1 概述
1.1 哈電情況簡介
哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱哈電）是我國生產大型發電設備及其配套控製設備的重點骨幹企業。哈電生產的水輪發電機組約占國產大、中型水電機組總裝機容量的1/2，汽輪發電機約占國產汽輪發電機總裝機容量的1/3。哈電擁有自主研發、設計、製造能力，主導產品有：水輪機、水輪發電機、汽輪發電機、電站主機配套的控製設備等。
哈電擁有工程技術人員1700多人，約占職工總數的1/3。其中博士、碩士50多人。2005年和2007年，國家科技部以哈電為依托，組建了國家水力發電設備工程技術研究中心和水力發電設備國家重點實驗室。公司現已形成年產30000MW汽輪發電機、5000MW水輪發電機組的生產能力。2007年完成產量32000MW，其中水電6080MW，產值56億元，創利11.29億元。
1.2 哈電水電產品的發展
建廠初期，依靠從國外學習歸來的工程師們憑借美國摩根.史密斯公司的資料指導研製了共和國第一台雲南蘇雄800KW水輪發電機組。1954年開始學習前蘇聯技術，設計製造了72.5MW的新安江機組。1959年建立哈爾濱大電機研究所，增強自主開發能力。從1960年起，在“自力更生、奮發圖強”的方針指引下，1964年設計製造了100MW的雲峰機組，1968年及1972年分別設計製造了225MW和300MW的劉家峽機組。八十年代設計製造了白山300MW轉輪直徑5.5m混流式機組、125MW轉輪直徑10.2m的葛洲壩軸流式機組。
改革開放後，哈電的技術發展進入與國外合作吸收先進技術階段，按國際標準設計製造了加拿大尼泊溫93MW水輪機埋件、魯布格項目與挪威KEN合作製造高水頭150MW混流式水輪發電機組、與GE合作製造了清江隔河岩300MW、二灘550MW混流式水輪發電機組；與德國的Voith合作製造了五強溪240MW轉輪直徑8.3m混流式水輪發電機組，與日本Hitachi合作製造了水口200MW世界上最大容量的軸流轉槳水輪發電機組和淩津灘、洪江、長洲、康揚等大型貫流式水輪發電機組。在此期間自主開發設計製造了天生橋二級225MW、岩灘302.5MW轉輪直徑8m 的大型混流式水輪發電機組。
1997年9月，三峽左岸分包和技術轉讓協議簽訂後，哈電全麵接受了法國ALSTOM-瑞士ABB-挪威KEN聯合體三峽700MW混流式水輪發電機組設計製造關鍵技術，並通過消化吸收完成了左岸的分包任務，獨立製造的左岸機組達到國外同等水平。在三峽右岸的國際招標中，哈電獨立中標4台，在引進技術的基礎上並結合自主開發與創新，製造的具有自主知識產權最大容量840MVA全空冷機組在2007年7月成功投運。由此，通過多年的技術積累和引進技術的消化吸收及不斷創新，哈電大型水電機組的技術水平和製造能力有了跨越式地發展，邁入了具有國際競爭優勢的企業行列。
目前哈電正在製造三峽右岸及地下廠房、龍灘、小灣、拉西瓦、向家壩、溪洛渡等電站共50多台套單機容量600MW以上級的巨型水輪發電機組，開始了在大型水電機組製造上完全用自主研製的設備裝備我國電站的新時代。
表1 哈電製造的單機額定容量550MW以上級機組
序
號 電 站
名 稱 單機額定
容量/台數
(MW)/(台) 最大水頭/
額定水頭
(m)/(m) 轉速
(r/min) 水輪機轉
輪直徑
D1(m) 哈電發電機
冷卻方式 哈電製造份額 狀態
1 二 灘 550/6 189.2/165 142.9 6.26 全空冷 GE主包，哈電分包1整台 投運
