中國儲能網(wǎng)訊：浙江省仙居縣，千嶂疊翠，清流急湍，風(fēng)光旖旎，素有“神仙居所”的美譽。眼下正值陽春三月，油菜花點綴起片片金黃，粉紅的桃花吐蕊爭艷。在梧桐山下，永安溪畔，國網(wǎng)新源控股有限公司仙居抽水蓄能電站建設(shè)工程正如火如荼地施工。進入埋深達450多米的地下廠房，呈現(xiàn)在眼前的是緊張繁忙的機組調(diào)試場面。1號機組即將進入并網(wǎng)發(fā)電階段，電站建設(shè)迎來最關(guān)鍵的時期。
仙居電站總經(jīng)理姜成海介紹說：“仙居電站安裝了4臺大型抽水蓄能機組，單機容量目前全國最大，達37.5萬千瓦，并且全部具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)?！眴螜C容量37.5萬千瓦機組的安裝應(yīng)用，樹立了我國抽水蓄能事業(yè)新的里程碑。
可就在10年前，我國抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還是一片荒漠，抽水蓄能電站的設(shè)備全部是舶來品。
摘下水電“皇冠上的明珠”，破解水泵水輪機雙向運行難題
“因為需要雙向運行，而且工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜、運行水頭高、設(shè)備轉(zhuǎn)速高，抽水蓄能機組的設(shè)計、制造難度遠高于常規(guī)水電機組。”國網(wǎng)新源公司副總經(jīng)理高蘇杰說。設(shè)備依靠進口，曾是制約我國抽水蓄能發(fā)展的關(guān)鍵點，若想解決這一問題，必須實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，破解抽水蓄能機組雙向運行難題。
水泵水輪機是需要翻越的第一座大山。水泵水輪機是水泵與水輪機的結(jié)合，可以實現(xiàn)水泵抽水儲能，又可以化身為水輪機拖動發(fā)電機發(fā)電，是抽水蓄能電站最核心的設(shè)備。實現(xiàn)這種功能上的“可逆”，依靠的是它正反雙向運行的獨特能力。
“雙向運行聽上去簡單，但做起來極難。就好像是一只雞，讓它兼具公雞與母雞的功能，既能下蛋，還能打鳴?！眹铱萍贾斡媱潯按笮统樗钅軝C組成套設(shè)備研制”課題負責(zé)人覃大清解釋說，“了解流體力學(xué)的人都清楚，水泵和水輪機的水力特性是完全相反的，依靠常規(guī)設(shè)計手段難以兼顧設(shè)備的穩(wěn)定性和效率，所以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’。國外一般采取在轉(zhuǎn)輪上安裝非同步導(dǎo)葉的機械手段提升設(shè)備穩(wěn)定性，但是治標(biāo)不治本。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體安全性降低，有時還會引發(fā)劇烈振動，導(dǎo)致機組無法并網(wǎng)。”
為了破解這一世界性難題，研究人員用了2年時間，通過對幾十個水泵水輪機模型和上百種設(shè)計方案的分析論證和試驗，制定了以水泵與水輪機特性并行迭代的水力優(yōu)化設(shè)計方法，采用水力手段，從根本上保障了水泵水輪機雙向運行的穩(wěn)定性。此外，依托國家973計劃“水力發(fā)電設(shè)備前沿技術(shù)研究”等科研課題研究，研究人員還研發(fā)出降低水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動方法、混流式水泵水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪等獨創(chuàng)技術(shù)，獲得5項發(fā)明專利。在保證穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)了水泵水輪機效率的同步提高。
依靠這些技術(shù)成果，我國首個完全自主設(shè)計研制的安徽響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機真機模型，成功通過了瑞士洛桑中立試驗臺的模型驗收試驗，最優(yōu)效率達94.28%。哈爾濱大電機研究所所長李正說：“響水澗水泵水輪機的成功研制，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。”
依靠過硬的設(shè)計能力，創(chuàng)新發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子機構(gòu)安全性方法
抽水蓄能機組的發(fā)電電動機與水泵水輪機的運行方式類似，通過轉(zhuǎn)子的正向與反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)發(fā)電機和電動機兩種功能。那么，它的研發(fā)突破點又在哪里呢?
“轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)帶來的結(jié)構(gòu)安全性。”哈爾濱電機廠前總工程師王國海解釋說，“和常規(guī)水電機組相比，抽水蓄能發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速高。拿三峽巨型水輪發(fā)電機相比，雖然響水澗電站的單機容量還不到三峽發(fā)電機的一半，但轉(zhuǎn)速卻是三峽發(fā)電機的3倍多。在這么高的轉(zhuǎn)速下，發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子要頻繁承受機組啟停、正反轉(zhuǎn)過程中交變負荷和沖擊負荷，對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)安全性是一個巨大考驗。水電行業(yè)有一個共識，就是抽水蓄能機組發(fā)電電動機的研制難度，一般是常規(guī)水電機組的2到3倍。三峽電站第一臺機組2003年7月就正式并網(wǎng)發(fā)電了，可直到響水澗電站之前，我們還沒有自主研制發(fā)電電動機的能力?！?
