学会动态

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我会特聘顾问、原常务理事、中国工程院院士唐任远:
攻克抽水蓄能 大型变速机组技术瓶颈

我会特聘顾问、原常务理事、中国工程院院士唐任远:
攻克抽水蓄能 大型变速机组技术瓶颈

2022-09-06

 |《瞭望》新闻周刊记者扈永顺

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  可变速技术能使抽水蓄能机组不局限于额定转速运行,从而使调控更灵活、快速、高效、可靠,该技术已成为全球抽水蓄能领域的新方向和研发热点

  ◇2021年,我国首座可变速抽水蓄能机组实证平台在武汉大学校外抽水蓄能实验基地成功通过专家评审,将为我国首批可变速抽水蓄能电站的设计、建设、运行提供基础性支撑

     

   位于浙江省湖州市安吉县境内的长龙山抽水蓄能电站水库(2022年6月29日摄)夏鹏飞摄

《瞭望》新闻周刊

  “双碳”目标下,我国步入了构建现代能源体系新阶段。壮大清洁能源产业,实施可再生能源替代行动,推动构建新型电力系统成为大势所趋。

  由于风电、太阳能等新能源发电具有不稳定性,大规模接入会对电网造成一定冲击,需要配合储能调节系统共同使用。抽水蓄能是一种能够提供电网级别、超大容量的储能方式。与其他储能形式相比,抽水蓄能是目前最经济、最高效的一种储能方式。

  抽水蓄能需要大型可变速发电电动机机组,目前可变速抽水蓄能机组重大装备关键技术被国外极少数公司垄断。中国科学技术协会近日发布了2022重大问题难题,如何研制大型可变速抽水蓄能机组位列10个产业技术问题之中。近日,就如何攻克可变速抽水蓄能机组重大装备制造技术瓶颈,专访了我会特聘顾问、原常务理事、中国工程院院士、国家稀土永磁电机工程技术研究中心主任唐任远。

  唐任远是我国稀土永磁电机领域的奠基者和开拓者。1979年,他带领团队研制成功我国第一台稀土永磁电机。他认为,发展抽水蓄能对保障电力供应、确保电网安全、促进新能源消纳、推动能源绿色低碳转型具有重要意义。“我国宜制订专项计划,开展部分关键技术科研攻关,加快科研试验平台建设,通过自主创新攻克变速抽水蓄能机组重大装备制造技术瓶颈。”唐任远说。

  抽水蓄能电站规模居世界首位

  “双碳”目标下,如何认识发展抽水蓄能的战略意义?

  唐任远:当下全球能源结构加速调整,能源体系和发展模式正在进入非化石能源主导的崭新阶段。“双碳”目标引导下,我国能源结构还需进一步优化,加快构建以新能源为主体的新型电力系统。发展抽水蓄能,提升电力系统灵活调节能力,是构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切要求,是可再生能源大规模发展的重要保障,是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑。

  当前我国正处于能源绿色低碳转型发展的关键期,新能源大规模发展,但风、光等发电存在间歇性和波动性特点,会对电网造成一定冲击。因此,电力系统需要具备大量调节设备才能实现新能源电力的大规模接入,保障电力系统的安全、稳定运行。抽水蓄能与风电、太阳能发电、核电、火电等配合使用,可以促进电力系统对新能源的消纳水平。同时,通过发电与抽水交替运行,可以实现电力系统功率的调峰填谷,提高电力系统运行的稳定性,是目前最经济、最有效、最具大规模开发价值的电力调节系统。

  抽水蓄能作为一种同时具备电网调峰、填谷、调频、调相等多重功能的大规模储能系统,能够高效承担电力系统的调峰等任务,减少对投资成本高、环境压力大的火电调峰机组的投入,显著降低煤炭资源的使用,从而实现调峰减碳的目的;抽水蓄能在用电负荷低谷时,利用火电厂发出的多余电量作为抽水电源,可以提高火电机组运行的稳定性与设备利用率,从而实现填谷减碳;抽水蓄能是一种清洁能源电源、储能电源与调节电源,可以很好地解决电网的功率平衡、电能质量等问题,有效助力碳达峰、碳中和目标的实现。

  根据我国经济发展的速度以及电力需求,未来十余年将是我国抽水蓄能电站发展的高速阶段。

  我国的常规抽水蓄能电站技术装备在国际上处于什么水平?

  唐任远:在抽水蓄能方面,我国走过了技术引进、消化吸收、再创新的过程。通过一批常规大型抽水蓄能电站建设实践,基本形成了涵盖标准制定、规划设计、工程建设、装备制造、运营维护的全产业链发展体系和专业化发展模式。

  目前我国常规抽水蓄能项目发展较快,分布区域不断扩展,相继建设了泰安、惠州、白莲河、西龙池、仙居、阳江、丰宁等一批具有世界先进水平的抽水蓄能电站。其中,河北丰宁抽水蓄能电站装机容量360万千瓦,是目前世界装机容量最大的常规抽水蓄能电站。总体看,我国在建常规抽水蓄能电站总规模5513万千瓦,约60%分布在华东和华北,已建和在建规模均居世界首位。

  从技术装备层面看,从三峡、溪洛渡、向家坝到白鹤滩电站,我国1000MW水轮发电机组已成为世界独一无二的水电设备。单机400MW的广东阳江电站是目前国内单机容量最大、净水头最高、埋深最大的常规抽水蓄能机组,证明我国常规抽水蓄能技术已经达到国际先进水平。

  自主创新研制大型可变速抽水蓄能机组

  世界上大型可变速抽水蓄能机组建设情况如何?

