水電重大裝備國產化回顧與思考

胡偉明，劉　潔（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610041）

水電重大裝備國產化回顧與思考

胡偉明，劉潔
（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610041）

摘要：在國家對水電重大裝備國產化的戰略指導下，三峽集團公司推動國內企業及有關技術力量，通過引進消化吸收，自主創新和深化拓展創新三個階段，逐步實現了700 MW級以上巨型水輪發電機組、高壓電氣設備、調速系統及控制系統等關鍵水電裝備的國產化，并推動了國內冶金材料、大型鑄鍛件以及相關標準的全面技術進步，實現了水電裝備技術水平和自主創新能力的新跨越。本文簡要回顧了三峽集團在實施水電重大裝備國產化戰略中的做法和成果，并就如何做好國產化工作提出了思考和建議。

關鍵詞：水電重大裝備；國產化；巨型水輪發電機組；關鍵部件材料中圖分類號：F407.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）02-0001-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.001

1　概述

繼三峽水電站之后，世界第三大水電站、中國第二大水電站溪洛渡水電站，中國第三大水電站向家壩水電站26臺機組全部投產運行。溪洛渡水電站創下了1個月投產4臺、6個月投產12臺、12個月投產18臺770MW級巨型水輪機組的世界紀錄；溪洛渡水電站和向家壩水電站投產的26臺機組實現了“零非停”和“首穩百日”目標。在溪洛渡水電站安裝的18臺770MW水輪發電機組中，有15臺是擁有完全自主知識產權的國產機組，在向家壩水電站安裝的8臺800MW機組中，有4臺由國內自主設計制造，兩個電站機組的絕大部分重大部件和關鍵部件都由國內企業設計制造。這表明在這一領域中國企業的研發制造能力已處于國際領先水平，也為下一步自主生產制造更大容量機組奠定了基礎。在參建各方共同努力下，三峽集團公司走出了一條由引進消化吸收到自主創新，再到深化拓展創新的成功道路，首先實現了三峽工程700MW水電機組及相應電氣設備、控制設備的國產化，繼而實現了金沙江大型水電項目更大容量水電機組及相應電氣、控制設備更高水平的國產化，并推動了國內特種冶金材料、大型鑄鍛件、高端電氣裝備的全面技術進步，實現了我國水電裝備技術水平和自主創新能力的新跨越，被視為推動民族制造業進步的典范。

2　水電重大裝備國產化回顧

三峽集團公司水電重大裝備國產化分3個階段：引進、消化吸收階段，自主創新階段和深化拓展創新階段。

2.1技術引進、消化吸收階段

三峽左岸電站的機電工程是電站機電設備國產化的第一個階段，其主要特征是技術引進、消化吸收，此階段成功與否的表觀指標是國內廠家實現整機制造，是否達到要求，實質標志是國內企業負責供貨的部件和機組能否達到外方的統一技術標準。

三峽工程設計安裝32臺700MW特大型水輪發電機組，機組尺寸和容量大，水頭變幅寬，設計和制造難度居世界之最。為了確保機組的質量達到一流，不失時機地提升民族工業制造水平，在左岸電站機電設備采購中，采取“技貿結合，技術轉讓，聯合設計，合作生產”的方式。按照這一原則，三峽集團公司在左岸14臺機組招標文件中明確提出投標者必須與中國制造企業聯合設計、合作制造；必須向中國制造企業全面轉讓核心技術，培訓中方技術人員；中國制造企業分包份額不低于合同總額的25%，14臺機組中的最后2臺必須以中國企業為主制造。為確保核心技術轉讓完全到位，三峽集團公司先后支付了1 635萬美元的技術轉讓費。通過上述舉措，哈爾濱電機廠有限責任公司和東方電機股份有限責任公司等國內企業在三峽左岸機組制造中的實際份額達到50%以上，后4臺機組以哈電和東電為主制造，投產后各項運行指標均達到設計要求。國內企業完整地引進、消化吸收了核心技術，大大提高了設計制造能力，掌握了700MW特大型水輪發電機組的水輪機水力設計與模型試驗、發電機電磁設計、大部件強度剛度計算、推力軸承計算與試驗、軸承穩定性計算、發電機通風冷卻計算、專項關鍵制造工藝等技術，具備了自主創新能力，為自主設計制造700MW特大型水輪發電機組奠定了基礎。

