中国水电设备技术及水电设备制造业发展的思考(论文)

!决策参考! 中国水电设备技术及水电设备制造业发展的思考 梁 章 堂 （甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州730000） 摘要： 国际水电设备技术在20世纪获得了巨大的发展， 中国水电设备制造业也发展壮大起来。21世纪， 中国的水电 开发将进入一个高峰期， 水电设备制造业应面对国际市场竞争， 不断创新技术， 推动水电设备技术的进步， 进入中国 水电设备制造业光辉灿烂发展的新时期。 关键词： 水电设备技术； 水电设备制造业； 发展； 思考 中图分类号：TV734文献标识码：C 在水力发电生产过程中， 使水流机械能转换成电能的机 械装置称为水力发电设备。广义的水力发电设备应当包括 能量转换的机械装置及保证机组安全稳定运行的控制、 监测 和生产过程自动化等一系列机电设备的总称。作者主要述 及水轮发电机组及其主要附属设备等设备及其技术。 1 现代水电设备及技术发展综述 1. 1 水轮机的技术发展 水轮发电机组是水力发电的关键设备。自从19世纪中 叶， 近代水轮机面世及随之第一座水电站建成， 100 多年来， 随着科学技术和社会经济的发展， 水电设备的科学研究和制 造技术得到了巨大的发展和进步。特别是近30 !50年间， 由于计算机技术的发展和进入到水电设备的科研设计与制 造领域， 以及材料科学、 结构分析和计算技术等相关科学、 技 术的发展与进步， 使得水电设备的技术性能和可靠性稳步提 高。现代水电设备和技术可以利用高达1 800 m的超高水 头和2 ! 3 m的超低水头的水流动力发电。人类通过利用水 力发电， 获得了大量的自然资源和巨大的经济效益， 同时推 动着社会进步。 现代水电设备技术发展的一个显著特点是向设备大型 化和高参数发展的趋势。在设备大型化方面， 目前世界上已 投入商业运行的混流式水轮发电机组最大单机容量已超过 700 MW， 实施中的中国三峡水电站工程的单机容量700 MW的混流式水轮机直径已超过10 m； 在不远的将来， 设计 制造单机容量1 000 MW级的混流式水轮发电机组也是可 能的。轴流式水轮发电机组最大单机容量230 MW（中国水 口） ； 最大转轮直径11. 30 m（中国葛洲坝） 。冲击式水轮发电 机组最大单机容量315. 5 MW， 最大转轮直径5. 5 m， 最高使 用水头1 767 m。贯流式水轮发电机组最大单机容量65. 8 MW （日本只见） ， 最大转轮直径8. 2 m。抽水蓄能机组最大 单机容量410 MW， 应用水头1 400 m以上。在向高参数发 展方面， 为便于叙述， 引入水电设备行业常用的表征水轮机 综合特性参数及其综合特性水平的比转速! S 和比速系数 这两个概念， 其表达式为! S=! # 0. 5$1. 25（M-k W） 及 = !S$ 0. 5（无因次系数） 。根据实际工程的统计数据， 目前国际 上值一般为2 000 ! 2 250 ! 2 500， 低水头水轮机值上 限最大达3 000左右， 发展到了较高的综合特性水平。另据 统计， 国际上水轮机的比转速每10年提高约10 !20（M- k W） 。随着比转速的提高， 由于模型试验装置和试验技术的 提高， 以及水力设计采用更加接近流体实际运动规律的设计 理论和新材料、 新工艺技术的应用， 水轮机空化系数有所降 低， 空化性能也有所提高。 1. 2 水力机组附属设备的技术发展 水轮机调速器、 主阀及励磁装置等是水力机组的主要附 属设备。水轮机调速器的技术进步， 经历了机械液压型、 电 气液压型、 微机型调速器 （单板机） ， 发展到以工业兼容机 （PC） 和可编程控制器PLC为基础的现代调速器， 以及具有 更高级功能的CPU和操作软件， 可以方便地进行人机对话 的数字型调速器。调速器的测频方式及机械液压系统等完 善程度也都得到提高， 液压系统的操作油压普遍提高到4. 