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我會特聘顧問、原常務理事、中國工程院院士唐任遠:
攻克抽水蓄能 大型變速機組技術瓶頸

我會特聘顧問、原常務理事、中國工程院院士唐任遠:
攻克抽水蓄能 大型變速機組技術瓶頸

2022-09-06

?|《瞭望》新聞周刊記者?扈永順

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  可變速技術能使抽水蓄能機組不局限于額定轉速運行,從而使調控更靈活、快速、高效、可靠,該技術已成為全球抽水蓄能領域的新方向和研發熱點

  ◇2021年,我國首座可變速抽水蓄能機組實證平臺在武漢大學校外抽水蓄能實驗基地成功通過專家評審,將為我國首批可變速抽水蓄能電站的設計、建設、運行提供基礎性支撐

     

   位于浙江省湖州市安吉縣境內的長龍山抽水蓄能電站水庫(2022年6月29日攝)夏鵬飛攝

《瞭望》新聞周刊

  “雙碳”目標下,我國步入了構建現代能源體系新階段。壯大清潔能源產業,實施可再生能源替代行動,推動構建新型電力系統成為大勢所趨。

  由于風電、太陽能等新能源發電具有不穩定性,大規模接入會對電網造成一定沖擊,需要配合儲能調節系統共同使用。抽水蓄能是一種能夠提供電網級別、超大容量的儲能方式。與其他儲能形式相比,抽水蓄能是目前最經濟、最高效的一種儲能方式。

  抽水蓄能需要大型可變速發電電動機機組,目前可變速抽水蓄能機組重大裝備關鍵技術被國外極少數公司壟斷。中國科學技術協會近日發布了2022重大問題難題,如何研制大型可變速抽水蓄能機組位列10個產業技術問題之中。近日,就如何攻克可變速抽水蓄能機組重大裝備制造技術瓶頸,專訪了我會特聘顧問、原常務理事、中國工程院院士、國家稀土永磁電機工程技術研究中心主任唐任遠。

  唐任遠是我國稀土永磁電機領域的奠基者和開拓者。1979年,他帶領團隊研制成功我國第一臺稀土永磁電機。他認為,發展抽水蓄能對保障電力供應、確保電網安全、促進新能源消納、推動能源綠色低碳轉型具有重要意義?!拔覈酥朴唽m椨媱?,開展部分關鍵技術科研攻關,加快科研試驗平臺建設,通過自主創新攻克變速抽水蓄能機組重大裝備制造技術瓶頸?!碧迫芜h說。

  抽水蓄能電站規模居世界首位

  “雙碳”目標下,如何認識發展抽水蓄能的戰略意義?

  唐任遠:當下全球能源結構加速調整,能源體系和發展模式正在進入非化石能源主導的嶄新階段?!半p碳”目標引導下,我國能源結構還需進一步優化,加快構建以新能源為主體的新型電力系統。發展抽水蓄能,提升電力系統靈活調節能力,是構建以新能源為主體的新型電力系統的迫切要求,是可再生能源大規模發展的重要保障,是保障電力系統安全穩定運行的重要支撐。

  當前我國正處于能源綠色低碳轉型發展的關鍵期,新能源大規模發展,但風、光等發電存在間歇性和波動性特點,會對電網造成一定沖擊。因此,電力系統需要具備大量調節設備才能實現新能源電力的大規模接入,保障電力系統的安全、穩定運行。抽水蓄能與風電、太陽能發電、核電、火電等配合使用,可以促進電力系統對新能源的消納水平。同時,通過發電與抽水交替運行,可以實現電力系統功率的調峰填谷,提高電力系統運行的穩定性,是目前最經濟、最有效、最具大規模開發價值的電力調節系統。