在電站高壓電器設備方面，保定變壓器廠和沈陽變壓器廠圓滿完成技術的引進消化吸收，掌握了西門子500 kV變壓器的設計和制造技術，先后成功制造出4臺和2臺500 kV 840MVA升壓變壓器，各項性能指標均滿足合同要求。西安高壓開關廠和沈陽高壓開關廠基本掌握了瑞士ABB 500 kV GIS設計和制造技術，并分包生產部分的GIS設備，國產化比例達到40%左右，設備各項性能指標均滿足合同要求，運行安全穩定。

調速、勵磁系統方面，三峽左岸電站14套調速系統和14套勵磁系統均由國外提供，并進行技術、轉讓，與中國分包商合作生產，國內分包份額5臺套。調速器系統國內受讓方為哈電和能達公司，勵磁系統國內受讓方為東電和能達公司。通過三峽左岸電站調速、勵磁系統轉讓技術的消化吸收和國內制造廠技術進步，具備了后續三峽右岸電站調速、勵磁系統采購過渡到以國內為主進口關鍵部件的條件。監控系統方面，通過技術引進和聯合開發，國內計算機監控系統設計水平已經具備自主設計和獨立承擔大型水電站計算機監控系統配套能力。

三峽左岸電站的主要機電設備以國外廠商為主，國內企業分包制造，技術引進、消化吸收，既保證了三峽工程采用世界最先進的技術裝備，又帶動民族工業實現跨越式發展。國內企業分包制造的部件和整機達到了與外方一樣的技術標準，經歷了所有設計工況的考核，已陸續安全穩定運行近10年。

2.2自主創新階段

引進消化吸收之后，能否成功地再創新，此階段成功與否的表觀指標是“國產化率”，是否達到以國內為主的要求，實質標志是國內企業獨立供貨的整機能否全面達到同等性能，或個別方面優于外方供貨設備的性能。經過三峽左岸機組的聯合設計、合作生產、技術引進和消化吸收，到三峽右岸12臺機組招標時，國內水電企業在大機組的設計制造方面實現了跨越式的發展，具備了與國際水電巨頭同臺競爭的能力。三峽右岸12臺機組招標為哈電和東電創造了第一次與國際水電巨頭同臺競爭的機會。哈電和東電分別為三峽右岸研發的水輪機模型在同臺對比試驗中達到了國際先進水平，各自贏得了4臺套水輪發電機組的合同份額。其他主要機電設備也主要由國內企業為主供貨，仍存在關鍵部件需要全部或部分進口的情況。

