簡述我國發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的自主創(chuàng)新成果

哈爾濱電機廠有限責任公司 楊珍珠

當今世界發(fā)電設(shè)備市場已經(jīng)處于供過于求的形勢，從而導致市場競爭更加激烈。美國西屋公司甚至停產(chǎn)了這種產(chǎn)品，并向外轉(zhuǎn)讓技術(shù)；GE公司也通過國際采購方式而盡量少做那些市場上能買到的大路貨；整個歐洲廠家?guī)缀醵冀y(tǒng)合到了德國西門子和法國阿爾斯通公司的旗下。許多廠商關(guān)停并轉(zhuǎn)，重組聯(lián)合，壯大實力，對長線產(chǎn)品則實行標準化、模塊化設(shè)計，專業(yè)化生產(chǎn)，全球化采購，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，壓低產(chǎn)品價格，強化競爭實力。對新產(chǎn)品則實施技術(shù)壟斷，加大利潤。競爭的主要對象是：水電領(lǐng)域有超大容量的巨型混流式水電機組（700MW以上，性能好，穩(wěn)定性高）；大容量抽水蓄能發(fā)電機組（300MW以上，采用交流勵磁進行調(diào)速）。火電領(lǐng)域有大容量高效燃氣發(fā)電機組；空冷熱電連產(chǎn)供熱發(fā)電機組；采用高效燃燒技術(shù)的發(fā)電機組；高溫燃氣發(fā)電機組：壓縮空氣+聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。核電領(lǐng)域有1000MW級機組（要求采用先進的堆芯，具有較高安全性和經(jīng)濟性，預防和根除事故的發(fā)生，延長運行壽命）。風電領(lǐng)域有MW級的大型機組。海洋發(fā)電領(lǐng)域主要是大中型燈泡貫流式發(fā)電機組。市場競爭的取勝，主要取決于自主創(chuàng)新和品牌產(chǎn)品。當前生產(chǎn)的最大發(fā)電機組國內(nèi)外對比見表1。改革開放以來，在原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進、消化、吸收、再創(chuàng)新方面，我國取得了重大成果。

1 通風冷卻科學化

1.1 蒸發(fā)冷卻

大型汽輪發(fā)電機普遍采用氫冷，它的冷卻功能遠大于空冷。然而氫氣泄漏引發(fā)的爆炸危險，威脅發(fā)電廠安全運行，內(nèi)地與香港均發(fā)生此類事故，采用蒸發(fā)冷卻就不存在這些問題。水內(nèi)冷技術(shù)雖然冷卻效果很高，但需增設(shè)昂貴的水處理系統(tǒng)，且由水泄漏而造成事故的危險，電站維護，安全運行困難。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)泄漏量可減到最小，具有獨特的優(yōu)越性，因為它是絕緣的液體.它采用低沸點（50度－60度）的新型氟碳化合物液體，具有無毒、無污染、高絕緣性能、無腐蝕性、防火、滅弧性能，且密閉、無泵自循環(huán)、運行方便、可靠性較高，這種更加科學的冷卻技術(shù)將取代復雜的傳統(tǒng)水冷技術(shù)。采用蒸發(fā)冷卻，可節(jié)約電機成本3%－5%，冷卻系統(tǒng)基本上無維護，可減少維護工作量和費用，增加電站經(jīng)濟效益。這種技術(shù)已經(jīng)用于5臺機組，李家峽400MW水電機組，投運5年多，從未發(fā)生任何故障。

我國蒸發(fā)冷卻技術(shù)的開發(fā)應用填補了世界空白，處于世界領(lǐng)先地位。蒸發(fā)冷卻新技術(shù)是國際公認的旋轉(zhuǎn)電機領(lǐng)域4大最新進展之一（其他3項為超高壓電機、超導電機和大型空冷電機）。中科院電工所長達40多年的研究，做出了重大貢獻，東方電機公司首先應用并取得成功。1996年11月，研制的最大為（李家峽）400MW機組并網(wǎng)發(fā)電，上海汽輪發(fā)電機有限責任公司主攻臥軸式汽發(fā)，難度較大。2005年1月24日完成的國家科技攻關(guān)項目《135MW蒸發(fā)冷卻汽發(fā)的開發(fā)》通過驗收，哈電與中科院電工所合作開發(fā)了世界最大的1000MW級水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)模型模擬試驗臺，并進行了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的真機模擬試驗和仿真研究。2005年11月，其試驗研究成果通過國家鑒定，國家評審團充分肯定了哈電為我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)應用到大型和巨型水輪發(fā)電機上做出重大貢獻。

