世界最大水轮机——三峡70万千瓦水轮机组研制概况(上)

  三峡水电站是目前世界最大的水电站，这里安装着世界最大的水轮发电机组。在三峡泄洪坝两侧底部的水电站厂房内，共安装有32台70万千瓦级水轮发电机组；其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，右岸地下厂房6台，其他的还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦；相当于20座百万千瓦级核电站，比巴西伊泰普水电站多了850万千瓦。左岸厂房和右岸厂房已建成投产的26台机组，日均发电量3.3亿度，满负荷运行可达4亿度，年发电量近1000亿度，约占全国发电量的33分之一。

  三峡水电站安装的32台70万千瓦水轮机组是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮发电机组。大型水轮发电机组是水电站核心设备，也是制造难度最高的顶尖工业产品之一，涉及众多复杂加工技术。长期以来，核心技术一直为少数发达国家所垄断。

  在1996年三峡左岸14台机组招标前，全世界已建成的70万千瓦水机组仅有21台，分别位于美国大古力（Grand Coulee）水电站和巴西伊泰普（Itaipu）水电站。1970年代，加拿大通用电气公司（GE Canada）和美国阿里斯-查尔摩斯公司，为当时世界最大的水电站——美国大古力水电站第三厂房建造了3台70万千瓦水轮发电机，这三台机组原来按照60万千瓦水轮机设计，后来改进了水轮机转轮，使转轮直径放大到9.23米。首台机组于1978年4月建成投产，变成全球第一台额定出力达到70万千瓦的水轮发电机组。

  1980年代，法国阿尔斯通、瑞士ABB、德国Voith以及加拿大通用电气、德国西门子等企业，共同为巴西和巴拉圭两国合建的伊泰普水电站，制造了18台两种规格的70万千瓦水轮机组，陆续于1984年5月至1991年5月间投产发电，使其一跃成为当时世界最大的水电站。2001年，伊泰普水电站又在预留机坑位置扩建2台70万机组，使装机总量从1260万千瓦增加到1400万千瓦。

  水轮机由古代的水轮、水车演变而来，其工作流程为上游水库中的水经大坝引水管，流入坝体下方发电厂房的蜗壳、导水机构及水轮机转轮中，将势能转化为推动转轮叶片旋转的动能。转轮通过主轴与发电机转子联轴，带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电，再经过变压器升压通过输电线路将电力输出到电网中。水轮机中作完功的水则通过大坝尾水管排向下游。

  水轮机按工作方式可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。三峡电站采用的混流式机组是使用最广泛的一种。1827年法国工程师B.富尔内隆制成6马力的反击式水轮机，1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进，形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，被称为卡普兰水轮机。到20世纪40-50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。随着二战后水电开发的进展，水轮机的性能和结构日趋完善，功率有了大幅提高。

  美国大古力水电站第三厂房745MW水轮机转轮吊装时的照片，该转轮直径9.23米。

  三峡工程作为超大型水电工程，其水轮机组性能好坏是影响工程效益的关键。自孙中山先生提议开始，三峡工程经历了漫长的过程，水轮机组设计的具体方案也一再变更。1944年5月，民国政府邀请美国垦务局总工程师萨凡奇博士来华查勘三峡，在其撰写的《扬子江三峡计划初步报告》中提出安装96台11万千瓦水轮机组用于发电，装机总量1056万千瓦。可当时濒临崩溃的国民经济，根本无力支撑这样庞大的工程。1947年5月，政府明令中止了三峡水力发电计划。

  1956年，在是否兴建三峡工程大争辩中，长江水利委员会设定的单机装机容量提高到了30-40万千瓦。1984年4月，国务院审查的三峡150米低坝方案，计划安装26台50万千瓦机组，装机容量1300万千瓦。到1989年3月，长江水利委员会重新编制的175米方案，计划安装26台68万千瓦机组，装机容量提高到1768万千瓦。当时美国大古力电站70万千瓦机组已经运行，巴西伊泰普18台70万千瓦机组也陆续投入运行。因此到1993年7月，国务院三峡工程建设委员会决定将单台机组额定容量由68万千瓦增加到70万千瓦，总装机容量提高到1820万千瓦。2008年9月，又获批在三峡右岸白岩尖地下厂房增设6台70万千瓦机组和2台5万千瓦电源机组，使装机总量提高到2250万千瓦。

