中國儲能網(wǎng)訊：單臺裝機容量375兆瓦，國網(wǎng)新源仙居抽水蓄能電站開創(chuàng)400兆瓦級超大容量抽水蓄能電站建設(shè)先河；最大揚程712米，吉林敦化投運我國首個700米級超高水頭大型抽水蓄能機組；總裝機容量3600兆瓦，國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能電站創(chuàng)下全球裝機規(guī)模之最……一個個“之最”、一次次“首創(chuàng)”見證了我國抽水蓄能自主化發(fā)展的漫漫長路。
抽水蓄能是當前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)電源，是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。二十年來，國網(wǎng)新源集團有限公司堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，以需求為牽引聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新，從探索起步、消化成長到規(guī)模應(yīng)用，走出了一條大型抽水蓄能成套設(shè)備自主化發(fā)展之路，實現(xiàn)了大型抽水蓄能從依賴進口到自主創(chuàng)新再到技術(shù)引領(lǐng)的跨越。
摘取水電領(lǐng)域“皇冠上的明珠”，實現(xiàn)成套設(shè)備自主化
2003年以前，我國抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還未起步，設(shè)備全是“舶來品”。進口設(shè)備價格高昂，核心機電設(shè)備投資占總投資的一半以上，關(guān)鍵部件的供貨周期有時需要3～6個月。
與高昂的投資成本、滯后的技術(shù)服務(wù)相對的，是建設(shè)抽水蓄能電站的迫切需要。進入21世紀，經(jīng)濟社會快速發(fā)展，用電需求持續(xù)攀升，電力峰谷差逐漸拉大。2001年年底，全國發(fā)電裝機容量達3.38億千瓦，其中火力發(fā)電占比75%，系統(tǒng)調(diào)峰問題日益突出。
開展大型抽水蓄能機組及成套設(shè)備自主化工作迫在眉睫。2003年，在國家發(fā)展改革委、國家能源局的組織協(xié)調(diào)下，國家電網(wǎng)有限公司和各有關(guān)單位共同研究，確定了采用技貿(mào)結(jié)合方式，以工程與科研協(xié)同推進，通過技術(shù)引進、掌握優(yōu)化和自主創(chuàng)新三個階段，逐步實現(xiàn)我國大型抽水蓄能機組自主化的策略。
水泵水輪機是自主化要邁過的第一道門檻。抽水蓄能機組集水泵與水輪機于一體，正向抽水儲能，反向放水發(fā)電?！半p向運行聽上去簡單，做起來極難。水泵和水輪機的水力特性完全相反，常規(guī)設(shè)計難以兼顧穩(wěn)定性和效率。有人把水泵水輪機水力設(shè)計比喻為水電技術(shù)領(lǐng)域‘皇冠上的明珠’?！薄按笮统樗钅軝C組水泵水輪機研制”課題負責人覃大清解釋。
為了摘取這顆“皇冠上的明珠”，研究人員對幾十個水泵水輪機模型和上百種設(shè)計方案進行分析、試驗，最終采取以水泵與水輪機特性并行迭代的水力優(yōu)化設(shè)計方法，從根本上保障了雙向運行的穩(wěn)定性，破解了這一世界性難題。
此后，研究人員相繼創(chuàng)新發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子機構(gòu)安全性方法、降低水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動方法等，我國逐漸掌握了大型抽水蓄能機組關(guān)鍵技術(shù)。
抽水蓄能機組設(shè)備繁多、運行工況復雜、轉(zhuǎn)換頻繁，如何指揮、協(xié)調(diào)、控制電站所有設(shè)備？控制保護系統(tǒng)承擔著大腦和中樞神經(jīng)的職責?？刂票Ｗo系統(tǒng)模型和參數(shù)設(shè)計極其復雜，對安全可靠性要求極高，當時核心技術(shù)被國外企業(yè)控制，技術(shù)引進無從談起。為了打破技術(shù)壟斷，公司先后多次立項開展自主科研攻關(guān)。
在國網(wǎng)新源集團牽頭組織下，經(jīng)過6年攻關(guān)，研究人員厘清了抽水蓄能電站控制邏輯關(guān)系，研發(fā)了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)。
2012年11月18日，機組轟鳴啟動，水流奔涌激蕩，國網(wǎng)新源安徽響水澗抽水蓄能電站最后一臺機組投入商業(yè)運行。這是我國第一座全面實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化的大型抽水蓄能電站，標志著我國抽水蓄能電站步入主輔設(shè)備設(shè)計制造國產(chǎn)化階段，我國逐步實現(xiàn)300兆瓦級以下機組及成套設(shè)備自主化，顯著提升了我國高端裝備技術(shù)實力，形成了抽水蓄能裝備中國制造新格局。