表1 國內(nèi)外制造的最大發(fā)電機組

1.2 空氣冷卻

1.2.1 水電空冷

發(fā)熱與冷卻是一項世界性課題，是制約電機發(fā)展的兩大主要因素之一（另一個是絕緣）。傳統(tǒng)的設(shè)計理念和選型界限是“每極容量”和“風量越大越好”，哈電機公司大膽解放思想，自主創(chuàng)新，突破這種舊框，更新理念，創(chuàng)新開發(fā)應用了新的計算程序和相似模型驗證優(yōu)化設(shè)計方法。關(guān)鍵是找到了電機內(nèi)部各個熱源，測得了散熱系數(shù)（各國保密），使通風設(shè)計更加科學化。開發(fā)的大型水輪發(fā)電機徑向供風無風扇端部回風式通風系統(tǒng)，風量分配均勻，通風損耗小，冷卻效率高，安全可靠，已被廣泛應用。開發(fā)的大型水輪發(fā)電機全空冷新技術(shù)已成功地用于三峽700MW機組上，填補了國內(nèi)空白。又先后用于廣西龍灘、黃河拉西瓦、云南小灣等700兆瓦級機組上。

1.2.2 火電空冷

1980年代末期，對節(jié)能和環(huán)保方面的要求日益提高，火電設(shè)備的發(fā)展也趨向于高效率化和低污染化。汽輪發(fā)電機的發(fā)展趨勢不再是提高單機容量、實現(xiàn)大容量化，而是轉(zhuǎn)向中小容量的產(chǎn)品，以便滿足燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的日益增長的需求。這種電站的優(yōu)點是可以提高效率、改善環(huán)保、縮短周期、減少投資、便于調(diào)整、節(jié)約水源、延長壽命，已經(jīng)成為老電站改造和新電站籌建的優(yōu)選方案。

用蒸汽發(fā)電已有100年歷史，而用燃氣發(fā)電則只有66年歷史。汽輪發(fā)電機的單機容量最大為1200MW以上，達到了極限，主要采用氫氣和水來冷卻。而燃氣輪發(fā)電機則要求采用空氣冷卻。燃氣發(fā)電時排氣中蘊藏有大量可以再利用的熱能，可以通過加裝余熱鍋爐和汽輪機加以回收，便出現(xiàn)了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電成套裝置。這種聯(lián)合循環(huán)電站的熱效率高達60%以上。當今世界火電設(shè)備的市場需求主流就是這種產(chǎn)品，其中400MW以下的產(chǎn)品占80%左右，而210MW以下的高達60%以上，哈電開發(fā)的副槽通風等新技術(shù)已成功的用于這種產(chǎn)品上。這種大型電機空氣冷卻新技術(shù)，也是國際公認的旋轉(zhuǎn)電機領(lǐng)域4大最新進展之一。

2 絕緣技術(shù)完善化

三峽左岸機組由外商承包，國內(nèi)分包時采用了國產(chǎn)絕緣，外商檢驗合格，卻要求再送國外復驗，還是合格。他們不愿國產(chǎn)化，希望續(xù)用昂貴的進口材料。國內(nèi)承包三峽右岸空冷發(fā)電機絕緣系統(tǒng)研究的完成，填補了國內(nèi)空白。哈電開發(fā)的F級高電壓高云母含量環(huán)氧玻璃粉云母帶的粉云母紙技術(shù)指標達到了世界先進水平，解決了高壓電機定子繞組線圈或線棒矩形截面的四個角部存在的電場集中現(xiàn)象，減薄了主絕緣厚度，提高了主絕緣導熱系數(shù)。哈電開發(fā)的大容量、高電壓、高云母含量、高導熱、減薄型新絕緣系統(tǒng)，可用于燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的500MW透平發(fā)電機組和1000MW的巨型水電機組。

3 蓄能機組國產(chǎn)化

1990年代初期，十三陵機組曾實行中外聯(lián)合設(shè)計、合作制造，但國內(nèi)廠家（哈電和東電）只能參與分包制造，沒有制造整機的機會，不能掌握設(shè)計制造核心技術(shù)，不能具備獨立投標資質(zhì)。即使到了本世紀初（2003年），國內(nèi)廠家自行設(shè)計制造白山、回龍蓄能機組時，其推力軸承還要從國外進口。廣州機組至今還得采用國外進口的推力軸承潤滑油，將來產(chǎn)品打入市場，還要向外商交付提成費，利潤幾乎都流到國外。