2 三峽左岸 700/14 113/80.6 75 10.43 半水冷 Alstom主包8台，哈電分包份額超過30%,2台整機，水輪機轉輪６台 投運
3 三峽右岸及
地下廠房 700/18 113/85 75 10.44 全空冷 6台水輪發電機組 投運3台
4 龍 灘 700/7 179/138.5 107.1 全空冷 7台發電機 投運4台
5 拉西瓦 700/6 220/205 142.9 全空冷 6台發電機 製造中
6 小 灣 700/6 251/216 150 全空冷 6台發電機 製造中
7 構皮灘 600/5 200/175.5 125 7.00 5台水輪機 製造中
8 錦屏I級 600/6 240/200 142.9 全空冷 6台發電機 製造中
9 糯紮渡 650/9 215/187 125 7.30 6台水輪機 製造中
10 官 地 600/4 128/115 100 全空冷 4台發電機 製造中
11 長河壩 650/4 218/200 142.9 6.70 全空冷 4台水輪發電機組 製造中
13
溪洛渡 770/18 229.4/197 125 7.62 全空冷 6台水輪發電機組 製造中
14 向家壩 800/8 114.2/100.0 75 9.95 全空冷 4台水輪發電機組 製造中
2 大型水輪機水力設計技術進步
2.1 先進的水力設計與試驗技術
轉輪是水輪機的核心部件，性能直接影響機組運行的經濟性和安全穩定性。特別是對於大型水電機組，效率的高低對電站運行的經濟效益影響甚大，機組由於容量大、尺寸大，振動和運行的穩定性得到廣泛地關注。因此，現代大型機組水輪機最高效率和加權平均效率不斷提高，機組要求在無空化狀態下運行，穩定性指標如壓力脈動、葉片正背麵空化脫流、葉道渦、卡曼渦要求越來越嚴格。
20世紀90年代末，在水輪機模型轉輪的水力性能上，哈電與國外差距較大，許多項目的轉輪技術從國外引進。通過三峽工程，引入了先進的三維粘性流體計算軟件（CFD）和分析方法，以多年積累開發的各種型號和各種水頭段設計試驗的近千個模型轉輪數據庫為基礎，在水力設計上開始了根據電站的具體要求和目標值以已有優秀轉輪為參照，進行改型分析計算，實現為電站“量體裁衣”開發轉輪的階段，水力設計水平得到跨越式提高。
在模型試驗技術方麵，開發了轉輪流態成像的觀察係統，可以在以往隻能觀察到尾水管渦帶和轉輪葉片部分的流態之外還能清楚地確定葉片間的葉道渦和葉片進水邊的脫流狀態，從而為模型轉輪的進一步修型提供了方向。結合CFD分析技術，使開發的轉輪的穩定性大大提高。
通過技術的發展再加上模型試驗裝置製造精度的提高，很快在轉輪水力設計上趕上了世界先進水平。近年來開發了一大批性能優良的模型效率超過94%的轉輪用於國內外大型水電站，某些項目效率超過95%，在國際競爭中改變了要靠國外提供水力設計技術的曆史，實現了用我們自主開發的達到國際先進水平的水輪機轉輪來裝備電站的目標。

表2 哈電2000年後自主開發的部分單機額定出力150MW以上的水輪機主要參數
電站名稱 最大水頭/額定水頭
(m)/(m) 水輪機額定出力/台數
(MW)/(台) 模型最高效率ηm
（%） 轉輪直徑D1
(m)
伊朗卡倫I 165.2/148.9 254/4 93.60 4.54
伊朗卡倫III 179/161 255/8 93.50 4.54
伊朗蘇裏曼 150.5/139.6 242/4 93.10 4.50
