中国水电设备的技术进展

孙玉田 魏显著 陈太平

(哈尔滨电气集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

当前，我国正面临能源结构转型的挑战。我国化石能源的储量十分有限，能源转型需要发展清洁的可再生能源[1-2]。

水电是绿色的可再生能源，积极开发水电资源符合“碳中和、碳达峰”目标下的能源发展规划要求。而我国水电的开发程度大约为30%多，仍存在很大的开发潜力。考虑化石能源的资源储量有限、化石能源生产过程的排放对地球的气候变化带来不利的影响，积极发展水电是人类社会绿色、减排，可持续发展的必经之路。

为了配合电力系统对新能源发电(风力发电和太阳能发电等)的消纳，我国需要装备大量的抽水蓄能发电电动机组，来对电力系统的有功功率和无功功率进行调节。抽水蓄能发电电动机组是目前最经济、最高效的电力调节设备，广泛应用于各国的电力系统中。

水电机组是水力发电与储能调节的主力设备。我国水力发电设备走过了从葛洲坝、三峡、到白鹤滩等电站里程碑式的辉煌历程。图1展现了我国水电设备近年来装机容量快速发展的足迹。中国水电装机容量在2022年预计将达到4.39亿kW，占世界水电装机总量的首位。尽管中国水电设备装机容量已经达到世界最高，但水力发电占本国电力比重仅为17%，远低于巴西64%、加拿大60%。可见，今后较长一段时间内，开发水电，推动水力发电设备的技术进步仍是一项重要任务。

(a)水力发电量

1 水力发电设备的发展

我国从1951年生产国内首台单机容量0.8MW的下硐水轮发电机组开始到单机容量800 MW向家坝水轮发电机组，直至目前1000 MW白鹤滩水轮发电机组，经历了早期的自力更生、到技术引进再创新、到自主创新的发展历程[3]。

1.1 水电站水轮机

图2给出了不同类型水轮机及适用的水头范围。水轮机按水流作用原理分为两类：(1)同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机；(2)仅利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。反击式水轮机可分混流式、轴流式、斜流式、贯流式等，冲击式可分为水斗式、双击式、斜击式等。

图2 水轮机型式及水头适用范围

我国水轮机产品研制与水电机组同步进行，自主开发与国际合作相结合。近年来，我国水轮机技术总体上已达到国际先进水平，在一些领域已达到国际领先水平，见表1。

表1 世界及中国水轮机主要机型单机容量之最

(1)混流式水轮机

我国混流式机组技术自三峡右岸机组以来，在模型最高效率上不断刷新记录，在容量等级上稳步提升，2013年国产的溪洛渡770 MW机组以及向家坝800 MW机组相继投入商业运行，机组各项指标优异，标志着我国水轮机制造能力、大型混流式水轮机研制方面已经走在了世界前列，处于世界先进水平。2021年白鹤滩水电站首批机组正式投产发电，标志我国混流式水轮机技术进入了新的时代[4]。

(2)轴流式水轮机

我国轴流式水轮机的研制经过几十年的努力，全面掌握了关键技术并有所发展。20世纪80年代，独立研制了以葛洲坝为代表的轴流式水轮机，其中一台单机出力125 MW机型获得国家金奖，另一台单机出力170 MW机型，转轮直径11.7 m，是世界上直径最大的轴流转桨式水轮机[5]。

20世纪90年代，与国外合作，研制了以水口电站为代表的高水头轴流式水轮机，其转轮直径为8 m，单机出力为200 MW，为世界上单机出力最大的轴流转桨式水轮机。

(3)贯流式水轮机

2001年，国内自行研制的首台30 MW大型灯泡贯流式水轮发电机组在四川红岩子电站成功投运，填补了我国大型灯泡贯流式机组自主研制的空白。2009年，我国中标为巴西杰瑞电站开发的贯流机组容量已达75 MW，直径达到7.9 m，成为世界单机容量最大灯泡贯流式机组。

1.2 水电站水轮发电机

从冷却技术上，大型水轮发电机主要分为三种类型，即，全空冷水轮发电机、蒸发冷却水轮发电机、水内冷水轮发电机。全空冷电机是借助空气的流动进行传热冷却的电机。由于其具有结构简单、运行可靠性高等优点，受到了用户的广泛欢迎和采用。