結(jié)構(gòu)安全性研究沒有捷徑可走，只能依靠過硬的設(shè)計能力。“產(chǎn)品質(zhì)量首先是設(shè)計出來的，其次才是制造出來的?！痹跂|方電機有限公司副總工程師鄭小康的帶領(lǐng)下，設(shè)計攻關(guān)團隊針對發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的安全性問題開展了深入研究。
最優(yōu)設(shè)計方案的選取，要通過長時間大量的分析計算。為了節(jié)省研究時間，攻關(guān)團隊創(chuàng)造性地提出了發(fā)電電動機磁極線圈剛強度分層計算方法。在滿足計算精度的同時，有效降低計算量，解決計算分析難題。短時間內(nèi)，多個設(shè)計方案的計算結(jié)果和優(yōu)化方案相繼出爐，設(shè)計團隊優(yōu)中選優(yōu)，經(jīng)過10余次篩選修改，最終選擇了轉(zhuǎn)子柔性固定方案。為了驗證設(shè)計方案的可靠性，東方電機有限公司又研制出世界首個全尺寸、全模擬真機、全極限工況的發(fā)電電動機靜態(tài)加載試驗臺，開展試驗驗證。
試驗結(jié)果振奮人心!經(jīng)過模擬驗證，轉(zhuǎn)子柔性固定方式能自動適應(yīng)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速、不同工況的需要，保持恒定約束力，大幅加強轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全性。為了確保萬無一失，研究團隊又針對設(shè)計方案組織了兩次全國專家評審會，設(shè)計方案得到了與會專家的一致通過。
找到自主化的最后一塊拼圖，研制開發(fā)自動控制系統(tǒng)
自動控制系統(tǒng)是抽水蓄能電站的“大腦”和“中樞神經(jīng)”，用來指揮、協(xié)調(diào)、控制電站的所有設(shè)備。由于抽水蓄能機組運行工況多、轉(zhuǎn)換復(fù)雜，其控制系統(tǒng)模型和參數(shù)設(shè)計極其復(fù)雜，安全可靠性要求極高，已成為抽水蓄能領(lǐng)域的核心技術(shù)。
如此高含金量的技術(shù)，早已被國際知名企業(yè)牢牢控制，技術(shù)引進無從談起，也就意味著沒有任何成熟經(jīng)驗可以借鑒和參考。為了打破技術(shù)壟斷，實現(xiàn)從無到有的突破，國家電網(wǎng)先后兩次立項，由國網(wǎng)新源公司和南瑞集團公司共同承擔(dān)，開啟了大型抽水蓄能電站自動控制系統(tǒng)自主研制之路。
南瑞集團具備深耕自動控制領(lǐng)域的技術(shù)底蘊，國網(wǎng)新源公司擁有長期運營抽水蓄能業(yè)務(wù)的專業(yè)能力，雙方科研人員通力合作，奮力攀登。經(jīng)過6年多時間，歷經(jīng)1000多次模型試驗驗證，抽水蓄能電站控制邏輯關(guān)系終于被厘清，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)，通過自主調(diào)試，成功應(yīng)用于安徽響水澗、福建仙游抽水蓄能電站。不僅如此，引進控制系統(tǒng)存在的機組啟動轉(zhuǎn)速擺動大、參數(shù)測量精度低、滅磁速度慢等問題，也一一被克服。
抽水蓄能設(shè)備自主化工作的最后一塊拼圖終于被找到了。
歷經(jīng)10年攻堅克難，我國在抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨到引領(lǐng)、從進口到出口、從中國制造到中國創(chuàng)造的根本性跨越。2011年以來，我國相繼建成安徽響水澗、福建仙游兩座主機設(shè)備完全自主化的大型抽水蓄能電站，兩座電站分獲國家優(yōu)質(zhì)工程獎和國家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎。2013年，我國獲得伊朗阿扎得抽水蓄能電站2臺機組供貨合同。我國抽水蓄能領(lǐng)域所取得的成就，得到了國內(nèi)乃至國際水電行業(yè)的高度認可。抽水蓄能自主研發(fā)終于實現(xiàn)了彎道超車。
我國抽水蓄能事業(yè)的根本性跨越鮮明地表明，重大裝備制造業(yè)的強力支撐，促使水電事業(yè)加快發(fā)展，中國由水電大國向水電強國轉(zhuǎn)變的步伐愈發(fā)強健。按照國家發(fā)改委的規(guī)劃，到2025年，我國抽水蓄能電站裝機容量將增加至1億千瓦。由于我國抽水蓄能技術(shù)實現(xiàn)根本性跨越，使得國內(nèi)市場的設(shè)備超標(biāo)價格大幅下降，預(yù)計2025年可為國家至少節(jié)省上百億元資金。
雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。經(jīng)過10年勵精圖治，我們有理由相信，我國抽水蓄能事業(yè)的明天將更加美好。(牛翔宇 傅誠 衣傳寶)
