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水電設備皇冠上的明珠,東方電機拿下
來源:【文/觀察者網 李煥宇 編輯/周遠方】 | 作者:綜電科技網 | 發布時間: 2021-06-22 | 350 次瀏覽 | 分享到:
導讀: 黑麋峰抽水蓄能電站是湖南第一座也是唯一一座在運的抽水蓄能電站,全部采用國外公司技術和設計方案,是我國發電設備企業通過“打捆招標”引進國外技術的典型機組。 自2010年投運以來,機組一直存在諸多穩定性問題,尤其是4號機組的“特定水頭限負荷運行”問題十分突出。 為保障安全運行,2017年4號機組改造工程啟動。2020年12月,東電在多個關鍵技術領域進行了大膽創新,將自主研制的世界首臺6+6長短葉片轉輪應用于4號機組,解決了機組過渡過程特性和非同步導葉并網問題,以及相位共振及動靜干涉引起的振動超標和異常噪聲等一系列問題,成功完成國產化改造。

提起水電,宏偉的大壩、龐大的發電機組,無疑是很多人的第一印象,但在水電設備領域,這些還不是最難搞的。

該領域“皇冠上的明珠”屬于抽水蓄能機組,由于體積大、轉速高,在精度和壽命上的要求也極為苛刻,它成了水力發電行業最復雜、最難啃的“硬骨頭”。

長龍山抽水蓄能電站發電電動機轉子 圖片來源:東方電機

近期,觀察者網受邀參觀了我國抽水蓄能機組領域的龍頭企業——東方電機。據他們通報,6月10日,20余家單位及專家參加了單機容量300兆瓦的黑麋峰中低水頭(注:水位落差)抽水蓄能機組國產化改造技術成果總結暨專家鑒定會,一致認定該機組技術國產化改造升級項目整體技術處于國際領先水平。這是我國首次由國內廠家成功改造國外廠家設計的機組,樹立了該型機組技術國產化的典范。

負責本次改造的東方電氣下屬企業東方電機公司表示,大力發展抽水蓄能電站已成為支持新能源發展,打造安全可靠電力系統的全球共識,我國的抽水蓄能電站還會有更大的發展空間。

抽水蓄能,技術最成熟、應用最廣泛的儲能技術

抽水蓄能是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的技術,可承擔電網調峰、調頻、調相、空載和事故備用等任務。其最早的應用可以追溯到1890年代的瑞士和意大利,目前應用最多的可逆式機組最早出現在1930年代。

據東方電機研究試驗中心主任兼技術管理部部長梁權偉介紹,作為全球應用最廣的儲能技術,抽水蓄能有著存儲容量大、循環效率高、負荷響應快、使用壽命長、技術成熟度高的優點。目前,全球范圍內超過97%的能量存儲是通過抽水蓄能的方式實現的,以日本、美國和歐洲等國為代表的發達國家的抽水蓄能裝機容量占全世界抽水蓄能總裝機容量的70%左右。

世界單機容量最大的美國巴斯縣抽水蓄能電站上水庫 圖片來源:布里斯托爾先驅報

具體而言,論儲存容量,世界單機容量最大的抽蓄機組是美國巴斯縣電站,達到500MW(兆瓦);我國在建的河北豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3600MW,竣工后將成為世界最大的抽蓄電站。抽蓄電站的滿載儲能/發電時間一般都能達到6~10h,甚至更多。

這一容量要遠大于絕大多數儲能技術。東方電機專家何啟源向觀察者網表示,一般大型抽水蓄能電站總容量都在1000MW以上,如果化學儲能電站想要達到抽水蓄能電站的水平,至少需要15~20萬平方米的面積。

正在建設的豐寧抽水蓄能電站 圖片來源:河北日報

論循環效率,抽蓄機組的儲放循環效率通常在75%~85%范圍內。國外的成熟技術普遍能達到80%及以上,即所謂的“5度換4度”;國內早期投運的機組一般在75%左右,即所謂“4度換3度”。隨著近年來的技術進步,我國新研發制造的機組普遍都能達到80%以上。像江西洪屏抽蓄電站達到84%,浙江桐柏、湖南黑麋峰等幾個抽蓄電站機組循環效率均能達到83%。

論技術成熟度,抽蓄是世界上發展最為成熟、工程應用最為廣泛的儲能技術。美國能源部曾用NASA開發的技術成熟度評估模型(TRA)對現行的各種儲能技術的成熟度進行了評估。1級表示一項技術的基本原理或規律剛剛被發現,9級表示一項技術已經在現實當中得到成功應用和驗證。抽水蓄能在評估結果中穩居最高的第9級,擁有最高等級的技術成熟度和可靠性。