我国在三峡右岸电站700MW水轮发电机的研发上，首次实现了巨型水轮发电机的全空冷方案，以后，从溪洛渡、向家坝、到白鹤滩，我国的全空冷水轮发电机一直处于世界领先地位。

若全空气冷却机组无法实现，可以使用内冷方案的机组。内冷方案包括水内冷方案和蒸发冷却方案。其中，水内冷方案由于其安全程度低、结构复杂，在国内已面临淘汰，因此在这种情况下，蒸发冷却方案便是最好的选择。

蒸发冷却水轮发电机组是中国具有自主知识产权的水轮发电机组。目前，全世界采用该类型机组的电站共有四个，即大寨电站(单机容量10 MW)、安康电站(单机容量200 MW)、李家峡电站(单机容量400 MW)及三峡电站(单机容量700 MW)，全部为中国自主产品。

目前，我国的水轮发电机还是以全空气冷却形式为主。具体应用上，常规水电可分为立式水轮发电机和卧式水轮发电机，后者在我国主要以灯泡式水轮发电机为主。抽水蓄能发电电动机的已有产品均为同步(定速)发电电动机；为了适应水头变化和电力调节的深度需求，一种基于双馈电机的新型变速发电电动机正在起步。

(1)立式水轮发电机

该类型发电机通常适合与轴流式及混流式水轮机配合发电，其在水电市场中得到广泛的应用。进入到21世纪后，立式水轮发电机得到了飞速发展，世界上单机容量大于700 MVA水电机组统计情况见表2。由表可知，世界范围内，中国大型水电机组的发展十分重要[6]。

表2 世界上单机容量大于700 MVA水电机组统计

表2中，中国电站的水轮发电机除三峡左岸是水冷水轮发电机，三峡地下电站有二台蒸发冷却水轮发电机外，其余全部是全空冷水轮发电机[7]。

巨型水轮发电机的进步，标志着我国在大型立式水轮发电机的电磁性能、冷却技术、推力轴承、高压绝缘以及机械结构设计等方面都取得了显著的成绩。

(2)灯泡式水轮发电机

该类型发电机较适合于低水头流域的贯流式水轮机配合发电，其特点为电机呈细长型，电磁设计难度较大。灯泡式水轮发电机的电磁设计需重点考虑通风冷却，同时要合理设计阻尼绕组，防止出现电蚀现象。对于其轴承，要重点考虑结构设计问题，尤其是径向轴承和正反推力轴承的设计。

在中国，灯泡式水轮发电机得到了快速发展。其制造业的发展情况如图3所示，其中，中国公司承制的巴西杰瑞电站灯泡式水轮发电机是世界最大的灯泡式水轮发电机。

图3 灯泡式水轮发电机制造业的发展

2 抽水蓄能机组的发展

抽水蓄能机组将抽水与发电机功能集于一体，如图4所示。在电力系统负荷低谷时抽水蓄能机组抽水运行，从下水库向上水库抽水，将电能以水的势能方式存储起来；在电力系统负荷高峰时作发电运行，从上水库向下水库放水发电，将水的势能转换为电能。由此实现电力系统的功率调节作用。

图4 抽水蓄能电站示意图

我国抽水蓄能机组技术起步较晚，从1980年左右到20世纪90年代初，我国有关企业、科研院所和大学等单位进行了开发性研究，但是并没有形成产业化，这期间陆续建成的大型抽水蓄能电站机组全部为进口设备[8]。

2000年以后，国内企业通过技术合作的方式进行了抽水蓄能技术的引进和消化吸收。2005年起，哈电与东电联合开展了宝泉、白莲河和惠州电站的打捆招标技术引进工作，合作生产的产品分别于2009年到2011年在三座电站投入运行。此后，完全自主开发的250 MW响水涧电站抽水蓄能机组于2012年投入运行，成为首台全国产化抽水蓄能机组。表3为国内近年开发的大容量抽水蓄能机组情况。

表3 我国大容量抽水蓄能机组情况

近年来，我国抽水蓄能机组取得了长足的进步，已具备完全自主研制能力。机组转轮在“S区”和“驼峰区”的稳定运行达到了世界领先水平。在单机容量和最高水头/扬程方面已接近国际最高水平。我国目前主流产品500 m水头左右、300 MW功率等级机组整体水平达国际先进水平。