  抽水蓄能作為一種同時具備電網調峰、填谷、調頻、調相等多重功能的大規模儲能系統,能夠高效承擔電力系統的調峰等任務,減少對投資成本高、環境壓力大的火電調峰機組的投入,顯著降低煤炭資源的使用,從而實現調峰減碳的目的;抽水蓄能在用電負荷低谷時,利用火電廠發出的多余電量作為抽水電源,可以提高火電機組運行的穩定性與設備利用率,從而實現填谷減碳;抽水蓄能是一種清潔能源電源、儲能電源與調節電源,可以很好地解決電網的功率平衡、電能質量等問題,有效助力碳達峰、碳中和目標的實現。

  根據我國經濟發展的速度以及電力需求,未來十余年將是我國抽水蓄能電站發展的高速階段。

  我國的常規抽水蓄能電站技術裝備在國際上處于什么水平?

  唐任遠:在抽水蓄能方面,我國走過了技術引進、消化吸收、再創新的過程。通過一批常規大型抽水蓄能電站建設實踐,基本形成了涵蓋標準制定、規劃設計、工程建設、裝備制造、運營維護的全產業鏈發展體系和專業化發展模式。

  目前我國常規抽水蓄能項目發展較快,分布區域不斷擴展,相繼建設了泰安、惠州、白蓮河、西龍池、仙居、陽江、豐寧等一批具有世界先進水平的抽水蓄能電站。其中,河北豐寧抽水蓄能電站裝機容量360萬千瓦,是目前世界裝機容量最大的常規抽水蓄能電站??傮w看,我國在建常規抽水蓄能電站總規模5513萬千瓦,約60%分布在華東和華北,已建和在建規模均居世界首位。

  從技術裝備層面看,從三峽、溪洛渡、向家壩到白鶴灘電站,我國1000MW水輪發電機組已成為世界獨一無二的水電設備。單機400MW的廣東陽江電站是目前國內單機容量最大、凈水頭最高、埋深最大的常規抽水蓄能機組,證明我國常規抽水蓄能技術已經達到國際先進水平。

  自主創新研制大型可變速抽水蓄能機組

  世界上大型可變速抽水蓄能機組建設情況如何?

  唐任遠:可變速技術能使抽水蓄能機組不局限于額定轉速運行,從而使調控更靈活、快速、高效、可靠,該技術已成為全球抽水蓄能領域的新方向和研發熱點。目前,世界上大多數可變速抽水蓄能機組位于日本和歐洲。日本20世紀90年代就開始應用可變速抽水蓄能技術實現電網頻率控制,日本可變速抽水蓄能電機的產品最大單機容量已達到40萬千瓦。近年來,隨著大量風力發電的接入,歐洲開始大量引入可變速抽水蓄能進行電網功率平衡控制。

  我國在可變速抽水蓄能產品方面還相對落后,目前國產化產品處于空白狀態。我國第一座可變速抽水蓄能電站是豐寧電站二期工程,該電站的變速抽水蓄能機組由外國公司承建,目前還在建造之中。

  我國新型電力系統中急需一定量的可變速抽水蓄能機組,一是推進可再生能源發電的需要,二是保障電網安全,提高供電質量。2021年,我國首座可變速抽水蓄能機組實證平臺在武漢大學校外抽水蓄能實驗基地成功通過專家評審,將為我國首批可變速抽水蓄能電站的設計、建設、運行提供基礎性支撐。

  研制大型可變速抽水蓄能機組面臨哪些挑戰?

  唐任遠:常規抽水蓄能機組的運行過程轉速不變,發電狀態下功率調節范圍較窄,抽水狀態下功率不能調節,不足以應對電網近年來出現的大規??焖俟β什▌拥钠惹行枨?。采用可變速抽水蓄能機組可以實現發電運行和抽水運行兩種狀態的寬負荷功率調節,同時具有快速系統響應速度,使水輪機在任意水頭和負荷時始終保持在最佳轉速運行,并保持效率最優,對電力系統穩定運行起到重要作用。目前來看,面臨以下挑戰。