在700MW水輪發電機組方面：1）水輪機轉輪水力設計取得突破性進步。落實了將機組穩定性放在首位的原則，優化了設計參數和限制條件。國內企業完成了右岸轉輪的水力穩定性能優化設計，綜合性能超過左岸轉輪。從右岸機組的運行結果看，大部分指標優于左岸電站機組；2）自主研制出世界上首批單機容量840MVA、采用全空冷技術的水輪發電機，使機組電磁設計、通風設計、絕緣技術、結構設計、制造工藝等方面的技術得到整體提升。突破了對全空冷技術對機組容量的限制，開辟了巨型水輪發電機組全空冷技術應用的廣闊前景。3）制定了《三峽水輪發電機組安裝標準》，填補了國內700MW水電機組安裝標準的空白；制定了三峽“精品機組”評價標準，大部分主要指標高于國內/國際標準，為機組的安裝調試質量提供了保證，三峽右岸機組安裝質量整體優于左岸，大多數機組達到了“精品機組”目標。制定了“三峽機組運行區劃分標準”，明確了穩定運行區的各項指標，確保了三峽機組在各種水頭下安全高效運行。4）通過采用先進的安裝技術，實現了安裝工藝創新，在保證質量的前提下縮短了安裝直線工期。水輪機安裝創新包括：底環1次安裝法；頂蓋3次吊裝法；水輪發電機大軸機坑外連軸鉸孔法；下機架2次安裝法；導水機構安裝工藝調整；轉子磁軛加熱緊固技術創新；活動導葉端部間隙控制技術改進；機組軸線調整工藝創新；水電機組TOFD探傷技術應用等，促使三峽工程提前1年高質量完工。5）創造性地提出“首穩百日”要求，將新機組投產后連續100 d運行不發生非計劃停機作為考核目標。在2004年提出首穩百日考核目標后，三峽所有投產機組，全面實現了首穩百日，提高了設備運行可靠性，促進了機組制造、安裝、運行綜合水平的大幅提高。

在高壓電氣方面，沈變、保變已完全具備了三峽工程用三相840MVA 500 kV同等或更大容量等級發電機變壓器的設計水平和制造能力。沈變自主研制了填補中國變壓器制造領域空白的國產最大容量單相533MVA 500 kV自耦變壓器，制造了600MVA機組配套升壓變壓器接近200臺。保變已經為600MVA機組配套升壓變壓器接近300臺，為1 000MW級機組配套升壓變壓器近100臺。西開、沈高等廠家完全掌握了500 kVGIS絕緣件的設計、制造技術，并在一系列關鍵技術上取得突破。

在大型水輪機調速、勵磁、監控系統方面，哈電自控公司中標供貨三峽右岸12臺調速器，滿足了三峽右岸電站提前發電，安全穩定運行的要求。能達公司自主設計制造700MW機組調速系統，填補了國內空白并應用于三峽地下電站。南瑞集團公司供貨三峽右岸12臺套勵磁裝置，滿足了三峽右岸電站提前發電、安全穩定運行的要求。中水科技自主研發的三峽右岸電站計算機監控系統總體技術水平達到了國際同期先進水平，并推廣應用到瀑布溝等30多個電站，創造了良好的經濟效益和社會效益。

此外，大型機組用鑄件、高強鋼板等實現了國內供貨的突破，為大型鑄鍛件全面國產化打開了良好的基礎。鞍鋼及時研制出高強鋼板，為三峽右岸機組蝸殼施工解決了燃眉之急，開辟了國產高強鋼板在大型水電站應用的嶄新局面，此后各大型電站的蝸殼鋼板全部在國內采購。鞍重首先試制成功了最具難度的下環鑄件，填補了國內空白，并應用于三峽右岸機組。隨后國內多個廠家也相繼成功試制出不銹鋼轉輪葉片鑄件，并通過鑒定，達到了三峽機組轉輪供貨技術條件，并在三峽右岸機組上部分替代了進口產品。沈鑄所采用AOD“雙精煉電渣熔鑄技術”的活動導葉，也成功應用于三峽右岸電站的機組。大連華銳為三峽右岸電站機組鑄造的推力頭，質量達到了高水平。

2.3深化拓展創新階段

該階段主要特征是中國企業用掌握核心技術的自主設計獨立承擔主要機電設備的供貨，其產品拓展到同一時期開工的向家壩和溪洛渡兩座電站。該階段以三峽地下電站6臺700MW機組與溪洛渡18臺770MW機組、向家壩8臺800MW機組相繼采購招標為里程碑。三峽地下電站6臺中4臺機組分別由哈電和東電供貨，18臺溪洛渡機組和8臺向家壩機組中19臺采用哈電和東電擁有全部自主知識產權的產品。同時，關鍵部件的鑄鍛件、高品質硅鋼等重要材料全面實現國產化。高壓電氣設備等重大水電裝備國產化的成果正得到不斷鞏固和深化拓展。