樂灘(軸流) 31.5/19.5 153.1/4 93.15 10.40
公伯峽 106.6/99.3 306/5 94.82 5.80
三峽右岸 113/85 710/4 94.63 10.44
戈蘭灘 89.2/83.6 153.06/3 94.53 4.80
三板溪 156.5/128 256.5/4 95.23 5.05
景 洪 67/60 357.2/5 94.23 8.30
構皮灘 200/175.5 609/5 95.17 7.00
光 照 164.42/135 265.3/4 94.97 5.05
三峽地下廠房 113/85 710/2 94.78 10.44
沙 沱 74.9/64 284.3/4 94.22 7.10
龍頭石 53/45 178.6/4 93.50 7.00
龍開口 80.7/67 367.5/5 94.44 8.00
糯紮渡 215/187 660/6 95.02 7.30
長河壩 218/200 663/4 95.20 6.70
溪洛渡 229.4/197 770/6 95.23 7.62
向家壩 114.2/100.0 800/4 94.78 9.95

2.2 水力開發創新成果舉例
1） 三峽右岸
在三峽右岸新轉輪的開發中，哈電通過引進技術的消化吸收，采用新的設計理念和方法，開發出了性能全麵超過左岸引進技術的新轉輪。模型最高效率為94.63%，高於左岸。特別是在穩定性方麵有了很大的突破，在整個運行區域內消除了高部分負荷壓力脈動，解決了這個一直困擾業內的世界性技術難題。此項成果已被三峽右岸標書規定的由哈電、東電、Alstom、Voith 4家參與在中國水利水電科學研究院同台對比複核試驗所驗證。成果代替左岸引進轉輪用於哈電中標的4台三峽工程的右岸機組上，成為在大型水電設備研製上具有自主知識產權的關鍵核心技術。該項成果獲得了國家發明專利。2007年7月到目前為止，采用該轉輪哈電製造的三峽右岸4台機已經投入運行，各項指標滿足合同要求，運行穩定。
2） 構皮灘
2004年11月，在貴州烏江構皮灘水電站200m水頭段單機容量600MW水輪機開發中，哈電完成了有業主和各方麵專家參加的初步試驗，各項指標全麵達到要求。隨後全部的模型試驗裝置運到瑞士的洛桑國際公認的中立試驗室由洛桑的試驗專家進行試驗測試來進行成果的最終驗收，試驗於2005年7月完成，水輪機性能全部滿足合同要求。模型最高效率達95.17％，加權平均效率為93.25%，轉輪具有優良的穩定性。
3） 其他大型項目
哈電近些年相繼承接了一批轉輪直徑φ7.0m及以上的大型混流式水輪機，覆蓋了大部分混流式水輪機使用水頭範圍，如 650MW糯紮渡、長河壩，770MW溪落渡、800MW向家壩等巨型機組。在低水頭範圍有350MW，轉輪直徑8.3m的景洪機組和龍頭石、沙沱、龍開口等項目，為這些電站開發的轉輪效率高、穩定性好，其水力性能已明顯優於上世紀九十年代的引進轉輪，達到了當前世界先進水平。
3 龍灘、三峽大容量全空冷發電機研製
2002年7月，哈電投出了當時國內僅次於三峽的第二大水電站龍灘（單機最大容量777.8MVA）的水輪發電機組電站的標書。對於這種700MW等級的發電機，哈電的冷卻方案並不是左岸引進技術的半水冷，而是創新的全空冷方案。同樣，在2003年的10月，三峽右岸單機最大容量840MVA發電機投標時，哈電依然投的是全空冷方案。
