后再通过转轮模型试验优化设计，精确调整转轮的进口和出口，改进空化、稳定性、效率等性能，使转轮的模型试验结果达到了合同要求的保证值。

龙滩水电工程地处偏僻的桂西北，水轮机的关键部件——转轮无法整体运输到现场，而传统的分瓣转轮现场组焊的方式存在着现场焊接应力不易消除、焊接变形不易控制等缺点，组焊后转轮的整体质量也难以保证。为此，龙滩业主与设备制造厂共同研究，提出了上冠、下环、叶片等成品部件运输到现场，在现场组装制造整体转轮的方案，对转轮现场制造工艺和计划进行了认真讨论和严格控制。2005年6月，首台转轮开始现场制造，按照国际惯例，残余应力应为材料屈服强度的二分之一，但测试表明龙滩转轮热处理后的残余应力均为180MPa左右，只占材料屈服强度的三分之一，创造了世界先进水平。2006年7月28日，首台转轮通过出厂验收。出厂验收证明，龙滩工地现场制造的水轮机转轮各项指标均达到优良标准。

龙滩水轮发电机是当时世界单机容量最大的全空冷水轮发电机之一，为保证通风设计性能，哈电在总结以往成熟经验的基础上，对发电机通风结构进行了深入的优化，并制作了一台和真机比例为1:5的通风模型，进行模拟试验，试验证明龙滩水轮发电机采用全空冷结构是完全可行性，各部参数达到了设计性能保证值。在发电机的电磁设计上，通过不断的实验和优化，最终成功地将定子铁芯高度降为3.3 m(委内瑞拉古里水电站650MW机组铁芯高度为3.6m)，从而减小了发电机的制造难度。并通过采用斜立筋、浮动机座、双鸽尾定位筋等先进结构和工艺消除了全空冷结构带来了热应力等问题，在发电机结构设计以及推力轴承设计中，也均采用当今世界最先进的技术成果，使得龙滩电站发电机设计制造技术在哈电已有成功经验的基础上，又迈上了一个新的台阶。

2007年5月21 日龙滩首台机组比国家批准工期提前8个月投产发电,2008年12月23日龙滩7号机组投产发电，标志着龙滩水电工程一期较国家批复工期提前一年全部投产发电。通过四年多来的运行考验，龙滩水轮发电机组运行稳定，机组振动、摆度、压力脉动、温升等各项指标均达到国家标准要求，转轮未发现明显的气蚀破坏和裂纹。事实证明，龙滩水电工程以国内制造厂为主进行大型水轮发电机组设备设计、制造是成功的。为我国大型水电工程的设备选择提供了一种新的模式。

2 500kV三相组合式变压器设备国产化实施

龙滩水电工程主变压器额定电压500kV，额定容量778MVA。受道路交通条件的限制，三相整体变压器无法运输到现场。单相变压器相与相之间需设防火墙隔离，且低压侧的三角形接线需利用封闭母线完成，连接困难、安装周期长且占用空间大，对地下厂房来说，需增加大量的土建工程投资。而三相整体变压器现场装配的方案存在现场装配环境难以满足、装配工艺难以控制等不足，产品质量难以得到保证。三相组合式变压器可以解决运输困难和占用空间大的问题，尽管国内外已有220kV等级三相组合式变压器应用的先例，但电压等级和容量均达不到龙滩主变压器的要求，以往国内780MVA及以上等级的发电机变压器更是多为进口采购。

为解决这一问题，我们通过对国内大型变压器生产企业进行了调研和技术交流认为，国内沈变、西变、保变、衡变等大型变压器制造企业通过引进ABB、西门子、三菱以及乌克兰扎布罗什变压器厂等国际知名变压器设计制造企业先进的设计制造技术和工艺，以及国家“双百万”(百万伏、百万kVA)高压电气的实施计划，使我国高压电气设计制造技术有了质的提高。国内变压器设计制造企业在以往也积累了一些220kV及以下等级的三相组合式变压器的设计制造经验，三相组合式变压器在设计理论上是成熟的。在此前提下，我们大胆决定采用国内公开招标方式的采购龙滩主变压器，并在招标文件中明确了三相组合式变压器的结构要求。

2004年12 月，特变电工沈阳变压器集团有限公司中标龙滩水电工程主变压器。2006年7月，世界最大容量的龙滩首台780MVA/500kV三相组合式变压器在沈变进行了型式试验和出厂试验并一次试验合格。试验结果表明，产品阻抗电压、空载负载损耗、噪音、局放等实测值都明显低于标准值。2006年11月，龙滩首台主变压器开始现场安装，2007年2月通过现场试验，2007年5月21日正式投入运行。

目前，龙滩水电工程7台780MVA/500kV三相组合式变压器运行稳定、性能良好。实践证明，龙滩三相组合式变压器的设计、制造是成功的，通过龙滩工程的实践，我国变压器制造企业在三相组合式变压器的研发领域已走在世界前列。龙滩三相组合式变压器的应用，有效地解决了偏远山区水电工程主变压器运输困难的问题，有效地减少了地下厂房开挖工程量、节约了工程投资，为水电工程变压器的选型提供了一种新的思路。

3 500kV交联聚乙烯绝缘电缆设备国产化实施

龙滩水电工程机组采用单元接线方式，每台机组经封闭母线、发电机断路器与主变压器联接，升压至500kV后，由500kV交联聚乙烯绝缘电缆经电缆竖井与地面开关站连接。500kV交联聚乙烯绝缘电缆共7回，单相总长度约10km。在龙滩工程之前，国内500kV电缆市场一直由欧洲和日本公司垄断，价格一直居高不下，一度曾达到1500美元/单相m。

