瞭望 | 自主創(chuàng)新攻克抽水蓄能大型變速機組技術(shù)瓶頸——專訪中國工程院院士唐任遠
可變速技術(shù)能使抽水蓄能機組不局限于額定轉(zhuǎn)速運行，從而使調(diào)控更靈活、快速、高效、可靠，該技術(shù)已成為全球抽水蓄能領(lǐng)域的新方向和研發(fā)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(xué)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(shè)計、建設(shè)、運行提供基礎(chǔ)性支撐。
位于浙江省湖州市安吉縣境內(nèi)的長龍山抽水蓄能電站水庫（2022年6月29日攝） 夏鵬飛攝/本刊
“雙碳”目標(biāo)下，我國步入了構(gòu)建現(xiàn)代能源體系新階段。壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，實施可再生能源替代行動，推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為大勢所趨。
由于風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性，大規(guī)模接入會對電網(wǎng)造成一定沖擊，需要配合儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同使用。抽水蓄能是一種能夠提供電網(wǎng)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(jīng)濟、最高效的一種儲能方式。
抽水蓄能需要大型可變速發(fā)電電動機機組，目前可變速抽水蓄能機組重大裝備關(guān)鍵技術(shù)被國外極少數(shù)公司壟斷。中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會近日發(fā)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(chǎn)業(yè)技術(shù)問題之中。近日，《瞭望》新聞周刊記者就如何攻克可變速抽水蓄能機組重大裝備制造技術(shù)瓶頸，專訪了中國工程院院士、國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心主任唐任遠。
唐任遠是我國稀土永磁電機領(lǐng)域的奠基者和開拓者。1979年，他帶領(lǐng)團隊研制成功我國第一臺稀土永磁電機。他認(rèn)為，發(fā)展抽水蓄能對保障電力供應(yīng)、確保電網(wǎng)安全、促進新能源消納、推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。“我國宜制訂專項計劃，開展部分關(guān)鍵技術(shù)科研攻關(guān)，加快科研試驗平臺建設(shè)，通過自主創(chuàng)新攻克變速抽水蓄能機組重大裝備制造技術(shù)瓶頸。”唐任遠說。
抽水蓄能電站規(guī)模居世界首位
《瞭望》：“雙碳”目標(biāo)下，如何認(rèn)識發(fā)展抽水蓄能的戰(zhàn)略意義？
唐任遠：當(dāng)下全球能源結(jié)構(gòu)加速調(diào)整，能源體系和發(fā)展模式正在進入非化石能源主導(dǎo)的嶄新階段。“雙碳”目標(biāo)引導(dǎo)下，我國能源結(jié)構(gòu)還需進一步優(yōu)化，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。發(fā)展抽水蓄能，提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要支撐。
當(dāng)前我國正處于能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵期，新能源大規(guī)模發(fā)展，但風(fēng)、光等發(fā)電存在間歇性和波動性特點，會對電網(wǎng)造成一定沖擊。因此，電力系統(tǒng)需要具備大量調(diào)節(jié)設(shè)備才能實現(xiàn)新能源電力的大規(guī)模接入，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。抽水蓄能與風(fēng)電、太陽能發(fā)電、核電、火電等配合使用，可以促進電力系統(tǒng)對新能源的消納水平。同時，通過發(fā)電與抽水交替運行，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)功率的調(diào)峰填谷，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，是目前最經(jīng)濟、最有效、最具大規(guī)模開發(fā)價值的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