為推進大型水電機組蒸發冷卻技術的應用，三峽集團公司組織協調中科院電工所、東方電機廠，通過技術合作和專題科研攻關，解決了一批蒸發冷卻應用關鍵技術難點，包括冷卻介質及環保性能、冷卻系統運行可靠性；蒸發冷卻系統的循環計算；溫度分布及溫差分布規律的耦合仿真計算等。并進行真機模型試驗，以驗證700MW級大型水輪發電機蒸發冷卻技術設計原理的可行性、結構的可靠性，促使具有完全自主知識產權的“定子繞組常溫自循環蒸發冷卻”技術成功應用于三峽地下電站700MW機組，并經受了長期運行的考驗。運行結果表明機組定子線棒溫度、定子線棒溫差、振動、擺度、軸承溫度及蒸發冷卻設備等工作正常、各項指標達到設計要求。

在水電重大裝備關鍵材料國產化方面，繼前兩個國產化階段，三峽集團公司動員并協調國內制造廠家、鍛件、鋼板廠家，就關鍵部件材料所涉及的若干技術及質量進行了深入實質性的協商和研究，并協助國務院三建委三期工程重大設備制造檢查組組織有關專家和科研院所對研制的產品進行嚴格的技術評審。在三峽集團公司的促進下，國內企業通過技術攻關、實現了大型電站水輪機鑄件、水輪發電機鏡板鍛件、大型水電機組厚鋼板等產品國產化突破，推動了行業的科技進步，社會效益顯著。

在水輪機轉輪大型鑄件方面，通過對大型鑄件關鍵制造技術的深入研究和探索，攻克了轉輪大型鑄件的合金成分設計、純凈化冶煉、鑄造、熱處理等關鍵技術，大型鑄件的裝備水平和技術水平日益成熟。通過技術引導和市場培育，國內多家廠商如一重、二重、鞍重、大重、共享等，具備了提供大型水輪機轉輪鑄件的能力，并在國內各大型電站機組設備上應用。

水輪發電機鏡板是水電機組推力軸承的關鍵部件，在軸承推力負荷、軸瓦溫度、機組穩定性等方面有著嚴格的技術要求。因國外企業無法滿足三峽地下電站機組鏡板鍛件的交貨進度等原因，無法采購國外的鏡板鍛件。為此，三峽集團推動國內廠商對發電機鏡板鍛件所涉及的若干技術及質量進行了深入協商和研究。經過二重等企業的攻關，成功試制鏡板鍛件，各項技術指標滿足要求，達到國外同類產品的先進技術水平，滿足了三峽700MW機組鏡板材料技術要求。現已推廣到溪洛渡、向家壩等后續電站的大型機組中。

在大型水電機組厚鋼板方面，鑒于三峽左右岸機組當時的生產條件，170mm以上的厚鋼板結構用鋼要求采用進口材料。隨著我國鋼鐵企業的設備、制造和研發能力的不斷發展，國內很多廠家具備了厚鋼板的供貨能力。國內企業自主研制的160mm、270 mm、300mm抗層狀撕裂厚鋼板通過了國務院三峽工程建設委員會三期工程重大設備制造檢查組組織的評審，填補了國內空白，解決了關鍵技術，工藝問題，抗層狀撕裂鋼板的質量達到了進口同類產品的先進水平，具備工程應用條件。

在大型變壓器、發電機硅鋼片方面：三峽地下電站有2臺變壓器硅鋼片采用了寶鋼、武鋼高牌號硅鋼片，變壓器出廠試驗和運行表明，國產硅鋼片達到了國際先進水平。溪洛渡、向家壩主變壓器上已全面推進國產硅鋼的應用。三峽地下電站首臺機組采用武鋼產品，其指標滿足要求，機組可靠運行。向家壩、溪洛渡電站批量使用武鋼50W 250和寶鋼B50A250無取向硅鋼。經過試驗測試，其性能參數與采用進口硅鋼的產品處于同一水平，定子鐵心磁化試驗結果均優于國外硅鋼的品質。

