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坚持高质量发展 我国大容量水电机组跃居世界首位

我国水能资源比较丰富,主要集中在中西部地区的大中型河流上,其中长江上游的金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、澜沧江和黄河、怒江等主要干流上,装机容量约占可技术开发量的60%以上,国家一直重视和鼓励支持水能资源的科学合理有序开发。截至2018年底,我国水电装机容量达到3.5亿 kW,占全国发电装机容量20%。

世界水电大国

截至2018年末,单机额定容量50万kW以上的巨型机组见下表。除乌东德、白鹤滩水电站正在建设外,其余都已投运。

“十三五”开始,陆续开工建设建成投运的还有金沙江、雅砻江、大渡河、溪洛渡和向家坝等大型水电站,形成了西南地区水电基地,并已将电力外送到华北、华中和华东负荷中心。根据长江三峡集团公司发布的信息,金沙江上的溪洛渡、向家坝和乌东德,已投运的白鹤滩等4座大型水电站装机容量超过4 300万kW,相当于两个三峡工程,年发电量2 000亿kW·h。向家坝水电站8台/80万kW机组于2014年全部建成投产发电。溪洛渡水电站18台/77万kW机组,在中国排名第二,世界排名第三,于2016年全部建成投产发电。

据水力规划总院预测,我国水电技术可开发容量为5.5亿~5.8亿kW,到2020年,常规水电装机容量将达到3.7亿kW左右,约占技术开发量的62%左右,其中小水电装机容量达到8 000万kW。

规划“十三五”末,抽水蓄能机组新增装机规模预测将达到5 000万kW,今后若干年内,水电新建装机容量将保持年投运800~1 000万kW的增长幅度。

水电的核心是对国家能源安全的贡献。我国在发展大型水电站中,既有多功能水利基础设施建设带来的良好机遇,又有一系列关键技术创新发展难题的挑战,比如在西南地区发展的大型水电站中,我们水电战线上的科技人员就攻克了高地震区,高拱坝,高水头,大泄流量等世界级的难题。

水电的发展,对能源与水资源管理的贡献,不仅仅局限于国内电力生产或区域防洪。从能源角度看,水电还可通过蓄水、调节容量和负荷等特有的手段稳定地区电网系统,并通过与核电、火电的联合运营方式来降低成本。

目前,世界上已投运的混流式水电机组的单机额定容量最大为70万kW的水电站有:美国大古力水电站(3台×70万kW)、巴西依泰普水电站(18台×70万kW)、中国三峡水电站(32台×70万kW)、中国砻滩水电站(4台×70万kW)、中国向家坝水电站(8台×80万kW)和中国溪洛渡水电站(18台×77万kW),转轮直径最大为三峡工程的10.4 m。已投运轴流式水电机组最大单机容量为我国福建水口水电站,单机容量200 MW。最大转轮直径为葛洲坝水电站,转轮直径11.3 m。

设备国产化成功之路

我接触水电工程装备制造是在1982年初到新世纪开始,参与了葛洲坝水利枢纽工程的设备制造、安装、调试、运行和三峡工程前期机组的选型认证工作。

1986年,三峡工程机组的机电设备论证报告开始起草讨论。在初步设计阶段,机械部、水电部、水科规划院、长江设计院和东方、哈尔滨电机厂的技术人员经过全面补充论证后,推荐单机容量为70万kW装机26台,电站装机容量1 820万kW。到三峡工程开工建设阶段,经批准增加地下厂房6台/70万kW装机容量,从此三峡整个电站装机容量为32台/70万kW,总装机容量为2 240万kW。

在招投标过程中,顶层决策十分重要。三峡工程所运行的大容量水轮发电机组关系到整个枢纽的安全、可靠运行和综合效益的发挥。在三峡工程论证阶段,东方电机公司、哈尔滨电机公司无法独立承担设计和制造工作,但单靠采购国外先进设备,不仅增加工程费用,也会产生对国外技术的依赖。

党中央和国务院采用了市场换技术的正确决策,时任副总理邹家华同志要求三峡总公司采购设备合同和技术转让合同必须同时签约才有效,具体原则是:市场换技术、联合设计、合作制造和技术转让,逐步实现国产化。

国家对三峡工程水电机组的制造高度重视,在“七五”“八五”“十五”期间,均设立了重大技术装备研制攻关项目。而中国水电装备的实力,也通过举世瞩目的三峡工程得到了快速提升。

三峡工程电站左岸14台机组招标时,国内企业还没有能力入围,基本上由国外企业进行,法国阿尔斯通中标8台,与哈尔滨电机公司合作;VGS联合体中标6台,与东方电机公司合作左岸14台机组,其中留出最后2台机组分别由东方电机公司、哈尔滨电机公司制造。但由于三峡工程中,左岸国内为主承担制造的2台机组性能优良、质量可靠,得到了用户信任,到三峡右岸的12台机组招标时,发生了重大变化:国外企业中标4台机组(阿尔斯通公司),国内企业中标8台机组——分别由东方电机公司和哈尔滨电机公司各得标4台;地下厂房的6台机组中,国外阿尔斯通公司、国内东方电机公司、哈尔滨电机公司各得标2台,实现了三分天下有其二的格局。

其中,东方电机公司采用了中科院电工所顾国彪院士领导的实验室、研发团队自主创新的蒸发冷却技术,合作制造的蒸发冷却水轮发电机组自投运以来,系统运行状况良好,机组温升数据正常,至今未发生因蒸发冷却系统故障而导致机组跳闸停机事件,获得了用户好评。

2012年8月份三峡工程右岸地下厂房最后一台70万kW机组正式并网发电,这标志着世界装机容量最大的水电站全面建成,并投入商业运行。

到目前为止,国内承担三峡工程左岸、右岸及地下厂房的水电机组的性能全部达到了国外同等水平,运行稳定,质量等各项指标优于左岸进口机组。而三峡工程经过 20年的建设,在发电、航运、防洪以及输电送出工程试验性蓄水等方面已经具备了整体竣工验收条件。就三峡水电站发电来讲,2018年的年度发电量突破1 000亿kW·h,三峡水电站运行以来,累计发电量达到12 000亿kW·h,相当于节约标煤 3.6亿t。