推力軸承物理特性非常復雜，瓦面油膜的不等溫性、不等壓性，瓦面與鏡板的熱彈性變形等都需深入研究。影響熱彈性流體計算結(jié)果準確性的關(guān)鍵因素，是邊界條件和軸瓦，鏡板與推力頭的熱彈性變形。為掌握軸承潤滑的特性，通過聯(lián)立求解潤滑油膜的厚度，動壓（雷諾方程）、熱能量、黏度、溫度等方程和軸瓦與鏡板的熱傳導、熱彈性變形等方程，再迭代求出推力軸承的性能參數(shù)。哈電通過自主創(chuàng)新、研發(fā)了大型推力軸承熱彈性流體動力潤滑性能計算分析軟件，并在巖灘、天生橋、水口及三峽電站機組得到驗證。

哈電建成了國內(nèi)最大的3000噸推力軸承試驗臺，針對高水頭大容量高轉(zhuǎn)速的大型抽水蓄能機組進行了雙向推力軸承的多項設(shè)計、試驗研究，結(jié)束了國內(nèi)沒有設(shè)計這種雙向推力軸承的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)它的國產(chǎn)化打下基礎(chǔ)。哈電自主開發(fā)的回龍60MW高水頭大容量高轉(zhuǎn)速的大型抽水蓄能機組已成功投運。

4 風電設(shè)備調(diào)速化

大型風電設(shè)備的發(fā)展可以分為三個階段，第一代產(chǎn)品是已經(jīng)廣泛應用的異步發(fā)電機，除了風輪機外，它的機艙內(nèi)還裝有齒輪箱和變壓器；第二代產(chǎn)品是近年來大量推廣應用的雙饋式異步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子采用變頻式供電交流勵磁，定子電樞輸出為恒頻（工頻），它取消了齒輪箱，但保留有變壓器；第三代新產(chǎn)品就是上個世紀末開發(fā)應用的超高壓永磁式風力發(fā)電機，它不僅取消了齒輪箱，還取消了變壓器，而且采用了高壓直流輸電新技術(shù)。這種第三代新產(chǎn)品有許多優(yōu)點，如減少組件、簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、便于維護、延長壽命等，但是最大的經(jīng)濟效益在于投資和成本的大幅度降低，而這個優(yōu)點是涉及到上網(wǎng)電價的關(guān)鍵問題，也是當今世界發(fā)展風電的最為關(guān)注的重要指標。

轉(zhuǎn)子采用交流勵磁新技術(shù)時可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值和相位來保證發(fā)電機始終處于最佳工況不運行，達到高效和穩(wěn)定，即使在風能狀態(tài)不斷變化情況下，也能使機組跟蹤最優(yōu)工況點，保證機組不會失步，同時提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果采用現(xiàn)代化的矢量控制，還可以在調(diào)節(jié)有功和無功功率的同時，使發(fā)電機的控制達到快速響應。

1996年8月，國家機械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金委員會下?lián)茉菏炕?0萬元來支持“380 kW交流勵磁變速恒頻發(fā)電機試驗”項目。經(jīng)過多年的科研攻關(guān)，哈電開發(fā)成功了300 kW轉(zhuǎn)子采用交流勵磁且能變頻調(diào)速、而定子則仍恒頻發(fā)電的大型風力發(fā)電機。哈電開發(fā)的1.2MW和2.0MW這種產(chǎn)品已投運多年，現(xiàn)正開發(fā)3MW級以上的。除了風力發(fā)電機，這種交流勵磁調(diào)速新技術(shù)還廣泛用于抽水蓄能發(fā)電機組上。

5 穩(wěn)定運行長壽化

當今世界水電機組容量和尺寸不斷增大，電站水頭變化幅度也在增大，負荷范圍明顯拓寬，當電站條件偏離甚至遠離設(shè)計工況，就會產(chǎn)生脫流和渦帶，引起水力震動，導致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，尾水管撕裂。這種現(xiàn)象目前還不能用最先進的數(shù)值流動分析進行預測，而且通過模型試驗也難以辨認。壓力脈動是混流式轉(zhuǎn)輪本身固有特點所決定的，在水力設(shè)計中也是不可能完全根除的。最先進的流體動態(tài)解析軟件也只能限于穩(wěn)態(tài)流動，它能顯示穩(wěn)態(tài)流動中是否出現(xiàn)渦帶，但是不能給出渦帶是否穩(wěn)定的結(jié)論，它是一項世界性課題。三峽左岸機組由外商承包，投標時穩(wěn)定性就不合格，外商回去改進，有些好轉(zhuǎn)，卻不理想，當時世界水平有限。運行證明，外商承包的三峽左岸機組14臺幾乎全部振動、噪聲。在三峽右岸機組投標時，哈電通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)新開發(fā)的轉(zhuǎn)輪名列前茅。運行實踐證明，穩(wěn)定性遠超外商承包的左岸機組。外商承包的三峽左岸機組14臺正由國內(nèi)廠家予以改造、消除振動。