在200 m及以下水头由于项目少，相应水头水泵水轮机模型性能与国外尚有较大差距，但完全具备开发能力。

3 水电设备智能运维技术

近年来，水电设备数字化、智能化技术引起广泛关注，并快速发展。2017～2020年，哈电集团承担国家工业与信息化部、财政部2017年工业转型升级(中国制造2025)资金“智能制造综合标准化与新模式应用项目”——水力发电设备智能远程运维新模式项目，探索水力发电设备行业智能化发展的新方向，成果于2020年5月通过国家验收。2021年至今，承担工信部专项“发电行业关键设备数字孪生全生命周期管理系统”，建立了发电行业关键设备数字孪生应用新体系。哈电集团数字化、智能化应用产品已在国网新源丰满、黔源电力董箐、雅砻江两河口等电站上工程化应用。正在进行丰宁、荒沟抽水蓄能、长河坝、加查、三峡、托巴等电站的数字化、智能化新产品开发，形成了初步的产业规模。

4 发展趋势

我国的水电设备经过多年的努力，产品技术不断进步，在某些方面已经走到了世界前沿。未来一段时间，水电设备及技术还将朝着高效发电、深度储能、灵活调节、环境友好等方向发展。

(1)宽负荷稳定运行

受诸多条件的限制，水电机组的运行负荷范围在45%～100%之间，在45%负荷以下禁止运行，有些大型电站甚至禁止在60%负荷以下运行。从提高水电机组在电网中的调控能力和灵活性的角度，尤其考虑与不断增长的风光能源互补方面，需拓展水电机组水轮机的稳定运行负荷范围。

(2)可变速抽水蓄能机组

变速抽水蓄能机组具有变速恒频发电能力，因而可以更好地适应水力条件的变化，满足电网对有功调峰、无功补偿的要求，可以满足电力系统的快速响应要求。国外最大的变速抽水蓄能机组单机容量已经达到400 MW、转速500 r/min的水平，而国内变速抽水蓄能机组的开发才刚刚起步。

为增加电力系统对新能源的消纳水平，提高电网运行的稳定性，有必要攻克大型变速抽水蓄能机组的制造瓶颈，开发一批双馈型可变速抽水蓄能发电电动机组。

(3)生态环保设计

为水力发电所修建的拦河大坝对河流生态、水生生命会有一定影响。现有水轮机结构的油脂泄露(如转动部件及操作机构)会对下游河流造成污染，同时，高速旋转的水轮机转轮会导致部分鱼类不能顺利通过。开发新型水轮机，使其向友善于环保和生态的方向发展。最新的水轮机设计趋向于减少水下部件所需的润滑。目前，水轮机中已有部分驱动采用电驱动或水等环保介质替代润滑剂。通过这些环境保护上的努力，使水电机组的开发朝向生态友好的方向发展。

(4)多级抽水蓄能机组水轮机

目前我国商业化的抽水蓄能机组多数为水头500 m以下、功率在300 MW等级。更高水头、更大容量的机组有待于进一步的开发。对更高水头站址的水电机组，需加强多级抽水蓄能机组的研发力度，开展更深入的理论和技术攻关[9]。

5 结束语

水电设备拥有广阔的发展空间。三峡、溪洛渡、向家坝到白鹤滩电站的投运，标志着我国水电产品总体上已经达到了世界前沿水平。我国的水电设备品种丰富，全空冷机组处于世界领先水平，蒸发冷却机组是中国独有的自主知识产权产品，灯泡贯流式机组也走在世界前列。

未来，基于与风光电能互补和促进消纳的需求，抽水蓄能机组将会迎来大发展，变速抽水蓄能机组是重点突破和应用方向，为增强水电机组在电网中的调控能力和灵活性，拓展水轮机的稳定运行范围是重要演技课题，在国家《十四五规划和2035年远景目标》雅鲁藏布江下游水电开发战略需求下，冲击式水轮机技术会得到大幅提升。

我国水资源理论蕴藏量丰富，我国的水电开发还有较大的发展空间，相信在此过程中，水力发电设备技术会得到进一步的提升。