0 ! 7. 0 MPa及更高的压力等级。励磁装置的技术发展， 由励 磁机励磁、 静止可控硅， 到现在已普遍采用微机励磁。主阀 的设计制造， 现已运行的大型蝴蝶阀， 最大设计静水头达640 m， 最大直径达7. 60 m， 阀瓣结构采用过流特性好和机械特 性好的双平板桁架式结构。带有蓄能装置 （如重锤） ， 具有分 段关闭功能， 从而可能降低压力输水系统水击压力的蝴蝶 阀， 因其具有节能效果和广泛的适应性， 在中小型水电站有 逐步推广的趋势。近年发展起来的一种新型的由多个直缸 接力器操作的圆筒阀在中高水头大型混流式水轮机使用效 果良好。在水电站普遍采用计算机监控的情况下， 上述设备 均能满足与计算机监控系统通讯的接口要求。 1. 3 水电设备专用技术的发展和进步 水电设备技术属于综合性应用工程技术。几十年来， 进 步和发展起来， 适用于水电设备的 “专用” 技术 （其中也不乏 得益于其他学科技术的发展） ， 较具代表性的有： （1）水轮机抗磨蚀技术。是一项综合性技术， 包括水轮 机抗磨蚀叶型的开发 （如转轮的X形叶片等技术） ， 水轮机过 流部件新材料、 新工艺技术的开发， 表面处理技术， 水轮机选 型设计， 电站的运行调度及运行中的抗磨蚀防护 （喷镀等） 技 第38卷第1期 2002 年3月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Gansu Shuili Shuidian Jishu Vol. 38，No. 1 M ar.， # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 2002 收稿日期：2000 -02 -28 作者简介： 梁章堂 （1945 -） ， 男， 湖南洞口县人， 高级工程师， 学士， 主要从事水利水电工程设计。 术等， 均取得了相当的发展， 带来了较好的经济效益。 （2）水轮机调节控制技术。主要是基于现代控制理论 和技术， 以改善调节状况， 优化调节参数， 提高可靠性， 提高 电能质量和节省材料为目的的新型调节控制设备及控制技 术的研究和应用。如计算机监控技术和水轮机分段关闭调 节技术的应用等。 （3）信息技术的应用。包括应用信息技术于水轮机模 型研究， 机组结构分析， 设计制造及企业管理等。信息技术 的应用对推动水电设备技术进步的作用是显而易见的。 ! 中国水电设备技术与制造业的发展 我国水电设备制造业始于1950年， 现已发展到大中小 型企业百余家， 形成了中国民族水电设备制造工业体系， 为 我国的水力发电提供了数千万千瓦水电机组设备。我国水 电设备技术也得到了巨大发展， 从最初生产单机容量数百千 瓦的小型水力发电机组， 现已能自主设计制造出黄河李家峡 水电厂等单机容量达400 MW的大型混流式水电机组以及 长江葛洲坝水电厂转轮直径达11. 30 m， 单机容量170 MW 的大型轴流转桨式水电机组， 标志着我国水电设备技术已达 到一个较高的发展水平。改革开放以来， 我国水电建设发生 了一些新的变化， 出现了向国际融资引进资本和技术建设水 电工程的事例， 如隔河岩、 鲁布格、 广州蓄能等， 也出现了经 过资产、 企业重组和购产改造， 组建股份公司及中外合资水 电设备公司。目前， 已呈现出以哈尔滨电机、 东方电机等民 族水电设备制造企业和 （杭州） 克瓦纳、 上海希科等中外合资 企业群雄并举， 这样一个庞大的水电设备制造和市场供给格 局。我国的水轮机模型试验研究在几十年间也有了较大的 发展， 水利水电科学研究院、 哈尔滨电机厂及东方电机厂等 部门的水力试验台的试验装备、 试验技术、 试验精度已达到 IEC标准， 并且研制出了一批性能较优的新转轮。但是， 我 国水轮机的转轮模型研究， 水电设备制造业以及水电设备技 术的整体水平与国际先进水平相比， 还有较大差距， 属于自 主开发并领先于国际水平的水轮机模型和机组设备产品不 多， 常规巨型机组、 蓄能机组及灯泡贯流机组等试验研究和 设计制造技术还较薄弱。