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令旗挥动,三军用命。在国家发展改革委的统一组织下,招标领导小组经过一年多的谈判,从国际知名的七家抽水蓄能装备制造商中确定了宝泉等三座新建抽水蓄能电站主机设备的中标对象。同时,我方在“技术转让标”的谈判中也取得了巨大成功,设备制造商承诺无条件、无保留地转让其核心技术。这一将设备与技术“打捆招标”的模式,与我国高铁“以市场换技术”的思路不谋而合,为我国抽水蓄能技术的快速发展开辟了坦途。
技术引进这一步,我们走的很成功,如果接下来没有自主创新,就会落入“引进—落后—再引进—再落后”的怪圈,抽水蓄能装备制造业只能沦为外国人的代工厂。自主创新,就是要解决外国人都没能解决好的难题,在技术上实现真正的赶超。实现这一目标,我们仅用了3年时间。
摘下水电“皇冠上的明珠”,破解水泵水轮机双向运行难题
顾名思义,水泵水轮机就是水泵与水轮机的结合。水泵水轮机是水泵与水轮机的结合,可以实现水泵抽水储能,又可以化身为水轮机拖动发电机发电,是抽水蓄能电站最核心的设备。实现这种功能上的“可逆”,依靠的是它正反双向运行的独特能力。
“双向运行听上去简单,但做起来极难。就好像是一只鸡,让它兼具公鸡与母鸡的功能,既能下蛋,还能打鸣。”国家科技支撑计划“大型抽水蓄能机组成套设备研制”课题负责人覃大清解释说,“了解流体力学的人都清楚,水泵和水轮机的水力特性是完全相反的,依靠常规设计手段难以兼顾设备的稳定性和效率,所以有人把水泵水轮机水力设计比喻为水电技术领域‘皇冠上的明珠’。国外一般采取在转轮上安装非同步导叶的机械手段提升设备稳定性,但是治标不治本。设备结构复杂,整体安全性降低,有时还会引发剧烈振动,导致机组无法并网。”
为了破解这一世界性难题,研究人员用了2年时间,通过对几十个水泵水轮机模型和上百种设计方案的分析论证和试验,制定了以水泵与水轮机特性并行迭代的水力优化设计方法,采用水力手段,从根本上保障了水泵水轮机双向运行的稳定性。此外,依托国家973计划“水力发电设备前沿技术研究”等科研课题研究,研究人员还研发出降低水泵水轮机无叶区压力脉动方法、混流式水泵水轮机长短叶片转轮等独创技术,获得5项发明专利。在保证稳定性的同时,实现了水泵水轮机效率的同步提高。
依靠这些技术成果,我国首个完全自主设计研制的安徽响水涧抽水蓄能电站水泵水轮机真机模型,成功通过了瑞士洛桑中立试验台的模型验收试验,最优效率达94.28%。哈尔滨大电机研究所所长李正说:“响水涧水泵水轮机的成功研制,标志着我国在该领域的研究已经取得了突破性进展。”
依靠过硬的设计能力,创新发电电动机转子结构安全性方法
抽水蓄能机组的发电电动机与水泵水轮机的运行方式类似,通过转子的正向与反向转动,实现发电机和电动机两种功能。那么,它的研发突破点又在哪里呢?
“转子高速运转带来的结构安全性。”哈尔滨电机厂前总工程师王国海解释说,“和常规水电机组相比,抽水蓄能发电电动机转子运行转速高。拿三峡巨型水轮发电机相比,虽然响水涧电站的单机容量还不到三峡发电机的一半,但转速却是三峡发电机的3倍多。在这么高的转速下,发电电动机转子要频繁承受机组启停、正反转过程中交变负荷和冲击负荷,对转子的结构安全性是一个巨大考验。水电行业有一个共识,就是抽水蓄能机组发电电动机的研制难度,一般是常规水电机组的2到3倍。三峡电站第一台机组2003年7月就正式并网发电了,可直到响水涧电站之前,我们还没有自主研制发电电动机的能力。”
王总所言不虚。早在2008年,国内某抽水蓄能电站在调试期间,进口机组就发生了发电电动机磁极线圈断裂事故。转子铜排从高速旋转的磁极上脱落,在发电电动机内部产生约1200吨的撞击力,造成发电电动机整体严重损毁,直接经济损失超过亿元人民币。
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