  70万千瓦水轮发电机组对于基础薄弱的中国水电设备制造行业提出了挑战。1949年新中国成立时，我国仅有上海、重庆等地生产过几百马力的小型卧轴混流式水轮机。1951年组建的哈尔滨电机厂制成我国第一台800kW立轴混流式机组。1959年为新安江水电站制成7.25万千瓦混流式机组。此后相继成立了德阳东方电机厂、重庆水轮机厂、杭州发电设备厂、天津发电设备厂等一批企业，为我国水电行业发展奠定了基础。1968年哈尔滨电机厂为刘家峡水电站制成22.5万千瓦机组，1972年制成改进型的30万千瓦机组。

  1979年和1980年，东方电机厂和哈尔滨电机厂分别为葛洲坝水电站制成转轮直径11.3米(世界最大转轮直径)的17万千瓦机组，以及转轮直径10.2米的12.5万千瓦转桨式机组。1984年东方电机厂为青海龙羊峡研制了32万千瓦大型混流式机组，1989年哈尔滨电机厂为广西岩滩水电站制成转轮直径8米的30.25万千瓦混流式机组。

  综上所述，在三峡工程建设前，我国国产最大的水轮机组是1987年在青海黄河龙羊峡水电站投产的的32万千瓦水轮机组，与美国、苏联在70年代研制的60-70万千瓦机组有着相当大的差距。虽然国家从80年代早期就开始对三峡工程机电设施进行技术攻关，但仍缺乏实际制造经验。

  在这种情况下，国家决定以三峡工程为契机，通过国际招标，引进国外先进的技术，提升我国企业竞争力。以哈尔滨电机厂(哈电)和东方电机厂(东电)牵头，实现70万千瓦水轮发电机组国产化。在90年代全球水电行业处于低谷的情况下，三峡工程这笔世界最大水电机组采购项目，对跨国公司无疑具有强大的吸引力。

  1996年6月24日，三峡左岸厂房14台70万千瓦水轮发电机组正式进行国际招标，引起世界瞩目。长达2000多页的招标书中规定了技术标准和技术转让条款，文件规定：左岸14台机组一次招标，责任方为外商，前12台以外商为主，中方参与制造；后2台机组以中方为主；要求外商和中方联合设计，合作制造。中标企业一定向中方全面转让核心技术，为配合技术转让，三峡总公司将支付1635万美元的技术转让费。

  至12月18日截标日，符合竞标条件的企业组成六家联合体参与投标。分别是： 1、GANP联合体（由法国GEC阿尔斯通Neyrpic和巴西圣保罗金属公司组成）； 2、VGS联合体（由德国Voith、加拿大GE、德国西门子组成）； 3、瑞士ABB和挪威克瓦纳（Kvaerner）能源公司联合体； 4、三峡日本水轮机联合体（由伊藤忠、日立、东芝、三菱重工、三井物产、三菱商社组成）； 5、IMPSA（银萨）公司（代理乌克兰TURBOATOM科技工业公司和美国伍德沃德公司）； 6、俄德联合体（由俄罗斯动力机械出口有限公司、列宁金属加工厂和德国苏尔寿组成）。

  1997年8月8日，总理主持召开三峡建委第25次会议，决定由两个供货集团中标，8月15日发出中标通知书。最终由法国阿尔斯通中标8台（4-6号和10-14号机组）水轮机、瑞士ABB中标8台发电机，合计4.2亿美元，被要求采用挪威克瓦纳（Kvaerner）能源公司开发的水力模型，与哈尔滨电机厂合作制造。另外6台（1-3号和7-9号机组）由德国福伊特（Voith）、加拿大通用电气（GE Canada）与德国Siemens组成的VGS联合体中标，总额3.2亿美元，采用该联合体开发的水力模型，与东方电机厂合作制造。三峡总公司聘请BV/EDF监造。14台机组总金额7.4亿美元，约合60亿元人民币，单台造价约4.3亿元人民币。

  1997年9月2日，中国长江三峡工程开发总公司与外商分别签订合同，中方分包份额为总价的31%，约2.3亿美元，技术转让协议和分包合同相继生效。1999年9月14日，三峡工程左岸电站高压电气设备采购合同在北京人民大会堂签字，合同总额达2.056亿美元，由德国西门子中标15台550kV主变压器，瑞士ABB中标39台间隔GIS高压开关及相关附属设备。并向保定天威、沈阳变压器厂、沈阳高压开关厂、西安高压开关厂等分包企业转让技术。2000年5月，与左岸机组配套的控制设备签订国际招标合同，同样转让技术并分包制造。14套励磁系统由德国西门子中标，与东电合作；14套调速系统由法国阿尔斯通中标，与哈电合作。梯级调度计算机监控系统由瑞士ABB提供，北京水电科学研究院分包，三峡总公司和南瑞公司参与联合开发。

