[中國工業報]為了那心中的百萬機組夢想——記哈電機1000兆瓦水電機組的研發創新路
來源：哈爾濱電氣集團公司
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發布時間：2017-09-04
信息來源：中國工業報 發布時間：2017年8月16日
作者：劉玉強 富宏杰 張弘 由慶祝
走過66年，人已近古稀，而無數個幾乎與共和國同齡的央企，經過60多年的砥礪奮進，卻正值青壯年，哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱哈電機）就是這樣若干個央企的典型代表。從共和國第一臺立式水電機組的誕生，到世界最大單機容量水輪發電機組的研制；從引進消化吸收國外先進技術，到自主創新、登頂行業技術制高點，用一個個驕人的業績，鞏固和捍衛著“共和國長子”的地位。
這群哈電人，操縱著世界上最優秀的機電設備，用開發出的世界上最先進的技術，為一片又一片荒原點亮一盞盞希望之燈，“中國制造”提供的源源動力在更多國家的電網里流淌。這一切，她做起來從容不迫、游刃有余，只為實現心中那一個個振興中國水電裝備制造業的夢。
如今，白鶴灘電站建設業已核準，重任再次落在了這位“共和國長子”的肩上。潛心鉆研多年1000兆瓦水電機組關鍵技術的哈電機，又要繼續沖擊新的行業制高點，領舞世界水電之巔。
夢想從這里開始
還記得那個深藏已久的夢想：1958年的12月，“全國科學規劃會”在振興民族工業大旗的引領召喚下勝利召開。會上，哈電機將編寫好的《三峽樞紐水利機組容量論證初步意見》同與會專家分享，提出了研制300兆瓦、450兆瓦、600兆瓦、800兆瓦、1000兆瓦水電機組等5個方案的構想，以及相應的設計參數、結構、尺寸和裝配圖，這便是“百萬水電機組”的逐夢過程的起點。
但由于當時的技術水平所限和歷史原因，具體的研發工作并沒有進一步展開。可是，研制1000兆瓦水電機組，助力國家經濟建設、助推中國科技進步這一宏偉的夢想，卻深深地植入了哈電人的心中。
從小到大、從無到有，逐夢路上的哈電人披荊斬棘，從1951年成功制造容量僅0.8兆瓦的下硐水輪發電機組、實現我國立式水電機組自行設計制造“零”的突破，到安徽響洪甸水電站10兆瓦、浙江新安江水電站72.5兆瓦、甘肅劉家峽300兆瓦雙水內冷水電機組的研制成功，再到四川二灘550兆瓦水輪發電機組投入運行發電，哈電機在水電裝備制造過程中直面艱難險阻，領跑中國水電裝備的創造，為研發更大容量水輪發電機組積累了技術儲備，進行了充分的實戰演練。
上世紀90年代起，哈電機開啟了“三峽時代”新模式。當時，在三峽左岸，哈電機還只能做一個寂寂無聞的分包商，而在三峽右岸機組的制造中，哈電機便以其“獨門絕技”，實現技術上的兩大突破———開發的優質新型轉輪為機組帶來最好的穩定性，攻克了水輪機高部分負荷壓力脈動帶的難題；全空冷技術的應用，打破了國外水電強國對全空冷水輪發電機極限出力為600兆瓦的設計理念，開創了大容量全空冷發電機運行的新時代，時間之短，進步之快讓人驚嘆。
從三峽左岸當學生到三峽右岸自主創新，哈電機走出了一條巨型水輪發電機組技術引進、消化吸收、再創新的成功之路，被國家譽為創新領域的“三峽模式”，真正實現了“中國制造”向“中國創造”的跨越，圓了巨型全空冷水輪發電機組技術獨步世界的創新夢，在裝備制造板塊挺起了民族工業的脊梁。