  唐任远:可变速技术能使抽水蓄能机组不局限于额定转速运行,从而使调控更灵活、快速、高效、可靠,该技术已成为全球抽水蓄能领域的新方向和研发热点。目前,世界上大多数可变速抽水蓄能机组位于日本和欧洲。日本20世纪90年代就开始应用可变速抽水蓄能技术实现电网频率控制,日本可变速抽水蓄能电机的产品最大单机容量已达到40万千瓦。近年来,随着大量风力发电的接入,欧洲开始大量引入可变速抽水蓄能进行电网功率平衡控制。

  我国在可变速抽水蓄能产品方面还相对落后,目前国产化产品处于空白状态。我国第一座可变速抽水蓄能电站是丰宁电站二期工程,该电站的变速抽水蓄能机组由外国公司承建,目前还在建造之中。

  我国新型电力系统中急需一定量的可变速抽水蓄能机组,一是推进可再生能源发电的需要,二是保障电网安全,提高供电质量。2021年,我国首座可变速抽水蓄能机组实证平台在武汉大学校外抽水蓄能实验基地成功通过专家评审,将为我国首批可变速抽水蓄能电站的设计、建设、运行提供基础性支撑。

  研制大型可变速抽水蓄能机组面临哪些挑战?

  唐任远:常规抽水蓄能机组的运行过程转速不变,发电状态下功率调节范围较窄,抽水状态下功率不能调节,不足以应对电网近年来出现的大规模快速功率波动的迫切需求。采用可变速抽水蓄能机组可以实现发电运行和抽水运行两种状态的宽负荷功率调节,同时具有快速系统响应速度,使水轮机在任意水头和负荷时始终保持在最佳转速运行,并保持效率最优,对电力系统稳定运行起到重要作用。目前来看,面临以下挑战。

  一是大型可变速抽水蓄能机组由于采用双馈电机机型,转动部分与定子部分具有一样的铁心和绕组。这样的结构对小型电机不存在太大问题,但对于大型抽水蓄能机组这种大尺寸、高线速度下的转动铁心和绕组,其动态稳定设计是国际公认的难题。从转动部分关键部件的材料选择,到电磁性能、力学性能及传热性能的设计都存在亟待攻克的难点,需要电机方面科研技术人员的努力。

  二是大型变速抽水蓄能机组需具备快速准确协助电网调峰调频调相的能力,开发出适用于发电和抽水两种工况并且有功和无功控制高度解耦的大型可变速抽水蓄能机组的励磁控制装置和控制策略是当前亟待解决的问题,与此相应还需要进一步提升励磁、调速器、变频装置等辅机设备的国产化水平。

  三是提高大型可变速抽水蓄能机组工艺水平,降低工程造价,确保工程安全和质量等方面还面临挑战。

  四是需要进一步利用物联网、云计算和大数据等技术,推动大型可变速抽水蓄能机组设计、建造和管理的数字化、智能化。

  突破研制大型可变速抽水蓄能机组的技术瓶颈,应该从哪些方面着手?

  唐任远:目前我国还没有依托实际工程落地的国产变速抽水蓄能机组,我国宜通过自主创新的国产化研制之路,全产业链推进关键核心部件国产化力度,确保项目建设整体可控,力争在产品制造的瓶颈方面取得突破,将大国重器掌握在自己手里。

  首先,提高无取向电工钢研制水平。大型可变速抽水蓄能机组设备对机组效率要求较高,随着机组装机容量的快速增长,将拉动高牌号无取向电工钢需求,需要深入研究;

  其次,要投入较多科研力量攻关解决转子铁心端伸出部分绕组的防护结构;

  再次,在大型可变速抽水蓄能机组设备这种大惯量、复杂水力条件和电气性能要求下的运行性能设计,需要集电磁、水力、电力电子、控制系统等多方面的技术来完成系统的综合设计。

  在大型可变速抽水蓄能机组推广应用上,建议国家出台指导意见,推进示范项目和工程,立项开展关键技术研发与标准制定,将先进适用的科技创新成果融入标准,促进国产技术落地。进一步完善相关支持政策,支持核蓄一体化、风光蓄多能互补基地等新业态发展,推动大型可变速抽水蓄能机组应用。

  培养卓越工程技术人才

  在工程技术人才培养方面,你有哪些建议?

  唐任远:培养、培训抽水蓄能行业高端工程技术人才,既必要又紧迫。

  宜鼓励高校发展机电一体化和培养交叉学科人才。针对能源重点领域,在国内有条件的综合高校和行业高校中,加快建设一批在线课程、虚拟仿真实验课程,启动一批专业、课程、教材、教学方法等综合改革试点项目,拓展专业的深度和广度;建议高校院所与抽水蓄能制造企业之间加强校企合作,结合理工类高校人才培养优势来充实抽水蓄能人才储备。

  在加大力度培养高端工程技术人才的同时,还要帮助装备制造业企业留住人才。装备制造业是国民经济建设的根基,需要由卓越工程技术人才守住这个根基,筑牢我国电力工业基础。抽水蓄能制造企业需要创新商业盈利模式,不断提升项目管理与技术水平,促进抽水蓄能产业健康、快速发展。此外,企业需建立抽水蓄能装备制造领域培训体系,从理论知识、政策指导、技术规范、项目管理、智能管控等维度培育抽水蓄能装备制造企业核心能力,促进队伍梯队建设与行业人才成长。

  加快培养抽水蓄能行业市场开发、工程技术、项目建设与管理等领域的专业人才与综合性人才,为实现碳达峰、碳中和提供坚强的人才保障和智力支持。