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浅谈中国未来大型水电装备技术挑战与创新
顾国彪1,2，郑小康3，阮琳1,2
（1. 中国科学院电工研究所, 北京市 海淀区 100190
2. 中国科学院大学, 北京市 石景山区 100049
3. 东方电气集团东方电机有限公司, 四川省 德阳市 618000）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.240595
当前我国能源碳排放占总排放量的85%以上，其中电力碳排放超过40%。水电凭借其稳定性好、调节能力强的特点，成为减排贡献最大的可再生能源，年发电量达1285.85TWh，减排贡献高达40.3%。根据规划，到2030年我国水电装机容量将达520GW，2060年将达700GW。在新型电力系统中，水电将发挥"稳定器、调节器和放大器"的关键作用，不仅提供稳定的基础电力供应，还具备优越的调峰调频能力，为风电、光伏等新能源消纳提供重要支撑。
超高水头(超过300m)、大容量水轮机、水轮发电机制造难度制约，机组面临着前所未有的技术挑战。在通风冷却方面，超高水头带来的高转速特性要求定子铁心通常设计为细长型结构，为保证发电机冷却风量足够及风量沿轴向分布合理，冷却系统通常需要外加风扇，但势必会影响整个机组效率。此外，高转速特性意味着磁极数少，每极容量大，磁极散热困难，如果高水头再叠加了高海拔，空气散热效率下降将会导致电机散热问题更加突出。在机械结构方面，高转速导致转子轴系稳定性问题突出，转子强度面临材料瓶颈，水斗式转轮易产生疲劳裂纹；在制造工艺上，整体锻件材料利用率仅约30%，大尺寸锻件制造受工装极限制约，加工质量控制难度大；在运行维护方面，机组普遍存在空化和泥沙磨损严重、振动噪声超标、压力脉动剧烈等问题。这些挑战直接影响着机组的安全性、可靠性和使用寿命。
图1 国内主要大型机组单机容量与额定水头关系
图2 国内主要大型机组单机容量与额定转速关系
高海拔环境对水电设备的影响十分显著。随着海拔每升高1000m，空气密度下降约9%，同时伴随气压和湿度的显著降低。这些变化导致设备散热效率大幅下降，绝缘性能退化，电晕问题加剧。此外，高海拔地区的低温环境容易导致材料脆化，大温差会引起零件配合失效，极端天气也给机械系统的润滑带来挑战。这些环境因素的叠加效应，使得高海拔水电设备的设计和运维面临着独特的技术难题。
我国常规水电依托白鹤滩电站工程，攻克水电机组总体设计、转轮模型、高效冷却、推力轴承、高压绝缘等关键技术，形成单机容量百万千瓦级的混流式水轮发电机组全自主化设计制造，实现百万千瓦水轮发电机组的顺利投运，单机容量世界第一。常规混流式机组的设计、制造、运维方面，我国均已处于国际领跑地位。但受多重因素影响，我国在大型冲击式机组设计与制造方面相对经验不足，该领域是我国水电装备制造的最后一块短板。需要加快相关技术的自主创新力度以及关键材料的国产化研制与工程化应用：
水电装备的关键材料创新主要集中在两个方向。首先是高强韧金属材料的研发，包括900MPa以上高强度磁极钢板、1000MPa级水电用钢的开发，以及配套的高强高韧焊接材料技术突破。其次是新型材料的创新，涵盖用于蒸发冷却系统的环保型冷却工质的开发及高导热绝缘材料的研制。这些材料创新将为水电装备的性能提升和可靠性改进提供基础支撑。
新一代水电装备的设计制造工艺创新涉及多个领域。在转轮制造方面，通过创新水斗型线设计方法、开发整体锻造工艺、探索增材制造技术的应用来提升产品性能。在冷却系统方面，重点研发适用于定子蒸发冷却系统的集成一体化换热器、新型蒸发冷却技术和转子液冷技术。同时，通过发展多物理场仿真技术、集成AI优化算法、数字孪生、智慧化电站等设计及运维技术，提高设计效率和精度，实现电站的全生命周期智能运维。
我国抽水蓄能技术已从依赖进口发展到自主创新，掌握了400 MW超大容量和800m级超高水头等关键技术。未来创新主要聚焦于变速抽蓄和地下抽蓄两个方向。变速抽蓄技术将提升电网对新能源并网的调节能力，但可变速发电电动机和水泵水轮机设计研制、交流励磁变流器控制策略及装置研制、全功率变流拓扑优化和功率器件国产化以及紧凑小型化装置研制、可变速机组协联控制策略及装置研制、可变速机组调速器控制策略研究、可变速机组工况转换流程及集成控制策略等关键技术仍需研究突破；地下抽蓄技术在选址灵活性和资源利用等方面具有显著优势，但面临高水头(>1000m)机组研发、大规模地下空间设计及建设等挑战。
通过这些技术创新,我国水电装备将朝着更高水平发展,为实现"双碳"目标提供强有力的支撑。这不仅需要产学研各方通力合作,还需要持续的政策支持和资金投入。未来的水电装备发展,既要着眼于解决当前技术瓶颈,也要为新型电力系统的构建做好技术储备。
引文信息
顾国彪，郑小康，阮琳．浅谈中国未来大型水电装备技术挑战与创新．中国电机工程学报，2024，44(17)：6959-6972．
GU Guobiao，ZHENG Xiaokang，RUAN Lin．Discussion on the technical challenges and innovations of large hydropower equipment in the future in China．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6959-6972(in Chinese)．
作者介绍
阮琳，研究员，博士生导师，研究方向为电气装备与电子信息设备热管理技术、水轮发电机多场耦合仿真设计技术，rosaline@mail.iee.ac.cn。
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责编：陈 娟
审核：乔宝榆
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