大容量水輪發電機關鍵技術之一是電機的冷卻方式。目前主要采用發電機定子線棒水內冷轉子空冷即所謂的半水冷和定、轉子線棒全空氣冷卻這兩種冷卻方式。全空氣冷卻是發電機轉子和定子均采用空氣冷卻，空氣的流動是由旋轉部件產生的壓頭來形成的。這種冷卻方式取消了水係統和泵係統，結構簡單、運行可靠、安裝維護方便、能有效地減少電廠的二次運行費用，得到用戶的普遍歡迎。但隨著發電機容量的增加，全空冷技術難度越來越大。三峽最大容量達840MVA的發電機，其他國內外公司全部選擇了半水冷。
哈電通過多年的自主開發和技術引進，形成了一套自己的通風設計及分析方法，在大型長鐵心水輪發電機極間流場、鐵心表麵散熱係數、電機徑向軸向三維溫度場的計算分析和模型試驗及發電機主絕緣研究方麵有大量的優秀成果。針對三峽水輪發電機的設計，開展了通風係統計算的仿真，電站真機的通風、發電機表麵散熱係數和發電機用冷卻器的試驗和測試，開展了20KV全空冷主絕緣定子線棒絕緣結構和絕緣材料試驗和製造研究。在此基礎上，進行機組的結構優化以獲得最大的風量和合理的風量分布，並建立了和真機結構完全模擬的1：5全空冷水輪發電機的通風模型試驗台，在模型上完成了全麵的測試；製造了真機尺寸的定子線棒，完成了電氣性能和電老化性能等一係列試驗。通過近4年的開發，從科研、設計、材料、工藝等方麵取得了許多成果，最終完成了具有哈電自主知識產權的三峽全空冷機組的研製任務。
2007年7月8日，哈電研製的三峽首台26#全空冷水輪發電機成功並網發電，全麵完成了電氣參數、溫升、通風、振動、擺度及主要結構部件變形等測試試驗。機組運行穩定，振動、擺度及溫升等性能指標達到優良標準。發電機定子線棒全部測點（RTD）的最高與最低溫差(66.9～60.8)約為6℃，同一高程測點的溫差不大於4℃，同一根線棒軸向溫差不大於3℃，鐵心最高與最低溫差（59.3～57.6）不大於2℃，溫度分布非常均勻，效果不亞於水冷機組。
2008年4月 25日，三峽右岸電站哈電第三台機組（24#機 ）順利通過72 小時帶滿負荷連續試運行。機組試運行期間，各部位溫度、振動、擺度、流量等運行參數均滿足設計要求，綜合評價達到“精品機組”要求。72小時期間主要數據如下：
推力瓦溫：最高72.5℃，最低70.4℃，溫差2.1℃；
上導瓦溫：最高38.4℃，最低33.9℃, 溫差4.5℃；
水導瓦溫：最高53.8℃，最低46.8℃, 溫差7℃；
下導瓦溫：最高37.4℃，最低35.5℃，溫差1.9℃；
定子溫度：最高66.5℃，最低61℃， 溫差5.5℃。
上導擺度:0.06mm,下導擺度：0.2mm，水導擺度：0.065mm；
上機架振動：0.041mm，下機架振動：0.012mm，頂蓋振動：0.048mm
三峽電站的全空冷水輪發電機是目前世界單機額定容量最大和最大連續運行容量最大具有兩項世界記錄的全空冷水輪發電機，她的研製成功將在世界水電設備開發史上寫上新的篇章，開創了大型水輪發電機組采用全空冷技術的新時代，技術領先國際3到5年。目前哈電研製全空冷龍灘發電機組已運行了4台，三峽運行了4台。
哈電通過大型空冷水輪發電機新產品的開發在水電市場上占據了優勢，目前全部在製的單機700MW的水輪發電機中，除三峽右岸和地下廠房有12台采用其他冷卻方式外，三峽6台，其他的如龍灘、小灣、拉西瓦電站的全部發電機均由哈電負責采用全空冷技術製造。
4 其他方麵
4.1 大型混流式轉輪工地製造