  一是大型可變速抽水蓄能機組由于采用雙饋電機機型,轉動部分與定子部分具有一樣的鐵心和繞組。這樣的結構對小型電機不存在太大問題,但對于大型抽水蓄能機組這種大尺寸、高線速度下的轉動鐵心和繞組,其動態穩定設計是國際公認的難題。從轉動部分關鍵部件的材料選擇,到電磁性能、力學性能及傳熱性能的設計都存在亟待攻克的難點,需要電機方面科研技術人員的努力。

  二是大型變速抽水蓄能機組需具備快速準確協助電網調峰調頻調相的能力,開發出適用于發電和抽水兩種工況并且有功和無功控制高度解耦的大型可變速抽水蓄能機組的勵磁控制裝置和控制策略是當前亟待解決的問題,與此相應還需要進一步提升勵磁、調速器、變頻裝置等輔機設備的國產化水平。

  三是提高大型可變速抽水蓄能機組工藝水平,降低工程造價,確保工程安全和質量等方面還面臨挑戰。

  四是需要進一步利用物聯網、云計算和大數據等技術,推動大型可變速抽水蓄能機組設計、建造和管理的數字化、智能化。

  突破研制大型可變速抽水蓄能機組的技術瓶頸,應該從哪些方面著手?

  唐任遠:目前我國還沒有依托實際工程落地的國產變速抽水蓄能機組,我國宜通過自主創新的國產化研制之路,全產業鏈推進關鍵核心部件國產化力度,確保項目建設整體可控,力爭在產品制造的瓶頸方面取得突破,將大國重器掌握在自己手里。

  首先,提高無取向電工鋼研制水平。大型可變速抽水蓄能機組設備對機組效率要求較高,隨著機組裝機容量的快速增長,將拉動高牌號無取向電工鋼需求,需要深入研究;

  其次,要投入較多科研力量攻關解決轉子鐵心端伸出部分繞組的防護結構;

  再次,在大型可變速抽水蓄能機組設備這種大慣量、復雜水力條件和電氣性能要求下的運行性能設計,需要集電磁、水力、電力電子、控制系統等多方面的技術來完成系統的綜合設計。

  在大型可變速抽水蓄能機組推廣應用上,建議國家出臺指導意見,推進示范項目和工程,立項開展關鍵技術研發與標準制定,將先進適用的科技創新成果融入標準,促進國產技術落地。進一步完善相關支持政策,支持核蓄一體化、風光蓄多能互補基地等新業態發展,推動大型可變速抽水蓄能機組應用。

  培養卓越工程技術人才

  在工程技術人才培養方面,你有哪些建議?

  唐任遠:培養、培訓抽水蓄能行業高端工程技術人才,既必要又緊迫。

  宜鼓勵高校發展機電一體化和培養交叉學科人才。針對能源重點領域,在國內有條件的綜合高校和行業高校中,加快建設一批在線課程、虛擬仿真實驗課程,啟動一批專業、課程、教材、教學方法等綜合改革試點項目,拓展專業的深度和廣度;建議高校院所與抽水蓄能制造企業之間加強校企合作,結合理工類高校人才培養優勢來充實抽水蓄能人才儲備。

  在加大力度培養高端工程技術人才的同時,還要幫助裝備制造業企業留住人才。裝備制造業是國民經濟建設的根基,需要由卓越工程技術人才守住這個根基,筑牢我國電力工業基礎。抽水蓄能制造企業需要創新商業盈利模式,不斷提升項目管理與技術水平,促進抽水蓄能產業健康、快速發展。此外,企業需建立抽水蓄能裝備制造領域培訓體系,從理論知識、政策指導、技術規范、項目管理、智能管控等維度培育抽水蓄能裝備制造企業核心能力,促進隊伍梯隊建設與行業人才成長。

  加快培養抽水蓄能行業市場開發、工程技術、項目建設與管理等領域的專業人才與綜合性人才,為實現碳達峰、碳中和提供堅強的人才保障和智力支持。

 

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