適應(yīng)新型電力系統(tǒng)需求，向著400兆瓦級、700米級機組國產(chǎn)化邁進
在浙江仙居縣群山環(huán)抱之中，坐落著我國自主研發(fā)、制造、安裝、調(diào)試的大型抽水蓄能電站——國網(wǎng)新源仙居抽水蓄能電站。電站地下廠房深藏于地下450米，4臺375兆瓦的巨型機組平穩(wěn)運行。在仙居抽水蓄能電站這塊“試驗田”上，我國開展了400兆瓦級抽水蓄能機組研發(fā)制造，推動國產(chǎn)化裝備上臺階。
國網(wǎng)新源集團聯(lián)合科研院所、制造廠家等多方組建研發(fā)團隊，攻克了推力軸承、剛強度、大直徑球閥等方面一系列世界級技術(shù)難題。2016年4月，仙居抽水蓄能電站1號機組并網(wǎng)發(fā)電，填補了國內(nèi)400兆瓦級抽水蓄能機組設(shè)計制造的技術(shù)空白。
進入“十三五”，我國新能源發(fā)電裝機爆發(fā)式增長，風電、太陽能發(fā)電的波動性、隨機性給電網(wǎng)安全運行帶來挑戰(zhàn)。為了進一步提高抽水蓄能電站的經(jīng)濟性，抽水蓄能向著高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展。
國家能源局《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，全面實現(xiàn)高性能大容量水電機組和高水頭大容量抽水蓄能機組成套設(shè)備設(shè)計和制造的自主化。
2021年6月4日，國網(wǎng)新源吉林敦化抽水蓄能電站1號機組投產(chǎn)發(fā)電。700米水頭的高壓水流傾瀉而下，沖擊轉(zhuǎn)輪，9片合金葉片在20個精密導葉的調(diào)控下高速旋轉(zhuǎn)，機組瞬間達到每分鐘500轉(zhuǎn)的額定轉(zhuǎn)速。
該電站是我國首座700米級水頭抽水蓄能電站，機組最高揚程達712米?！皺C組試運行時，振動、擺度及瓦溫等關(guān)鍵指標表現(xiàn)優(yōu)異，穩(wěn)定運行時各部導軸承擺度均小于0.1毫米。”敦化抽水蓄能電站副總經(jīng)理張德浩說。
項目成功打破了國外的技術(shù)壟斷，使我國成為第三個擁有700米級超高水頭大型抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)的國家，700米級350兆瓦抽水蓄能機組成套設(shè)備入選國家能源局2021年度能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目。
高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量抽水蓄能技術(shù)研究帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，相關(guān)技術(shù)在國網(wǎng)新源安徽績溪、河北豐寧、重慶蟠龍等大型抽水蓄能電站實現(xiàn)工程應(yīng)用，為新能源靈活并網(wǎng)、高效消納提供裕度。同時，國產(chǎn)化設(shè)備建設(shè)成本大幅降低。
當前新型電力系統(tǒng)加快建設(shè)，抽水蓄能功能定位由調(diào)峰、系統(tǒng)備用為主轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動等。截至2024年年底，我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模達到14.5億千瓦，超過火電。要形成與新能源發(fā)展相適應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，需要具備更廣泛調(diào)節(jié)能力的變速抽水蓄能技術(shù)。
國網(wǎng)新源豐寧抽水蓄能電站在國內(nèi)首次采用交流勵磁變速機組——2臺采用自啟動方式的300兆瓦交流勵磁變速抽水蓄能機組，與張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程配套運行，支撐京津電網(wǎng)及冀北電網(wǎng)靈活調(diào)用需求，為后續(xù)我國實現(xiàn)大型變速抽水蓄能機組自主化打下基礎(chǔ)。
“在加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)背景下，我國抽水蓄能行業(yè)逐步掌握了大型抽水蓄能機組的水力開發(fā)、電磁設(shè)計、機電網(wǎng)控制等關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)了國內(nèi)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)跨越，促進了我國電力裝備制造業(yè)的科技進步。”中國工程院院士陳厚群表示。
創(chuàng)新建設(shè)運營實踐，讓中國經(jīng)驗成世界標準