為了進一步解決運輸問題帶來的限製，2002年在岩灘3#機轉輪改造中，為提高其水力性能，將原方案采用分瓣的轉輪改為整體轉輪，葉片在工廠內完成了全部加工工序，上冠為整體，下環分四瓣在廠內進行了必要的機加工，然後分件在南寧上岸後再經公路運至工地，並在電站的原安裝場地上完成製造，取得了成功，驗證了所采用的工地加工設施和工藝，岩灘3#機已於2003年春投入運行。在此基礎上，2007年內哈電在三個工地轉輪製造基地，完成了構皮灘轉輪（D1=Φ7m，600MW）、景洪轉輪（D1=Φ8.3m，350MW）和龍頭石轉輪（D1=Φ7m，600MW）的製造，並通過了業主的見證驗收。
4.2 大型筒形閥技術
為了減少多泥沙河流中機組停機時期由於導葉漏水可能造成的通流部件的泥沙磨損問題，一些大型水輪機在招標中明確規定了設置筒閥的要求，為適應這方麵的需要，哈電在光照水輪機項目中（D1=Φ5.05m，N=266.3 MW）開發了筒形閥技術，進行了模型試驗，確定了筒形閥封水邊的開關及其水力特性，光照筒形閥外徑Φ6590mm，筒形閥高1340mm，由6個裝置在頂蓋上的接力器操作，為解決接力器操作的同步和避免筒形閥動作過程的偏斜超差問題開發了電氣係統和液壓係統相結合的同步控製係統，並於2007年2月在廠內進行了筒形閥的操作試驗，通過試驗驗證了所開發的電氣液壓同步控製係統。目前光照筒閥已在工地通過了無水調試試驗，哈電將在光照筒形閥中取得經驗的基礎上，改進正在設計製造中的糯紮渡大型筒閥，該筒閥的外徑達Φ9380mm,壁厚190mm,高1235mm，以求盡量減少由於筒閥所造成的頂蓋變形。
4.3 大型水泵水輪機
在抽水蓄能機組研製方麵，哈電采用日本日立水力設計製造的2台60MW蓄能機組安裝在回龍電站，製造了白山2台150MW蓄能機組，分包製造了GE公司為韓國青鬆電站製造的300MW大型抽水蓄能機組。國家通過市場換技術的策略，將寶泉、廣東惠州、湖北白蓮河共16台300MW抽水蓄能機組一次招標，中標方對中方分包企業全麵轉讓技術，哈電從2005年開始從法國ALSTOM接受技術轉讓，目前正在消化吸收和承擔這三個機組的分包製造任務，另外，以哈電為主采用ALSTOM水力設計技術的蒲石河4台300MW（338米水頭）抽水蓄能機組也在研製中。今年，哈電又獲得了安徽響水澗4台250MW的抽水蓄能機組研製合同，這個項目是國家第一個大型抽水蓄能國產化依托工程，核心技術完全由哈電自主研製。
5 結束語
最近在有ALSTOM、VOITH-SIEMENS、東電參加的向家壩單機800MW、溪洛渡單機770MW共26台機組、合同額近110億的招標項目中，通過同台對比，哈電中標10台，合同額44.27億，是唯一為這兩個電站提供機組的廠家。
單機容量擬定為1000MW的白鶴灘與烏東德項目也正在積極論證之中。白鶴灘水輪機水頭變化範圍與小灣、構皮灘、長河壩相近（156m～235.5m），但轉輪直徑由於容量增大而將增加至約8.8米左右。烏東德機組的水頭變化範圍為117.5m～163m，與哈電製造的三板溪、光照等項目相近，但轉輪直徑與三峽機組相近。機組容量增大對運行穩定性提出了更高的要求，另外通風、絕緣和機械結構與強度等等方麵提出了新的挑戰。
為了迎接這方麵的挑戰，哈電在國家科技部和三峽公司的支持下，已準備針對多方麵的技術問題，開展相應的研究工作。對具有技術創新精神的哈電人來說，開發出具有世界先進水平的國產化1000MW機組是充滿信心的。

作者簡介：
吳偉章（1962-），1988年畢業於清華大學水利係水力機械專業，一直在哈爾濱電機廠有限責任公司從事水輪機水力設計、實驗、研究、製造等方麵的技術工作，教授級高級工程師，博士。現任哈爾濱電機廠有限責任公司董事長兼總經理。