6 經(jīng)營管理網(wǎng)絡(luò)化

作為全國“現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)工程”的重點應用示范工程企業(yè)，哈電獲得了最高分。這種集成系統(tǒng)工程的目標是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代化的經(jīng)營管理模式為核心，吸取并行工程思想，在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立項目管理／綜合管理系統(tǒng)，使產(chǎn)品設(shè)計與工藝一體化，依靠信息技術(shù)，把企業(yè)的人、財、物與技術(shù)集成為一個整體的優(yōu)化系統(tǒng)，促進全面提高企業(yè)快速響應市場、提高質(zhì)量、降低成本、優(yōu)良服務(wù)的能力，并確保成為國際同行中競爭力極強的著名企業(yè)。

由于實現(xiàn)了集成化，實現(xiàn)了以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)的設(shè)計過程與信息的集成，以生產(chǎn)計劃為中心的管理系統(tǒng)的集成，以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與其他管理系統(tǒng)之間的集成和計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、計算機輔助工藝規(guī)劃的集成，提高了產(chǎn)品設(shè)計水平與效率。基于專家系統(tǒng)的發(fā)電機組方案設(shè)計、基于三維造型的產(chǎn)品設(shè)計，以及快速投標報價等，增強了企業(yè)的國內(nèi)外市場競爭實力。開發(fā)應用現(xiàn)代化計算機集成制造系統(tǒng)的根本功效是好、快、省，即提高質(zhì)量、縮短周期、降低成本，保證企業(yè)的生存和發(fā)展。實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化、生產(chǎn)管理信息化、加工制造自動化的新型企業(yè)模式。哈電通過集成創(chuàng)新開發(fā)和應用的這種系統(tǒng)工程已通過國家驗收，并在全國同行企業(yè)推廣應用、實施聯(lián)網(wǎng)、信息共享。

7 創(chuàng)新體系擴大化

為了提高企業(yè)核心競爭力，哈電建立了符合市場經(jīng)濟要求的科研、技術(shù)創(chuàng)新體系和機制。成立了由著名專家組成的技術(shù)咨詢委員會并與清華大學、哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合建立技術(shù)開發(fā)合作關(guān)系。實現(xiàn)產(chǎn)、學、研大聯(lián)合，開展基礎(chǔ)理論、學術(shù)研究，大力推進原始創(chuàng)新。在國家科委、國資委批準哈電集團為“發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心”以后，又獲準建立了“國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心”、“水力發(fā)電設(shè)備國家重點試驗室”、“大型水力發(fā)電設(shè)備和大型電機產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心”等。

早在1990年就在渤海灣的葫蘆島上建成并投產(chǎn)了東北濱海水電設(shè)備大件加工廠(現(xiàn)名為葫蘆島濱海水電大件制造有限責任公司)，是由哈電與原渤海造船廠合資興建的海岸工廠。組焊加工后的水電大件經(jīng)過海上和江上運往電站工地（如三峽）。近年，在發(fā)改委、國資委領(lǐng)導下，已加盟哈電的昆明電機廠正在熱火朝天地擴建新廠房、安裝現(xiàn)代化大型加工設(shè)備。從大東北到大西南，幾乎穿越全國，實現(xiàn)南北合作、強強聯(lián)合。水力資源多在大西南。就地制造、就近安裝，縮短了運輸距離，方便了售后服務(wù)，強化了市場競爭實力。最近，又開辟了一條跨國的江海聯(lián)運通道，即將發(fā)電設(shè)備的大型部件由哈市松花江運到撫遠港口，換裝江海聯(lián)運船后，經(jīng)俄羅斯內(nèi)河到達尼古拉耶夫（廟街）出海，運往電站工地（如三百門1000MW火電定子）。

哈電先后申報并獲準了下述9種國家專利：（1）具有內(nèi)外機座的汽輪發(fā)電機；（2）曲線坡口機；（3）浮動式迷宮螺旋復合密封裝置；（4）軍用直流幅壓發(fā)電機；（5）靜壓軸承變恒流量供油系統(tǒng)；（6）半屏蔽強制循環(huán)泵電機；（7）-混流式水輪機變頻轉(zhuǎn)輪；（8）混流式水輪機L型葉片轉(zhuǎn)輪；（9）控制頭等。這些專利技術(shù)充分顯示了哈電自主創(chuàng)新的特色。