此外，三峽集團為引領行業技術進步，確保重大水電裝備的質量，建立重要原材料、關鍵技術以及機組安裝運行等一系列標準，并開始應用于后續項目建設中，目前已建立的主要標準見表1。

3　水電重大裝備國產化的啟示與思考

3.1政府決策和支持，是三峽工程水電重大裝備國產化成功的保證

為了確保三峽工程質量一流，扶持民族工業，國家制定了技貿結合、技術轉讓、聯合設計、合作生產的戰略方針，明確提出依托三峽工程，走自主創新與技術引進相結合的道路，通過不斷創新，逐步實現三峽工程裝備國產化。同時，國家對三峽工程自主研發的長期支持和技術積累，為引進技術的消化吸收再創新奠定了堅實基礎。在三峽工程開工前，相關部門圍繞三峽機電設備國產化、對民族工業的扶持政策等，制定了切實可行的支持鼓勵政策及措施。三峽工程的重大裝備科研攻關項目，列入“六五”到“十五”連續5個國家“五年”計劃，我國相關科研機構、院校及機電設備制造廠為此做了充分準備。在國家政策的大力倡導和支持下，三峽工程重大裝備前期科研攻關工作取得了豐碩的成果，成為三峽工程可行性論證和初步設計的重要依據，為三峽工程機電設備技術引進和消化吸收奠定了雄厚的基礎，與外國廠商談判時也有了充分的技術支持。

表1

3.2依托工程，業主全力推進水電裝備國產化是必要條件

在政策引導和國家支持下，三峽集團公司充分發揮業主統籌協調的主導作用，以市場為導向，搭建了國際化競爭的平臺，在引進一流機電產品的同時全面引進關鍵技術。首先三峽集團對國內制造企業實現創新提出明確要求和具體措施，瞄準世界一流技術水平，站在更高的技術起點上，全面提升自主創新能力，為未來參與國際市場競爭打下堅實的基礎。其次，從三峽左岸技術引進開始，到三峽右岸消化吸收再創新，到三峽地下電站實現自主創新，到金沙江下游的幾個梯級電站，三峽集團為水電重大裝備國產化提供了一個連續的高水平的平臺和市場。工程實際的需要和市場的需要是實現國產化和不斷自主創新的動力源泉。一方面是為國產化實現和自主創新技術的完善在時間和空間上提供了寬廣的工程實踐平臺和豐沃的孕育土壤，促進了國產化關鍵技術在三峽集團水電平臺上能夠實現“國產技術成熟化，成熟技術實用化”，實現國產化技術和自主創新成果的持續進步和良性發展。另一方面，三峽集團從三峽700MW機組、向家壩800MW機組甚至到白鶴灘1 000MW機組，始終向全球全方位開放市場，促使工程成為代表當今世界最高建設水平的水電工程。因此，將國產化納入一個不斷要求技術進步的國際競爭市場環境，通過對國有企業的技術培育和項目早期研發支持，通過競爭來促進國內企業提高設計和制造水平，持續地提高已擁有的核心技術，確保長期處于世界先進水平，維持國產化核心技術的先進性，不斷地為提升我國水電裝備業的核心競爭力注入動力。