截至2024年年底，公司有在運在建抽水蓄能電站75座，是全球運營抽水蓄能規(guī)模最大的企業(yè)。作為專業(yè)化開發(fā)建設(shè)綠色調(diào)節(jié)電源的服務(wù)運營商，國網(wǎng)新源集團在設(shè)計制造、建設(shè)施工和運行維護等方面積累了豐富經(jīng)驗，推動了抽水蓄能電站高質(zhì)量建設(shè)、高效率運行。
如果將抽水蓄能電站地下廠房比作心房，那么輸水系統(tǒng)就是上下水庫水雙向流動的血管，輸水系統(tǒng)中的引水斜井就是動脈。國網(wǎng)新源河南洛寧抽水蓄能電站1號引水斜井長927米，開挖直徑7.23米，高差近560米，是國內(nèi)抽水蓄能電站最長斜井，具有掘進傾角大、長度長、高差大的特點。
2024年9月9日，伴隨著轟鳴聲，斜井硬巖隧道掘進機（TBM）“永寧號”在洛寧抽水蓄能電站2號引水斜井開挖面破土而出，標志著斜井TBM在抽水蓄能行業(yè)首次應(yīng)用取得成功。掘進過程中，“永寧號”最大單日進尺16.086米，最大月進尺171米，提升了開挖質(zhì)量和工藝水平。
大壩填筑應(yīng)用無人駕駛振動碾施工技術(shù)，巖石邊坡開挖采用無爆破切割技術(shù)，輸水系統(tǒng)壓力鋼管安裝采用自動焊接技術(shù)……機械化技術(shù)手段的廣泛應(yīng)用提升了建設(shè)速度、安全和質(zhì)量水平。
當下，抽水蓄能提質(zhì)開發(fā)、批量建設(shè)、集中投產(chǎn)、高頻運行高度疊加，如何確保已投運機組隨調(diào)隨啟、穩(wěn)定運行？一套精心操作、精細維護、精準評價、精益管控的生產(chǎn)管理體系讓電站發(fā)揮最大效能。
今年上半年，國網(wǎng)新源北京十三陵抽水蓄能電站發(fā)電量6.68億千瓦時，較2024年同期增長61.7%。自1995年投產(chǎn)發(fā)電以來，該電站擔負著華北地區(qū)調(diào)頻調(diào)峰、事故備用、新能源消納等責任?！皺C組運行強度大，我們精心運維、操作，今年上半年還完成3臺機組C修及4臺機組定檢工作，讓30年的老機組隨調(diào)隨啟，保持100%啟動成功率。”該電站運行部主任鄒志偉說。
標準助推創(chuàng)新發(fā)展，標準引領(lǐng)時代進步?！耙劳性诔樗钅芗夹g(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用中的實踐積累，我們聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游編制了涵蓋規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備制造、工程施工、安裝調(diào)試和運維檢修等方面的抽水蓄能全生命周期技術(shù)標準?！眹W(wǎng)新源集團科信部主任常玉紅說。截至5月，該集團共主編、參編標準474項，其中國際標準4項、國家標準36項、行業(yè)標準94項，基本實現(xiàn)了抽水蓄能技術(shù)標準全業(yè)務(wù)覆蓋，推動了行業(yè)安全、快速、健康發(fā)展。
“十四五”時期，《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》《抽水蓄能電站開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》等先后發(fā)布，推動抽水蓄能從“提速增量”向“提質(zhì)有序”發(fā)展。《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》明確，到2035年，形成滿足新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求的，技術(shù)先進、管理優(yōu)質(zhì)、國際競爭力強的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)。
中國水力發(fā)電工程學會抽水蓄能行業(yè)分會副秘書長余賢華認為，抽水蓄能功能已演變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定的調(diào)節(jié)單元、清潔高效的調(diào)節(jié)資源，“調(diào)”的功能日益凸顯?！盀檫m應(yīng)系統(tǒng)日益復雜和豐富多樣的靈活調(diào)節(jié)需求，抽水蓄能行業(yè)需要主動創(chuàng)新求變，發(fā)展新一代抽水蓄能。這是一項前瞻性、系統(tǒng)性工程，需要從理論研究、規(guī)劃設(shè)計、裝備制造和調(diào)控運維等全環(huán)節(jié)發(fā)力?！彼f。
隨著“雙碳”目標深入推進和新能源發(fā)電裝機規(guī)模持續(xù)擴大，抽水蓄能將迎來更廣闊發(fā)展空間。從最初的設(shè)備引進、技術(shù)消化到如今的自主創(chuàng)新、標準輸出，二十余年來，我國抽水蓄能行業(yè)不僅實現(xiàn)了技術(shù)能力的跨越式提升，更積累了深厚的工程實踐經(jīng)驗和人才儲備。技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，將續(xù)寫中國抽水蓄能自主創(chuàng)新的故事。