加快發展抽水蓄能是中國的必然選擇

全球抽水蓄能有兩波裝機高峰,第一波是在20世紀7、80年代,伴隨著核電裝機大規模增長;第二波則是21世紀至今,伴隨著新能源的大規模應用,這一波同我國的能源、電力戰略不謀而合。

在“碳達峰、碳中和”目標的背景下,以風電、光伏為代表的可再生能源大規模并網,但由于風、光的不穩定性,需要配備儲能。中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司董事長郝榮國表示,抽水蓄能電站是技術成熟、運行可靠且較為經濟的調節電源和儲能電源,可有效促進大規模風電和太陽能發電的入網消納,保障電力系統安全穩定運行,是構建以新能源為主體的新型電力系統的重要組成部分。

國內首座700米級水頭抽水蓄能電站——敦化抽蓄電站 圖片來源:國家電網

加快發展抽水蓄能成了保障我國電力安全和能源安全的必然選擇。3月19日,國家電網有限公司在京召開發布會,發布服務碳達峰碳中和構建新型電力系統加快抽水蓄能開發建設重要舉措。力爭“十四五”期間在新能源集中開發地區和負荷中心新增開工2000萬千瓦以上裝機、1000億元以上投資規模的抽水蓄能電站。

有參與“十四五”可再生能源規劃編制的業內人士也透露,初步預計“十四五”期間年度投產規模約500-600萬千瓦,預計五年內抽蓄電站新開工規模在3000-4000萬千瓦。

梁權偉指出,雖然我國抽蓄裝機容量已占到世界裝機總容量的20%左右,但我國抽水蓄能裝機容量在整個電網裝機容量的占比目前僅為1.5%,根據我國國情,這一占比應為5%-10%才較為合理,所以未來還有較大的發展空間。

黑麋峰抽蓄機組國產化改造——抽蓄技術國產化的里程碑

在我國加快發展抽水蓄能的大背景下,東方電機對長沙黑麋峰抽水蓄能電站機組國產化改造的意義也就不言自明了。

黑麋峰抽水蓄能電站是湖南第一座也是唯一一座在運的抽水蓄能電站。電站安裝4臺300兆瓦可逆式抽水蓄能機組,額定水頭295米,轉速300轉/分鐘,全部采用國外公司技術和設計方案,是我國發電設備企業通過“打捆招標”引進國外技術的典型機組。

自2010年投運以來,機組一直存在諸多穩定性問題,尤其是4號機組的“特定水頭限負荷運行”問題十分突出。

為保障安全運行,2017年4號機組改造工程啟動。2020年12月,東電在多個關鍵技術領域進行了大膽創新,將自主研制的世界首臺6+6長短葉片轉輪應用于4號機組,解決了機組過渡過程特性和非同步導葉并網問題,以及相位共振及動靜干涉引起的振動超標和異常噪聲等一系列問題,成功完成國產化改造。

此次改造也是首次由國內廠家成功改造國外廠家設計的機組,被行業內專家譽為“抽水蓄能技術國產化的里程碑”。新轉輪是世界上首個得到工程應用的6+6長短葉片轉輪,也為水泵水輪機轉輪設計開辟了一條全新的技術路線。

黑麋峰抽水蓄能電站的國產新機組 圖片來源:東方電機

東方電機是國內首個同時具備抽水蓄能機組研制和調試能力的發電設備制造企業,也是抽水蓄能行業研發技術水平最高、加工制造能力最強的企業之一,其國內市場占有率達到38%,機組整體研制水平已經達到國內領先、世界一流水平。

據東方電機研究試驗中心主任兼技術管理部部長梁權偉介紹,目前東方電機在300m(黑麋峰電站)、400m(仙游、深圳、豐寧等電站)、500m(呼和浩特、阜康、洛寧電站)、600m(績溪電站)、700m(敦化、長龍山電站)水頭段都取得了突破、建立了業績、積累了經驗,下一步還將繼續拓寬業績范圍和技術領域,在200m及以下水頭段、800m及以上水頭段,以及多級可逆式抽水蓄能、三機式抽水蓄能、海水抽水蓄能、分布式抽水蓄能等方面加大研發力度。

東方電機表示,面對抽水蓄能機組市場需求大幅增長對東方電機相關研發、生產和服務能力帶來的新挑戰,東電會堅持制定專項計劃,著力提升抽水蓄能項目組織管理水平;加大生產瓶頸攻關力度,進一步提升抽水蓄能機組年產出能力;加快科研試驗平臺建設,提供科技創新孵化載體,為確保實現“機組一次啟停成功、技術研發水平行業一流、服務和產品質量行業領先”目標提供堅實保障。


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