抽水蓄能作為一種同時具備電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等多重功能的大規(guī)模儲能系統(tǒng)，能夠高效承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰等任務(wù)，減少對投資成本高、環(huán)境壓力大的火電調(diào)峰機組的投入，顯著降低煤炭資源的使用，從而實現(xiàn)調(diào)峰減碳的目的；抽水蓄能在用電負(fù)荷低谷時，利用火電廠發(fā)出的多余電量作為抽水電源，可以提高火電機組運行的穩(wěn)定性與設(shè)備利用率，從而實現(xiàn)填谷減碳；抽水蓄能是一種清潔能源電源、儲能電源與調(diào)節(jié)電源，可以很好地解決電網(wǎng)的功率平衡、電能質(zhì)量等問題，有效助力碳達峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。
根據(jù)我國經(jīng)濟發(fā)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(fā)展的高速階段。
《瞭望》：我國的常規(guī)抽水蓄能電站技術(shù)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(shù)引進、消化吸收、再創(chuàng)新的過程。通過一批常規(guī)大型抽水蓄能電站建設(shè)實踐，基本形成了涵蓋標(biāo)準(zhǔn)制定、規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)、裝備制造、運營維護的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展體系和專業(yè)化發(fā)展模式。
目前我國常規(guī)抽水蓄能項目發(fā)展較快，分布區(qū)域不斷擴展，相繼建設(shè)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(guī)抽水蓄能電站?？傮w看，我國在建常規(guī)抽水蓄能電站總規(guī)模5513萬千瓦，約60%分布在華東和華北，已建和在建規(guī)模均居世界首位。
從技術(shù)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(fā)電機組已成為世界獨一無二的水電設(shè)備。單機400MW的廣東陽江電站是目前國內(nèi)單機容量最大、凈水頭最高、埋深最大的常規(guī)抽水蓄能機組，證明我國常規(guī)抽水蓄能技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平。
自主創(chuàng)新研制大型可變速抽水蓄能機組
《瞭望》：世界上大型可變速抽水蓄能機組建設(shè)情況如何？
唐任遠：可變速技術(shù)能使抽水蓄能機組不局限于額定轉(zhuǎn)速運行，從而使調(diào)控更靈活、快速、高效、可靠，該技術(shù)已成為全球抽水蓄能領(lǐng)域的新方向和研發(fā)熱點。目前，世界上大多數(shù)可變速抽水蓄能機組位于日本和歐洲。日本20世紀(jì)90年代就開始應(yīng)用可變速抽水蓄能技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)頻率控制，日本可變速抽水蓄能電機的產(chǎn)品最大單機容量已達到40萬千瓦。近年來，隨著大量風(fēng)力發(fā)電的接入，歐洲開始大量引入可變速抽水蓄能進行電網(wǎng)功率平衡控制。
我國在可變速抽水蓄能產(chǎn)品方面還相對落后，目前國產(chǎn)化產(chǎn)品處于空白狀態(tài)。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(tǒng)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(fā)電的需要，二是保障電網(wǎng)安全，提高供電質(zhì)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(xué)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(shè)計、建設(shè)、運行提供基礎(chǔ)性支撐。
《瞭望》：研制大型可變速抽水蓄能機組面臨哪些挑戰(zhàn)？
唐任遠：常規(guī)抽水蓄能機組的運行過程轉(zhuǎn)速不變，發(fā)電狀態(tài)下功率調(diào)節(jié)范圍較窄，抽水狀態(tài)下功率不能調(diào)節(jié)，不足以應(yīng)對電網(wǎng)近年來出現(xiàn)的大規(guī)?？焖俟β什▌拥钠惹行枨?。采用可變速抽水蓄能機組可以實現(xiàn)發(fā)電運行和抽水運行兩種狀態(tài)的寬負(fù)荷功率調(diào)節(jié)，同時具有快速系統(tǒng)響應(yīng)速度，使水輪機在任意水頭和負(fù)荷時始終保持在最佳轉(zhuǎn)速運行，并保持效率最優(yōu)，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行起到重要作用。目前來看，面臨以下挑戰(zhàn)。