特别是一些关键技术， 差距较为明 显， 还缺乏和伊林等一些国际知名水电设备制造企业的竞争 能力。在水轮机特性水平方面， 我国水电工程中大型混流式 水轮机的!值一般在2 100以下 （引进机组除外） ， 而国外大 中型水轮机!值基本上在2 250 !2 500之间。水轮机的效 率一般比国外同类水轮机约低1 % !3 %。我国水电设备技 术和制造业的发展相对较为缓慢， 还不能满足国家水电建设 的需要。在生产技术、 产品质量、 经营管理水平等方面与技 术先进国家也有一定的差距。 我国水电开发和水电设备制造业的发展前景 电能是现代经济和社会发展的巨大动力， 人类经济活动 和社会生活， 无不需要强大的电力能源做为发展后盾。并 且， 随着社会和经济的发展， 对电力的需求始终呈增长趋势。 我国地域辽阔， 水能资源蕴藏量丰富， 理论蕴藏量达6. 8 亿k W， 可经济开发容量3. 7亿k W。但是我国水电资源分布 不均衡， 现有开发程度还比较低， 已开发水电资源仅占可开 发水电资源的16， 开发程度也不均衡， 中部、 东部地区蕴藏 量较少， 开发程度较高， 西部地区蕴藏量巨大， 总体开发程度 较低。以甘肃为例， 全省水能资源理论蕴藏量1 724万k W， 可经济开发容量为1 052万k W， 其中大型水电530万k W， 中型水电300万k W， 小型水电222万k W。至1998年底， 全 省已开发大型水电占可开发容量的43 %左右， 中型及小型水 电仅占可开发容量的7 %及12 %左右。已开发的各型水电 资源总装机仅占可开发资源的26 %左右。 水电是一种廉价的可再生一次性能源， 无须利用上游产 品 （如煤、 油品、 燃气、 核能等燃料及燃料的开采和长距离运 输） ， 成本低廉， 效益显著。水力发电没有大量的废弃物， 无 环境污染， 可称 “绿色” 能源。由于开发水电资源具有上述优 势， 欧美经济发达国家水电开发程度大都已达到40 % ! 50 %， 甚至更高。我国产业政策也支持水电开发与发展， 电 力开发提倡水电、 火电并举， 把水电比重达到电力装机的 30 %作为21 世纪初的发展目标。水力发电及大中型水电设 备被列入 当前国家重点鼓励发展的产业、 产品和技术目录 （1997年12月国务院批准， 国家计委发布， 1998 年1月1日 起实行） 以及 当前国家优先发展的高新技术产业化重点领 域指南 （目录） （1999年7月国家计委、 科技部发布） 。 现分析我国水电设备的市场需求状况， 第一， 根据发展 规划， 到2000年全国电力装机要达到3亿k W， 其中水电装 机要达到7 500万k W， 2010 年电力装机容量达5亿k W， 2020 年要达到7亿! 8亿k W。按水电装机比重达到30 %计 算， 这两个10年， 水电装机分别要达到1. 50亿k W和2. 25 亿k W左右。据有关资料， 至1998年底， 全国现有电力装机 2. 68亿k W， 水电、 火电装机2. 659 亿k W， 其中水电装机 6 506. 5万k W。因此，1999 ! 2000 年每年水电装机平均要达 到500万k W， 2001 !2020 年每年水电装机平均要达到750 万k W左右。第二， 我国目前电力能源结构， 火电比重偏大， 电网调节能力较差。根据电网调节的要求， 需要装设一定容 量的抽水蓄能机组， 按达到较好调节能力的要求， 蓄能机组 应达到总装机容量的10 %以上。据此推算， 到2000年我国 大陆电力装机达3亿k W， 则蓄能装机应达3 000万k W， 而 大陆现有蓄能装机 （已建和在建项目容量总和） 仅860万 k W， 仅占现有电力装机的约3 %。由此可见， 我国电力工业 对蓄能机组的需求将相当巨大而迫切。