2008年，哈電機承接了向家壩4臺套800兆瓦和溪洛渡6臺套770兆瓦全空冷水輪發電機組研制合同。其中，向家壩機組是當今世界已運行單機容量最大的機組，也是國內首個800兆瓦等級機組。在研制期間，哈電機采用了多項“百萬水電機組”的研究成果，使“百萬水電機組”的研究得到工程實際的進一步驗證。溪洛渡、向家壩機組投運后，相關專家得出的結論是：哈電機研制的機組主要指標比最初確定的“精品機組”要求還要好，機組的穩定性超乎最初的想象。
憑著先進的技術和領先的制造，哈電機成為全國巨型水輪發電機組市場的最大贏家。三峽工程全部發電機組共32臺，而短時間內哈電機承攬的50多臺巨型水輪發電機組制造合同，相當于再造了兩個新三峽，對國家裝備制造業的貢獻無可取代。
夢想向這里進發
2007年，受中國水電水利規劃設計總院委托，哈電機承接了《1000兆瓦級水電機組制造可行性分析》專題研究，踏上了百萬千瓦水電機組科研攻關的征途。同年，在向國家科技部提交可行性研究報告之后，哈電機又聯合國內知名研究院、所、高等院校和企業組成攻關團隊，承接了7個國家科技支撐項目課題的研究工作，產、學、研、用相結合，獲得了一大批新理論、新技術、新測試分析方法及發明專利。
時間一點一滴地行走，很快到了2012年，國家科技支撐計劃攻關的重任依舊落在哈電人的肩上，不同的是，有了白鶴灘項目為依托。根據白鶴灘、烏東德工程的實際特點，三峽集團公司先后委托哈電機開展了6個關于1000兆瓦水輪發電機組專項技術的研究，使哈電機的研究開發工作更具針對性，更接近工程實際。
白鶴灘水電站是中國長江三峽集團公司開發的金沙江下游河段梯級的第二級電站。電站裝機16臺總計16000兆瓦水輪發電機組。電站建成后，將僅次于三峽水電站，成為世界第二大水電站。
白鶴灘電站機組為中高水頭、中低轉速、巨型混流式水輪發電機組。機組不僅運行水頭高、變幅范圍廣，而且結構外形尺寸巨大。因此，要對水輪機、發電機參數進行單獨及整體匹配優化研究；對機組總體結構型式選擇、重大部件結構優化、動力響應及機械穩定性進行預估研究，不僅要考慮改善機組高水頭運行的穩定性，而且要兼顧低水頭超額定出力發電的要求。
哈電機立下愚公志，從1000兆瓦水輪發電機組的安全高效運行角度出發，重點針對巨型機組穩定性、水力開發、電磁、結構、絕緣技術、疲勞破壞和過渡過程、通風冷卻試驗及測試方法等方面進行科研攻關，攻克了多項世界性技術壁壘，實現了歷史性的跨越，推動著我國巨型水輪發電機組制造技術進一步走向成熟。
在項目的研究過程中，哈電機發表了47篇論文，獲得國內專利授權49項，其中發明專利16項。課題驗收專家組認為，哈電機研究的成果在某些方面達到世界領先水平，各項科研成果足可以支撐工程設計制造的各項需求。
從新中國第一臺0.8兆瓦的下硐水輪發電機組，到世界最大單機容量1000兆瓦的白鶴灘空冷水電機組，哈電機練就了過硬的本領，許多關鍵技術達到了國際先進水平，研制巨型機組得心應手、揮灑自如，為開發“百萬水電機組”奠定了更加堅實的基礎。而這一過程僅用了60多年時間，這不能不說是一個偉大的創舉。
夢想在這里實現
“一定要把科研開發作為打造技術競爭優勢與核心競爭力的長期戰略，推進技術進步上新臺階。”懷揣著偉大的信念，哈電機不斷超越自我，在百萬千瓦水電項目的研發領域攀登新的高峰。
針對白鶴灘電站對機組運行的要求，哈電機多輪次地優化設計水輪機轉輪，大幅度降低了水輪機飛逸轉速及無葉區壓力脈動，提高了機組過速和甩負荷時的穩定性和安全性，既能滿足高水頭穩定性能的要求，又在低水頭段具有較大的超發能力。同臺對比最終結果表明：哈電機研發的模型轉輪最優效率和加權平均效率均達到了世界先進水平！