一是大型可變速抽水蓄能機組由于采用雙饋電機機型，轉(zhuǎn)動部分與定子部分具有一樣的鐵心和繞組。這樣的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動鐵心和繞組，其動態(tài)穩(wěn)定設(shè)計是國際公認(rèn)的難題。從轉(zhuǎn)動部分關(guān)鍵部件的材料選擇，到電磁性能、力學(xué)性能及傳熱性能的設(shè)計都存在亟待攻克的難點，需要電機方面科研技術(shù)人員的努力。
二是大型變速抽水蓄能機組需具備快速準(zhǔn)確協(xié)助電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻調(diào)相的能力，開發(fā)出適用于發(fā)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(dāng)前亟待解決的問題，與此相應(yīng)還需要進一步提升勵磁、調(diào)速器、變頻裝置等輔機設(shè)備的國產(chǎn)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(zhì)量等方面還面臨挑戰(zhàn)。
四是需要進一步利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，推動大型可變速抽水蓄能機組設(shè)計、建造和管理的數(shù)字化、智能化。
《瞭望》：突破研制大型可變速抽水蓄能機組的技術(shù)瓶頸，應(yīng)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(chǎn)變速抽水蓄能機組，我國宜通過自主創(chuàng)新的國產(chǎn)化研制之路，全產(chǎn)業(yè)鏈推進關(guān)鍵核心部件國產(chǎn)化力度，確保項目建設(shè)整體可控，力爭在產(chǎn)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(shè)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(guān)解決轉(zhuǎn)子鐵心端伸出部分繞組的防護結(jié)構(gòu)；
再次，在大型可變速抽水蓄能機組設(shè)備這種大慣量、復(fù)雜水力條件和電氣性能要求下的運行性能設(shè)計，需要集電磁、水力、電力電子、控制系統(tǒng)等多方面的技術(shù)來完成系統(tǒng)的綜合設(shè)計。
在大型可變速抽水蓄能機組推廣應(yīng)用上，建議國家出臺指導(dǎo)意見，推進示范項目和工程，立項開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)制定，將先進適用的科技創(chuàng)新成果融入標(biāo)準(zhǔn)，促進國產(chǎn)技術(shù)落地。進一步完善相關(guān)支持政策，支持核蓄一體化、風(fēng)光蓄多能互補基地等新業(yè)態(tài)發(fā)展，推動大型可變速抽水蓄能機組應(yīng)用。
培養(yǎng)卓越工程技術(shù)人才
《瞭望》：在工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面，你有哪些建議？
唐任遠：培養(yǎng)、培訓(xùn)抽水蓄能行業(yè)高端工程技術(shù)人才，既必要又緊迫。
宜鼓勵高校發(fā)展機電一體化和培養(yǎng)交叉學(xué)科人才。針對能源重點領(lǐng)域，在國內(nèi)有條件的綜合高校和行業(yè)高校中，加快建設(shè)一批在線課程、虛擬仿真實驗課程，啟動一批專業(yè)、課程、教材、教學(xué)方法等綜合改革試點項目，拓展專業(yè)的深度和廣度；建議高校院所與抽水蓄能制造企業(yè)之間加強校企合作，結(jié)合理工類高校人才培養(yǎng)優(yōu)勢來充實抽水蓄能人才儲備。
在加大力度培養(yǎng)高端工程技術(shù)人才的同時，還要幫助裝備制造業(yè)企業(yè)留住人才。裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟建設(shè)的根基，需要由卓越工程技術(shù)人才守住這個根基，筑牢我國電力工業(yè)基礎(chǔ)。抽水蓄能制造企業(yè)需要創(chuàng)新商業(yè)盈利模式，不斷提升項目管理與技術(shù)水平，促進抽水蓄能產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展。此外，企業(yè)需建立抽水蓄能裝備制造領(lǐng)域培訓(xùn)體系，從理論知識、政策指導(dǎo)、技術(shù)規(guī)范、項目管理、智能管控等維度培育抽水蓄能裝備制造企業(yè)核心能力，促進隊伍梯隊建設(shè)與行業(yè)人才成長。
加快培養(yǎng)抽水蓄能行業(yè)市場開發(fā)、工程技術(shù)、項目建設(shè)與管理等領(lǐng)域的專業(yè)人才與綜合性人才，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和提供堅強的人才保障和智力支持?！?/span>
文章來源：新華社，《瞭望》新聞周刊記者 扈永順
