水电重大装备国产化回顾与思考

胡伟明，刘　洁（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610041）

水电重大装备国产化回顾与思考

胡伟明，刘洁
（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610041）

摘要：在国家对水电重大装备国产化的战略指导下，三峡集团公司推动国内企业及有关技术力量，通过引进消化吸收，自主创新和深化拓展创新三个阶段，逐步实现了700 MW级以上巨型水轮发电机组、高压电气设备、调速系统及控制系统等关键水电装备的国产化，并推动了国内冶金材料、大型铸锻件以及相关标准的全面技术进步，实现了水电装备技术水平和自主创新能力的新跨越。本文简要回顾了三峡集团在实施水电重大装备国产化战略中的做法和成果，并就如何做好国产化工作提出了思考和建议。

关键词：水电重大装备；国产化；巨型水轮发电机组；关键部件材料中图分类号：F407.9

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）02-0001-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.001

1　概述

继三峡水电站之后，世界第三大水电站、中国第二大水电站溪洛渡水电站，中国第三大水电站向家坝水电站26台机组全部投产运行。溪洛渡水电站创下了1个月投产4台、6个月投产12台、12个月投产18台770MW级巨型水轮机组的世界纪录；溪洛渡水电站和向家坝水电站投产的26台机组实现了“零非停”和“首稳百日”目标。在溪洛渡水电站安装的18台770MW水轮发电机组中，有15台是拥有完全自主知识产权的国产机组，在向家坝水电站安装的8台800MW机组中，有4台由国内自主设计制造，两个电站机组的绝大部分重大部件和关键部件都由国内企业设计制造。这表明在这一领域中国企业的研发制造能力已处于国际领先水平，也为下一步自主生产制造更大容量机组奠定了基础。在参建各方共同努力下，三峡集团公司走出了一条由引进消化吸收到自主创新，再到深化拓展创新的成功道路，首先实现了三峡工程700MW水电机组及相应电气设备、控制设备的国产化，继而实现了金沙江大型水电项目更大容量水电机组及相应电气、控制设备更高水平的国产化，并推动了国内特种冶金材料、大型铸锻件、高端电气装备的全面技术进步，实现了我国水电装备技术水平和自主创新能力的新跨越，被视为推动民族制造业进步的典范。

2　水电重大装备国产化回顾

三峡集团公司水电重大装备国产化分3个阶段：引进、消化吸收阶段，自主创新阶段和深化拓展创新阶段。

2.1技术引进、消化吸收阶段

三峡左岸电站的机电工程是电站机电设备国产化的第一个阶段，其主要特征是技术引进、消化吸收，此阶段成功与否的表观指标是国内厂家实现整机制造，是否达到要求，实质标志是国内企业负责供货的部件和机组能否达到外方的统一技术标准。

三峡工程设计安装32台700MW特大型水轮发电机组，机组尺寸和容量大，水头变幅宽，设计和制造难度居世界之最。为了确保机组的质量达到一流，不失时机地提升民族工业制造水平，在左岸电站机电设备采购中，采取“技贸结合，技术转让，联合设计，合作生产”的方式。按照这一原则，三峡集团公司在左岸14台机组招标文件中明确提出投标者必须与中国制造企业联合设计、合作制造；必须向中国制造企业全面转让核心技术，培训中方技术人员；中国制造企业分包份额不低于合同总额的25%，14台机组中的最后2台必须以中国企业为主制造。为确保核心技术转让完全到位，三峡集团公司先后支付了1 635万美元的技术转让费。通过上述举措，哈尔滨电机厂有限责任公司和东方电机股份有限责任公司等国内企业在三峡左岸机组制造中的实际份额达到50%以上，后4台机组以哈电和东电为主制造，投产后各项运行指标均达到设计要求。国内企业完整地引进、消化吸收了核心技术，大大提高了设计制造能力，掌握了700MW特大型水轮发电机组的水轮机水力设计与模型试验、发电机电磁设计、大部件强度刚度计算、推力轴承计算与试验、轴承稳定性计算、发电机通风冷却计算、专项关键制造工艺等技术，具备了自主创新能力，为自主设计制造700MW特大型水轮发电机组奠定了基础。

在电站高压电器设备方面，保定变压器厂和沈阳变压器厂圆满完成技术的引进消化吸收，掌握了西门子500 kV变压器的设计和制造技术，先后成功制造出4台和2台500 kV 840MVA升压变压器，各项性能指标均满足合同要求。西安高压开关厂和沈阳高压开关厂基本掌握了瑞士ABB 500 kV GIS设计和制造技术，并分包生产部分的GIS设备，国产化比例达到40%左右，设备各项性能指标均满足合同要求，运行安全稳定。