考虑到国内电缆生产企业对于500kV级电缆的国产化充满了期待并进行了大量的技术准备，河北宝丰、青岛汉缆均建造了具有世界先进水平的具备500kV电缆生产能力的交联塔，并配置了相应的试验设备和设施，两家均已成功地试制了500kV交联聚乙烯电缆并分别通过了武汉高压试验研究所和上海电缆研究所的型式试验鉴定，虽然尚未通过预鉴定试验，还没有产品应用业绩，但已具备了国产化的基本条件。

在此前提下，我们认为，通过对电缆原材料、制造工艺、检测手段等进行严格控制，500kV电缆国产化的风险是可以控制的。为此，我们决定，给国内电缆制造企业一个展示的机会，打破国外企业对我国500kV电缆市场的垄断，降低招标文件中对投标人资质限制的门槛，使国内已完成500kV电缆型式试验的企业有资格参与投标，同时在招标文件中保留了业主对部分货物指定分包的权力。

2004年8月，法国雪力克公司中标了龙滩水电工程500kV交联聚乙绝缘电缆及其附属设备的供货。在合同谈判阶段，我们就河北宝丰线缆有限公司分包部分电缆供货进行了积极的协调，明确了雪力克作为主包方对分包工程的质量责任，规定了主包方必须提供适合分包方供货电缆的电缆终端等附件，明细了主、分包的协调、配合责任。在业主的协调下，雪力克终于与河北宝丰线缆有限公司签订了分包合同，由河北宝丰供货龙滩水电工程6、7号机500kV交联聚乙烯绝缘电缆共约3km，其电缆终端等附件由雪力克配套提供。2008年11月、12月，龙滩水电工程6、7号机相继投产，其500kV电缆均采用河北宝丰生产的500kV交联聚乙烯绝缘电缆，树立了我国高压电缆生产史上一个新的里程碑！

通过引入国内电缆企业参与龙滩500kV电缆的竞标，不仅给了国内电缆制造企业一个崭新的展示平台和发展机遇，而且大大降低了国外厂家的投标价格，龙滩500kV电缆的综合单价(含电缆附件、备品备件、现场技术服务费等)不到700美元/单相m，远低于前期同类工程的采购价格。目前，龙滩国产500kV电缆投运已近三年，通过对电缆运行温升、泄漏电流等进行在线监测，电缆运行状况良好。实践证明，龙滩水电工程500kV交联聚乙烯绝缘电缆国产化取得了成功！

4 龙滩工程关键设备国产化的体会

龙滩工程不仅在水轮发电机组、500kV三相组合式变压器、500kV交联聚乙烯绝缘电缆等大型关键设备上率先走上了国产化之路，还率先在特大型水电站采用了国产计算机监控系统和国产保护装置。其中国产的注入式定子一点接地保护装置更是在大型机组上首次应用。在龙滩一期工程中，仅有发电机断路器和1～5号机500kV电缆是完全进口的，其余设备均实现了国产化。回顾龙滩水电工程走过的国产化之路，我们有以下几点体会:

(1)龙滩水电工程设备国产化的成功，是我们在充分调查、研究的基础上，科学决策的结果。改革开放以来，我国开工建设了一大批大型水电工程，并在水电关键设备方面进行了大量的技术引进、消化、吸收工作，特别是随着三峡工程的开工建设，国家投入巨资引进了国外先进的水电设备技术，为我国水电设备国产化打下坚实的基础。正是这一系列的前期积累，给了我们第一个吃螃蟹的勇气。

(2)大型水电工程的建设是我国装备制造业升级的助力平台。任何一个新产品、新技术、新工艺都必须经过第一次应用、第一次展示。借助于大型水电工程的建设，推进国产化设备的应用，将使我国水电站关键设备国产化的进程真正实现和不断加快。我们很高兴地看到，在龙滩水电工程实现关键设备国产化之后，国内其它大型水电工程也相继实现了关键设备国产化，我国水电装备制造业水平又迈上了一个新的台阶。

(3)借助大型水电工程的建设，推进我国水电设备国产化进程，是国有企业的社会责任，更是利国、利民、利已的好事。通过国产化的应用，促进了民族工业品牌的提升，我们从哈电、东电等设备制造企业了解到，现在不仅国内大型水电设备普遍实现了国产化，而且凭借着技术的提升和质量的提高，我们的民族工业品牌已在国外市场占据了越来越多份额。对于我们来说，为水电站关键设备实现国产化虽然承担了一定风险，但通过这些关键设备的国产化，也大大降低了我们的工程造价和管理难度，同时对工程进度的控制也有很大好处，龙滩工程工期整体提前一年多，创造了巨大的经济效益和社会效益。

(4)国内在某些关键部件的设计、制造上仍有待突破，工艺水平仍有待进一步提高。虽然龙滩水电工程在设备国产化做了很多工程，但是我们仍遗憾地看到，有些关键部件仍不得不进口，例如水轮机的大型铸锻件、发电机的推力轴承、主变压器的高压套管、500kV电缆的终端等，这些关键部件国内技术和工艺仍不成熟，产品质量仍不十分可靠。另外，国产设备在工艺、加工精度等细节方面与国外先进水平仍有差距。我们期待着在不久的将来，我国的装备制造业水平能有一个质的提升，能真正赶上和超过国际先进水平，成为国际一流的装备制造业大国。