第三， 老水电站的更 新改造， 早期建设的水电工程， 已运行了几十年， 相继进入老 化期， 面临机组及电站的更新改造。限于当时的技术水平， 这些工程一般参数较低， 设备综合性能较差， 造成事实上的 水资源浪费， 因而更新改造时具有较大幅度的增容潜力 （初 步估算可增容10 % !20 %） 。第四， 国际市场对水电设备的 需求， 我国加入WTO以后， 水电设备将有进入国际市场的 机会， 特别是中小水电设备， 我国制造经验丰富， 在价格和技 术上有一定的竞争优势。 综上所述， 在今后一段时期内， 新增常规水电装机， 抽水 蓄能机组， 老水电站的更新改造及国际市场的需求等， 都将 是我国水电设备制造业现实的及潜在的市场资源。在世纪 之交， 国家启动了气势恢弘的西部大开发经济发展战略， 西 部的优势在资源， 包括其蕴藏巨大的水资源。由于西部经济 发展较为缓慢， 经济基础较为薄弱， 鉴于水资源开发利用在 经济可持续发展中的举足轻重的作用， 在西部开发中， 必将 倚重和加快水资源 （包括水电资源） 的合理开发、 利用和保 护， 由此也将期待我国水电设备技术有一个快速的发展， 期 待具有高新技术的水电设备产品问世。 61 甘肃水利水电技术第38 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 卷 ! 对我国水电设备制造业在新世纪中发展的若干思考 我国水电资源巨大的蕴藏量和广阔的开发前景， 为水电 设备制造业及相关行业提供了一个长期的巨大市场， 水电设 备制造业有数十年研究、 开发、 制造水电设备的经验和高速 发展的基础， 在很大程度上可以支持我国水力发电的需要。 但是大量的事例显示， 一方面我国需要引进巨型及大型常规 水电机组、 蓄能机组、 灯泡贯流机组及其附属设备及技术， 另 一方面国内市场又呈现出供给能力过剩， 相对需求不足这样 一个显得矛盾的局面。业内竞争日趋激烈， 部分企业经营维 艰。究其原因， 除了我国水电设备制造业发展历程短， 技术 水平受到经济、 科学技术以及相关产业技术发展程度的制 约， 我国水电设备技术与国际水平有差距等原因以外， 也与 我国水电设备产业竞争与发展机制不相适应， 不够完善， 市 场建设滞后有关。面对我国改革开放的进一步深化， 向社会 主义市场经济转型以及科学技术与经济全球化的这样一种 经济格局中， 中国企业面临世界的开放市场， 中国市场也将 向国外企业逐步开放， 仍囿于局部或地域市场各领风骚的水 电设备制造供应格局将行不通。为此， 我国水电设备制造业 首先必须更新观念， 遵循和适应市场规律， 以市场机制适应 市场， 参与竞争， 抓住机遇， 发展自己。其次， 也应从分析产 业的现状出发， 找出影响产业发展的内部的深层次的原因， 寻找出促进我国水电设备技术和产业发展的对策， 并付之实 施， 方能推动我国水电设备制造业的长远发展。 4. 1 产业现状分析 （1）我国水电设备制造业， 尤其是中小型企业， 存在布 点过多、 分散、 重复建设的状况， 产业结构不合理， 不能形成 规模经营。由于水电设备制造业通常被认为技术壁垒不高， 有些涉足其内的企业技术质量意识、 市场意识淡薄， 缺乏实 际市场竞争的砥砺。即使在改革开放20年以来的今天， 有 些企业在经营思想， 营销策略上仍未有较大的改观和实质性 的举措； 在企业技术改造和高新技术的应用方面仍重视不 够， 投入不足， 甚至至今未能取得ISO 9000（GBT19000） 系 列等资质认证。 （2）有些中小型制造厂因陋就简， 设备陈旧， 工艺技术 落后， 技术开发能力较低和技术储备不够， 信息化技术投入 不足， 甚至至今不能全面推广应用CAD、 CAM技术。国际上 普遍采用五轴数控镗铣床等先进加工设备加工水轮机叶片 等关键部件， 国内仅有少数企业有此类设备， 但仍以传统工 艺技术为主， 产品质量水平难以普遍提高。 （3）技术转化较慢， 我国现有数家试验台， 具有一定的 研究、 开发能力， 但是有些成果尚不能尽快优化和完善试验， 或难以迅速转化成产品加以推广。行业整体的发展也相对 缓慢， 例如， 从1974年的水轮机暂行系列型谱到1993年的 中小型混流式水轮机型谱， 历经20余年， 尚未形成完整的系 列型谱和完善与更新。 （4）无序竞争现象的存在， 使市场竞争蜕变为单纯的价 格竞争， 失去了竞争提高发展的真实意义。影响到水电设备 产品质量的提高， 对水电设备技术和水电设备行业的发展起 到了阻碍作用， 使我国水力发电业和设备制造业都蒙受了较 大损失。 4. 2 发展对策 （1）为适应现代经济的发展和水电设备的市场形势， 使 我国水电设备进入和拓展国际市场， 我国水电设备制造业， 必须建立现代企业制度， 实行优化资产组合及资源配置， 进 行资产重组和企业购并， 壮大和发展优势企业； 必须进一步 加强改革开放， 增强市场意识， 参与国际国内竞争； 必须调整 产业结构， 形成规模经营， 提高发展能力和抗风险能力。并 购和重组， 实际上是现代产业和经济发展与运行的一种模 式。国际水电设备制造业重组、 并购的事例屡见不鲜。 （2）必须注重企业的技术改造， 加强企业的软硬件建 设。如生产场所建设和完善， 生产设备的设置等； 采用先进 的试验、 设计、 加工制造和检测设备来装备企业； 注重生产、 管理、 营销、 服务等素质的完善和提高； 延揽企业发展、 技术 提高所需的专业人才等。 （3）开展技术创新， 提高产品质量和市场竞争能力， 包 括采用新技术、 新工艺、 新材料及新结构等。鉴于中国水电 设备行业从水力研究、 制造工艺、 产品性能及质量与国际水 平的差距， 必须提高中国水电设备制造业的整体水平。为 此， 必须在学习和消化吸收国外先进技术的同时， 加强具有 高新技术的新产品的研制， 自主开发具有自主知识产权的高 性能产品。要全面导入和推广信息技术化， 即通过计算机系 统的数据处理技术， 全面推广普及包括水轮机水力模型研究 在内的CAD（计算机辅助设计） 、 CAM（计算机辅助制造） 、 M IS（管理信息系统） 、CI M S（计算机集成制造） 技术和敏捷制 造技术等先进技术以及水电机组控制保护、 自动化设备的信 息技术化、 智能化及其相应的软件等， 以期全面提高我国水 电设备及制造业的质量水平、 竞争能力和发展水平。 （4）注重和提高水电设备及技术服务业 （包括现场技术 指导、 技术咨询、 技术培训等） 在企业经营中的比重。技术服 务水平的提高也是我国水电设备制造业整体水平提高的标 志之一。 结语 21 世纪的中国水电设备制造业面临的空前的发展机遇 时不我待。中国水电设备制造业应当在吸收国际先进技术 和经营管理经验的基础上， 开展制度创新和技术创新， 要用 信息技术来全面提升行业水平。中国作为水电资源丰富、 水 电设备需求和供给资源大国， 水电设备制造业也必将获得巨 大发展。 参考文献： 1 梅祖彦.加速发展抽水蓄能建设是我国电力工业的重要任务 J . 水利水电技术， 1998，29（10）. 2 沙锡林.我国水力发电设备在20世纪90年代的发展 J . 水 利水电技术， 1998，29（10）. 3 史玉珍.我国水电建设的前景及其对水轮机技术发展的要求 J . 水利水电技术， 1989，20（3）. 4 张志超， 王知衍， 高国安.敏捷制造的发展现状及其问题探讨 J . 机械研究与应用， 1999， （2） . 71 第1 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 期梁章堂： 中国水电设备技术及水电设备制造业发展的思考 中国水电设备技术及水电设备制造业发展的思考中国水电设备技术及水电设备制造业发展的思考 作者：梁章堂 作者单位：甘肃省水利水电勘测设计研究院,甘肃,兰州,730000 刊名： 甘肃水利水电技术 英文刊名：GANSU SHUILI SHUIDIAN JIS