调速、励磁系统方面，三峡左岸电站14套调速系统和14套励磁系统均由国外提供，并进行技术、转让，与中国分包商合作生产，国内分包份额5台套。调速器系统国内受让方为哈电和能达公司，励磁系统国内受让方为东电和能达公司。通过三峡左岸电站调速、励磁系统转让技术的消化吸收和国内制造厂技术进步，具备了后续三峡右岸电站调速、励磁系统采购过渡到以国内为主进口关键部件的条件。监控系统方面，通过技术引进和联合开发，国内计算机监控系统设计水平已经具备自主设计和独立承担大型水电站计算机监控系统配套能力。

三峡左岸电站的主要机电设备以国外厂商为主，国内企业分包制造，技术引进、消化吸收，既保证了三峡工程采用世界最先进的技术装备，又带动民族工业实现跨越式发展。国内企业分包制造的部件和整机达到了与外方一样的技术标准，经历了所有设计工况的考核，已陆续安全稳定运行近10年。

2.2自主创新阶段

引进消化吸收之后，能否成功地再创新，此阶段成功与否的表观指标是“国产化率”，是否达到以国内为主的要求，实质标志是国内企业独立供货的整机能否全面达到同等性能，或个别方面优于外方供货设备的性能。经过三峡左岸机组的联合设计、合作生产、技术引进和消化吸收，到三峡右岸12台机组招标时，国内水电企业在大机组的设计制造方面实现了跨越式的发展，具备了与国际水电巨头同台竞争的能力。三峡右岸12台机组招标为哈电和东电创造了第一次与国际水电巨头同台竞争的机会。哈电和东电分别为三峡右岸研发的水轮机模型在同台对比试验中达到了国际先进水平，各自赢得了4台套水轮发电机组的合同份额。其他主要机电设备也主要由国内企业为主供货，仍存在关键部件需要全部或部分进口的情况。

在700MW水轮发电机组方面：1）水轮机转轮水力设计取得突破性进步。落实了将机组稳定性放在首位的原则，优化了设计参数和限制条件。国内企业完成了右岸转轮的水力稳定性能优化设计，综合性能超过左岸转轮。从右岸机组的运行结果看，大部分指标优于左岸电站机组；2）自主研制出世界上首批单机容量840MVA、采用全空冷技术的水轮发电机，使机组电磁设计、通风设计、绝缘技术、结构设计、制造工艺等方面的技术得到整体提升。突破了对全空冷技术对机组容量的限制，开辟了巨型水轮发电机组全空冷技术应用的广阔前景。3）制定了《三峡水轮发电机组安装标准》，填补了国内700MW水电机组安装标准的空白；制定了三峡“精品机组”评价标准，大部分主要指标高于国内/国际标准，为机组的安装调试质量提供了保证，三峡右岸机组安装质量整体优于左岸，大多数机组达到了“精品机组”目标。制定了“三峡机组运行区划分标准”，明确了稳定运行区的各项指标，确保了三峡机组在各种水头下安全高效运行。4）通过采用先进的安装技术，实现了安装工艺创新，在保证质量的前提下缩短了安装直线工期。水轮机安装创新包括：底环1次安装法；顶盖3次吊装法；水轮发电机大轴机坑外连轴铰孔法；下机架2次安装法；导水机构安装工艺调整；转子磁轭加热紧固技术创新；活动导叶端部间隙控制技术改进；机组轴线调整工艺创新；水电机组TOFD探伤技术应用等，促使三峡工程提前1年高质量完工。5）创造性地提出“首稳百日”要求，将新机组投产后连续100 d运行不发生非计划停机作为考核目标。在2004年提出首稳百日考核目标后，三峡所有投产机组，全面实现了首稳百日，提高了设备运行可靠性，促进了机组制造、安装、运行综合水平的大幅提高。

在高压电气方面，沈变、保变已完全具备了三峡工程用三相840MVA 500 kV同等或更大容量等级发电机变压器的设计水平和制造能力。沈变自主研制了填补中国变压器制造领域空白的国产最大容量单相533MVA 500 kV自耦变压器，制造了600MVA机组配套升压变压器接近200台。保变已经为600MVA机组配套升压变压器接近300台，为1 000MW级机组配套升压变压器近100台。西开、沈高等厂家完全掌握了500 kVGIS绝缘件的设计、制造技术，并在一系列关键技术上取得突破。