  左岸电站14台水轮机设计制造合同分别授予了两个制造集团，因而出现了两个不同的水力设计和结构设计。为了有利于机组安装维护，在投标前曾商讨几家中标企业采用一套图纸的可能性。由于投标商都是世界知名水电企业，各有优势，很难放弃自己的设计；同时，这一些企业之间都是竞争对手，也不愿意拿出自己的成果与人共享，因此未能实现14台机组采用一套图纸的愿望。另一方面，两套设计也有其有利的一面，可使国内分包厂商通过技术转让，更全面地学习和了解国际先进的技术，对国内发电设备技术发展有更好的促进作用。

  2004年3月27日，三峡工程右岸电站12台70万千瓦机组采购合同签订仪式在湖北宜昌举行。

  从1997年起，国内以哈电、东电为主的公司开始对70万千瓦机组进行技术转化，此时距2004年三峡右岸电站12台机组招标只剩下7年时间，除非中国企业在这7年里缩短与国际同行30多年的技术差距，否则下一次招标，仍然只能眼睁睁看着几家国际巨头来分这块大蛋糕。而且除三峡工程外，中国规划在建的70万千瓦以上机组就有120台以上，这块价值数百亿元的庞大市场绝不能拱手让人。为此，哈电、东电等企业投入巨资进行技术改造，派出数百人次去国外学习，接受国外水电设计软件，掌握了水轮机水力设计与模型试验、发电机电磁设计、大部件强度刚度计算、推力轴承计算与试验、轴系稳定性计算、发电机通风冷却计算等核心技术。

  2004年3月27日，三峡工程右岸电站12台70万千瓦机组采购合同签订仪式在湖北宜昌举行。在投标阶段的水力模型试验中，阿尔斯通总体评价第一，哈电和东电紧随其后；由哈电、东电研制的机组转轮空化性能与左岸转轮相当，而水力稳定性明显优于左岸机组。通过与国际巨头同台竞争，哈电、东电和阿尔斯通各获得4台机组的制造合同。国产机组平均每台价格约3.75亿元，比外商价格低4450万元，12台机组就节约了5亿多元，这标志着国产化战略取得了重大成果。2007年9月13日，三峡右岸地下电站6台70万机组签订采购合同，哈电、东电和天津阿尔斯通又获得各承建2台的合同。

  2008年8月28日，中国三峡总公司在北京签订金沙江向家坝、溪洛渡水电站26台水轮发电机组招标采购合同，总金额达110多亿元。这是迄今为止世界最大一宗水电机组采购活动，包括溪洛渡电站18台单机容量77万千瓦机组，和向家坝电站8台单机容量80万千瓦机组。它们将取代三峡70万千瓦机组，变成全球最大水轮发电设备。

  最终哈尔滨电机厂中标10台，包括溪洛渡电站左岸6台77万千瓦机组和向家坝电站左岸4台80万千瓦机组，合同金额达44.27亿元。东方电气厂中标溪洛渡电站右岸9台77万千瓦机组。天津阿尔斯通中标向家坝电站右岸4台80万千瓦机组。上海福伊特西门子公司中标溪洛渡左岸电站3台77万千瓦机组。

  在这场国际化竞争中，通过三峡工程，我国企业不仅掌握了核心技术，完成了从分包商到主承包商的地位转换，更找到了新的跳板，站到了世界电机制造业的制高点。使我们在一些原先落后的关键技术领域迅速赶上了世界先进水平。

  三峡右岸电站15号机组于2008年10月29日并网发电，是左岸和右岸26台机组中最后一台投产的机组。

  1974年第1期《人民画报》，哈尔滨电机厂自主研制的30万千瓦水轮发电机（双水内冷机组），安装到黄河刘家峡水电站。 1974年12月，5台机组全部投入运行。这是当时国内最大的水电机组。1975年2月4日，中国第一座百万千瓦级水电站——刘家峡水电站建成投产。该工程位于甘肃省永靖县黄河干流上，距兰州市上游100公里。1958年动工，总投资6.38亿元，为156项重点工程之一。拦河坝全长840米，主坝为整体混凝土重力坝，最大坝高147米，正常蓄水位库容为57亿立方米。电站总装机容量为122.5万千瓦，年平均发电量为57亿千瓦时。安装22.5万千瓦机组3台，25万千瓦和30万千瓦机组各一台。