3.3制造業自主創新、掌握核心技術和自主知識產權，才能實現高水平的國產

中國裝備制造業要實現為各行業提供先進技術裝備的目標，必須通過自主創新實現。多年的經驗表明，花錢也許能買來一些比較先進的技術，但是技術創新的能力卻是花多少錢也買不到。單純的國產化率并不能完全反映自主創新的能力。建起自主的產品開發平臺，才有可能從組裝者變為集成者，變為創新者。實踐的需要是自主創新的動力源泉。三峽工程本來就是一項創新工程，許多技術指標都遠遠超出世界先進水平，許多問題沒有可供借鑒的經驗。工程的質量技術要求非常嚴格，許多技術問題，沒有可執行的工程標準。實踐的需要決定了只有自主創新，才能實現工程建設目標。自主創新只有堅持以企業為主體，才能在面向市場、面向應用中取得實效。三峽集團公司組織參建各方建立了科研、設計、制造、安裝和運行聯合創新的團隊，形成了以企業為主體，科研、設計和制造、安裝和運行相結合的技術創新體系，集中力量在關鍵領域取得了重大的技術突破，培養和鍛煉了一支勇于創新的隊伍和一批創新型人才，建立了一套符合工程實際，具有世界先進水平的技術標準。同時一大批企業通過參與三峽水電重大裝備國產化的實踐，提升了自主創新能力。

3.4重點突破、整體推進、才能在實踐中不斷拓展水電重大裝備的深度和廣度

之所以說三峽水電重大裝備國產化取得全方位的突破，主要表現在兩個方面：1）它是從設計、制造、安裝、調試、運行、工程建設管理各個環節上都實現了突破。提出符合工程實際的總體方案、參數要求及先進理念；不斷追求關鍵技術研發水平的進步、制造能力的提升和服務水平的升級；高標準要求和新工藝應用保障了國產化設備按期高質量的投運；精心、科學的運行和維護保障了國產化設備安全平穩的運行，最大程度發揮出工程的效益。2）重大技術裝備國產化涉及到國家在技術、設計、材料、加工制造等各方面的綜合能力，它不能孤立進行，必須有相應的產業基礎和配套條件，一項重大技術裝備國產化將帶動一系列分層次的產品研究開發和國產化。三峽機電國產化也帶動了整個產業鏈的技術突破和能力提升，從關鍵部件基礎材料的國產化突破，到機組各個部件的設計制造技術進步；從水輪發電機組的國產化，到主變、GIS、調速、勵磁等等各個設備層面。三峽水電重大裝備國產化形成了從第一項目突破到全面的提升進而推動產業進步的良性發展局面。

4　結語

三峽電站、溪洛渡電站、向家壩電站水電機組的成功投運，一次次證明我國水電設備設計、制造、安裝及運行技術已經達到國際先進水平，國產化成果逐步展現。水電重大裝備國產化的道路還要繼續走下去，特別是在建設后續烏東德電站850MW機組、白鶴灘電站1 000MW機組，仍面臨一定的技術挑戰。自2006年，三峽集團公司組織國內制造廠家、設計院以烏東德、白鶴灘水電站為依托工程，開展1000MW級水輪發電機組創新研究，制定了1 000MW水輪發電機組創新研究的目標和技術路線：第一階段：1 000MW級機組在工程應用中可行性和經濟合理性研究，主要內容包括：從電站角度，開展烏東德、白鶴灘裝設1 000MW機組可行性研究。第二階段：1 000MW機組總體研究和專項研究，其中專項研究包括：水輪機水力設計及模型試驗研究；24 kV、26 kV定子線棒絕緣技術及仿真試驗研究；1 000MW水輪發電機組技術要求和規范研究。第三階段：1 000MW級水輪發電機組創新研究，主要內容包括在前2個階段的基礎上，針對1 000MW水輪發電機組本身的制約因數和技術難點，開展材料、冷卻方式和冷卻介質研究等方面的新技術、新材料、新工藝的開發研究，研究的具體內容視前2階段的研究成果進一步確定。目前，已經基本完成了百萬千瓦級大型混流式水輪發電機組3個階段的科研，取得了豐碩成果，技術性能和可靠性指標達到了行業領先水平，可以說我國自主研發百萬千瓦機組的條件是成熟的。我們期待在后續水電項目中，水電重大裝備國產化取得更豐碩的成果，水電技術實現新的跨越。

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：胡偉明（1964-），男，教授級高級工程師，從事重大水電工程技術管理、水電重大裝備國產化工作。