在大型水轮机调速、励磁、监控系统方面，哈电自控公司中标供货三峡右岸12台调速器，满足了三峡右岸电站提前发电，安全稳定运行的要求。能达公司自主设计制造700MW机组调速系统，填补了国内空白并应用于三峡地下电站。南瑞集团公司供货三峡右岸12台套励磁装置，满足了三峡右岸电站提前发电、安全稳定运行的要求。中水科技自主研发的三峡右岸电站计算机监控系统总体技术水平达到了国际同期先进水平，并推广应用到瀑布沟等30多个电站，创造了良好的经济效益和社会效益。

此外，大型机组用铸件、高强钢板等实现了国内供货的突破，为大型铸锻件全面国产化打开了良好的基础。鞍钢及时研制出高强钢板，为三峡右岸机组蜗壳施工解决了燃眉之急，开辟了国产高强钢板在大型水电站应用的崭新局面，此后各大型电站的蜗壳钢板全部在国内采购。鞍重首先试制成功了最具难度的下环铸件，填补了国内空白，并应用于三峡右岸机组。随后国内多个厂家也相继成功试制出不锈钢转轮叶片铸件，并通过鉴定，达到了三峡机组转轮供货技术条件，并在三峡右岸机组上部分替代了进口产品。沈铸所采用AOD“双精炼电渣熔铸技术”的活动导叶，也成功应用于三峡右岸电站的机组。大连华锐为三峡右岸电站机组铸造的推力头，质量达到了高水平。

2.3深化拓展创新阶段

该阶段主要特征是中国企业用掌握核心技术的自主设计独立承担主要机电设备的供货，其产品拓展到同一时期开工的向家坝和溪洛渡两座电站。该阶段以三峡地下电站6台700MW机组与溪洛渡18台770MW机组、向家坝8台800MW机组相继采购招标为里程碑。三峡地下电站6台中4台机组分别由哈电和东电供货，18台溪洛渡机组和8台向家坝机组中19台采用哈电和东电拥有全部自主知识产权的产品。同时，关键部件的铸锻件、高品质硅钢等重要材料全面实现国产化。高压电气设备等重大水电装备国产化的成果正得到不断巩固和深化拓展。

为推进大型水电机组蒸发冷却技术的应用，三峡集团公司组织协调中科院电工所、东方电机厂，通过技术合作和专题科研攻关，解决了一批蒸发冷却应用关键技术难点，包括冷却介质及环保性能、冷却系统运行可靠性；蒸发冷却系统的循环计算；温度分布及温差分布规律的耦合仿真计算等。并进行真机模型试验，以验证700MW级大型水轮发电机蒸发冷却技术设计原理的可行性、结构的可靠性，促使具有完全自主知识产权的“定子绕组常温自循环蒸发冷却”技术成功应用于三峡地下电站700MW机组，并经受了长期运行的考验。运行结果表明机组定子线棒温度、定子线棒温差、振动、摆度、轴承温度及蒸发冷却设备等工作正常、各项指标达到设计要求。

在水电重大装备关键材料国产化方面，继前两个国产化阶段，三峡集团公司动员并协调国内制造厂家、锻件、钢板厂家，就关键部件材料所涉及的若干技术及质量进行了深入实质性的协商和研究，并协助国务院三建委三期工程重大设备制造检查组组织有关专家和科研院所对研制的产品进行严格的技术评审。在三峡集团公司的促进下，国内企业通过技术攻关、实现了大型电站水轮机铸件、水轮发电机镜板锻件、大型水电机组厚钢板等产品国产化突破，推动了行业的科技进步，社会效益显著。

在水轮机转轮大型铸件方面，通过对大型铸件关键制造技术的深入研究和探索，攻克了转轮大型铸件的合金成分设计、纯净化冶炼、铸造、热处理等关键技术，大型铸件的装备水平和技术水平日益成熟。通过技术引导和市场培育，国内多家厂商如一重、二重、鞍重、大重、共享等，具备了提供大型水轮机转轮铸件的能力，并在国内各大型电站机组设备上应用。

水轮发电机镜板是水电机组推力轴承的关键部件，在轴承推力负荷、轴瓦温度、机组稳定性等方面有着严格的技术要求。因国外企业无法满足三峡地下电站机组镜板锻件的交货进度等原因，无法采购国外的镜板锻件。为此，三峡集团推动国内厂商对发电机镜板锻件所涉及的若干技术及质量进行了深入协商和研究。经过二重等企业的攻关，成功试制镜板锻件，各项技术指标满足要求，达到国外同类产品的先进技术水平，满足了三峡700MW机组镜板材料技术要求。现已推广到溪洛渡、向家坝等后续电站的大型机组中。