隨著單機容量的增加，電機的冷卻難度也越來越大。經過分析得出，采用空氣冷卻方式的機組，結構布置簡單、安裝維護方便、運行更加可靠。然而，首次在這樣大容量的機組上采用空氣冷卻，不僅是一個新的技術飛躍，更是一個巨大的挑戰。為了獲得有效的試驗數據，哈電機冷卻團隊設計制造了專用的模型裝置，真實模擬真機的通風狀態，驗證了1000兆瓦機組采用全空冷的方式是完全可行的。相關專家認為，哈電機掌握了一套獨有的全空冷技術！這一科研成果榮獲了黑龍江省科學技術一等獎，該模擬試驗裝置也獲得了國家發明專利。
據哈電機產品設計部初步設計組組長王威介紹，白鶴灘電站的尾水系統為“三機一洞”的布置方式，具有明滿流交替的現象，對過渡過程的品質要求更苛刻，致使機組過渡過程的計算尤為復雜。為了攻下這一難題，哈電機開發出了先進的軟件，詳細模擬白鶴灘左岸1號和右岸8號水力單元的管路系統，對機組運行中的各種過渡工況進行仿真計算，獲得了一系列詳實、有效的數據，為后續進一步優化設計奠定了堅實的基礎。
由于機組單機容量大，無論是電力系統擾動引起的振蕩，亦或是系統的誤操作，都有可能對電機或電網造成影響，甚至會帶來巨大損失。避免此問題的唯一辦法，就是對機組各個瞬態運行性能進行預估，找準應對方案。哈電機電磁分析科研團隊責無旁貸地承擔了這一國家重點科研課題。無數次地計算，無數次地試驗，1000兆瓦水輪發電機最佳的電磁方案終于被成功地開發出來。在此基礎上，電磁分析科研團隊還針對三峽、溪洛渡、向家壩等巨型機組調試中出現的各種振動問題進行了跟蹤測試，在白鶴灘機組的設計中，尤其是在定子低頻振動方面，研究出了更加可靠的解決方案。
哈電機白鶴灘項目水輪機主任設計吳繼兵對記者說，經過不斷探索，哈電機將水導軸承設計為自泵外循環結構，冷卻器外置式，這不僅減小了水導油箱的尺寸，而且保證了足夠的維護檢修空間；通過對主軸密封的研發，哈電機將靜壓自平衡式端面水壓密封作為首選方案，這種結構能夠保證密封環和轉環之間形成潤滑水膜，密封效果更穩定，工作壽命更長，維護和檢修更方便。
白鶴灘水電機組將繼承三峽等項目的研制成果，水輪機轉輪的上冠、下環、葉片，均采用精煉不銹鋼材質鑄造，再分別數控加工后進行焊接熱處理，由于模型轉輪設計優秀、材質好、型線準確、按設計區域運行，破解了以往轉輪產生裂紋的難題。
由于機組的部件尺寸大，轉輪和下機架均需采用工地制造，工藝人員詳細分析和研究大型部件廠內和工地制造方案，先后對工地制造方案、所需設備、工藝流程、廠房布局、質量控制計劃、吊裝方案等工作進行了詳細研究和討論，更是首次對工地制造廠房進行了3D繪制，并在標書編制中進行應用和展示。
一系列未知領域的技術瓶頸，在哈電機科研團隊的努力下，一一被攻克，在取得累累碩果的同時，也在不斷提升著哈電機的科研水平和整體實力。
白鶴灘電站建設項目的正式核準，意味著白鶴灘機組由研發轉入具體的工程設計和機組制造工作中。盡管哈電機已經做好了充分的思想準備和技術儲備，但畢竟面臨的是世界單機容量最大的水電機組———這一具有行業里程碑意義的1000兆瓦水電項目，難度之大、壓力之大前所未有。制造過程中每一個細小的環節、每一個細小的零部件都不容許有絲毫馬虎，哈電人必將拿出百倍的細心、千倍的努力，投入到機組的施工設計和制造過程中，以匠人精神高標準、高質量、高水平打造傳世精品，向三峽公司、向國人交上一份滿意的答卷，推動中國由水電大國邁向水電強國。