在大型水电机组厚钢板方面，鉴于三峡左右岸机组当时的生产条件，170mm以上的厚钢板结构用钢要求采用进口材料。随着我国钢铁企业的设备、制造和研发能力的不断发展，国内很多厂家具备了厚钢板的供货能力。国内企业自主研制的160mm、270 mm、300mm抗层状撕裂厚钢板通过了国务院三峡工程建设委员会三期工程重大设备制造检查组组织的评审，填补了国内空白，解决了关键技术，工艺问题，抗层状撕裂钢板的质量达到了进口同类产品的先进水平，具备工程应用条件。

在大型变压器、发电机硅钢片方面：三峡地下电站有2台变压器硅钢片采用了宝钢、武钢高牌号硅钢片，变压器出厂试验和运行表明，国产硅钢片达到了国际先进水平。溪洛渡、向家坝主变压器上已全面推进国产硅钢的应用。三峡地下电站首台机组采用武钢产品，其指标满足要求，机组可靠运行。向家坝、溪洛渡电站批量使用武钢50W 250和宝钢B50A250无取向硅钢。经过试验测试，其性能参数与采用进口硅钢的产品处于同一水平，定子铁心磁化试验结果均优于国外硅钢的品质。

此外，三峡集团为引领行业技术进步，确保重大水电装备的质量，建立重要原材料、关键技术以及机组安装运行等一系列标准，并开始应用于后续项目建设中，目前已建立的主要标准见表1。

3　水电重大装备国产化的启示与思考

3.1政府决策和支持，是三峡工程水电重大装备国产化成功的保证

为了确保三峡工程质量一流，扶持民族工业，国家制定了技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产的战略方针，明确提出依托三峡工程，走自主创新与技术引进相结合的道路，通过不断创新，逐步实现三峡工程装备国产化。同时，国家对三峡工程自主研发的长期支持和技术积累，为引进技术的消化吸收再创新奠定了坚实基础。在三峡工程开工前，相关部门围绕三峡机电设备国产化、对民族工业的扶持政策等，制定了切实可行的支持鼓励政策及措施。三峡工程的重大装备科研攻关项目，列入“六五”到“十五”连续5个国家“五年”计划，我国相关科研机构、院校及机电设备制造厂为此做了充分准备。在国家政策的大力倡导和支持下，三峡工程重大装备前期科研攻关工作取得了丰硕的成果，成为三峡工程可行性论证和初步设计的重要依据，为三峡工程机电设备技术引进和消化吸收奠定了雄厚的基础，与外国厂商谈判时也有了充分的技术支持。

表1

3.2依托工程，业主全力推进水电装备国产化是必要条件

在政策引导和国家支持下，三峡集团公司充分发挥业主统筹协调的主导作用，以市场为导向，搭建了国际化竞争的平台，在引进一流机电产品的同时全面引进关键技术。首先三峡集团对国内制造企业实现创新提出明确要求和具体措施，瞄准世界一流技术水平，站在更高的技术起点上，全面提升自主创新能力，为未来参与国际市场竞争打下坚实的基础。其次，从三峡左岸技术引进开始，到三峡右岸消化吸收再创新，到三峡地下电站实现自主创新，到金沙江下游的几个梯级电站，三峡集团为水电重大装备国产化提供了一个连续的高水平的平台和市场。工程实际的需要和市场的需要是实现国产化和不断自主创新的动力源泉。一方面是为国产化实现和自主创新技术的完善在时间和空间上提供了宽广的工程实践平台和丰沃的孕育土壤，促进了国产化关键技术在三峡集团水电平台上能够实现“国产技术成熟化，成熟技术实用化”，实现国产化技术和自主创新成果的持续进步和良性发展。另一方面，三峡集团从三峡700MW机组、向家坝800MW机组甚至到白鹤滩1 000MW机组，始终向全球全方位开放市场，促使工程成为代表当今世界最高建设水平的水电工程。因此，将国产化纳入一个不断要求技术进步的国际竞争市场环境，通过对国有企业的技术培育和项目早期研发支持，通过竞争来促进国内企业提高设计和制造水平，持续地提高已拥有的核心技术，确保长期处于世界先进水平，维持国产化核心技术的先进性，不断地为提升我国水电装备业的核心竞争力注入动力。

3.3制造业自主创新、掌握核心技术和自主知识产权，才能实现高水平的国产

中国装备制造业要实现为各行业提供先进技术装备的目标，必须通过自主创新实现。多年的经验表明，花钱也许能买来一些比较先进的技术，但是技术创新的能力却是花多少钱也买不到。单纯的国产化率并不能完全反映自主创新的能力。建起自主的产品开发平台，才有可能从组装者变为集成者，变为创新者。实践的需要是自主创新的动力源泉。三峡工程本来就是一项创新工程，许多技术指标都远远超出世界先进水平，许多问题没有可供借鉴的经验。工程的质量技术要求非常严格，许多技术问题，没有可执行的工程标准。实践的需要决定了只有自主创新，才能实现工程建设目标。自主创新只有坚持以企业为主体，才能在面向市场、面向应用中取得实效。三峡集团公司组织参建各方建立了科研、设计、制造、安装和运行联合创新的团队，形成了以企业为主体，科研、设计和制造、安装和运行相结合的技术创新体系，集中力量在关键领域取得了重大的技术突破，培养和锻炼了一支勇于创新的队伍和一批创新型人才，建立了一套符合工程实际，具有世界先进水平的技术标准。同时一大批企业通过参与三峡水电重大装备国产化的实践，提升了自主创新能力。

3.4重点突破、整体推进、才能在实践中不断拓展水电重大装备的深度和广度

之所以说三峡水电重大装备国产化取得全方位的突破，主要表现在两个方面：1）它是从设计、制造、安装、调试、运行、工程建设管理各个环节上都实现了突破。提出符合工程实际的总体方案、参数要求及先进理念；不断追求关键技术研发水平的进步、制造能力的提升和服务水平的升级；高标准要求和新工艺应用保障了国产化设备按期高质量的投运；精心、科学的运行和维护保障了国产化设备安全平稳的运行，最大程度发挥出工程的效益。2）重大技术装备国产化涉及到国家在技术、设计、材料、加工制造等各方面的综合能力，它不能孤立进行，必须有相应的产业基础和配套条件，一项重大技术装备国产化将带动一系列分层次的产品研究开发和国产化。三峡机电国产化也带动了整个产业链的技术突破和能力提升，从关键部件基础材料的国产化突破，到机组各个部件的设计制造技术进步；从水轮发电机组的国产化，到主变、GIS、调速、励磁等等各个设备层面。三峡水电重大装备国产化形成了从第一项目突破到全面的提升进而推动产业进步的良性发展局面。

4　结语

三峡电站、溪洛渡电站、向家坝电站水电机组的成功投运，一次次证明我国水电设备设计、制造、安装及运行技术已经达到国际先进水平，国产化成果逐步展现。水电重大装备国产化的道路还要继续走下去，特别是在建设后续乌东德电站850MW机组、白鹤滩电站1 000MW机组，仍面临一定的技术挑战。自2006年，三峡集团公司组织国内制造厂家、设计院以乌东德、白鹤滩水电站为依托工程，开展1000MW级水轮发电机组创新研究，制定了1 000MW水轮发电机组创新研究的目标和技术路线：第一阶段：1 000MW级机组在工程应用中可行性和经济合理性研究，主要内容包括：从电站角度，开展乌东德、白鹤滩装设1 000MW机组可行性研究。第二阶段：1 000MW机组总体研究和专项研究，其中专项研究包括：水轮机水力设计及模型试验研究；24 kV、26 kV定子线棒绝缘技术及仿真试验研究；1 000MW水轮发电机组技术要求和规范研究。第三阶段：1 000MW级水轮发电机组创新研究，主要内容包括在前2个阶段的基础上，针对1 000MW水轮发电机组本身的制约因数和技术难点，开展材料、冷却方式和冷却介质研究等方面的新技术、新材料、新工艺的开发研究，研究的具体内容视前2阶段的研究成果进一步确定。目前，已经基本完成了百万千瓦级大型混流式水轮发电机组3个阶段的科研，取得了丰硕成果，技术性能和可靠性指标达到了行业领先水平，可以说我国自主研发百万千瓦机组的条件是成熟的。我们期待在后续水电项目中，水电重大装备国产化取得更丰硕的成果，水电技术实现新的跨越。

收稿日期：2014-09-19

作者简介：胡伟明（1964-），男，教授级高级工程师，从事重大水电工程技术管理、水电重大装备国产化工作。