水電水利規劃設計總院李定中

本文介紹了我國二灘、龍灘和三峽水電站水輪發電機國際招標模式，並回顧龍灘等水輪發電機全空冷方案的確定及所采取的相應措施。通過近30年的共同努力，我國巨型水輪發電機設計和製造，實現了從跟跑、並跑到領跑的曆史性跨越。

1二灘模式

1.1 二灘機組國際招標簡況

二灘水電站為20世紀末建成的全國最大容量的水電站，占四川電力係統總容量的30%左右，其總裝機容量為3300MW, 多年平均年發電量17000GWh，1998年7月第一台機組投產發電，2000年6台機組全部並網。

二灘水電站部分利用世界銀行貸款，采用國際競爭性招標方式，以采購質量優良、運行可靠和價格合理的永久機電設備。第一組標水輪機、發電機和計算機監控係統的國際招標標書於1992年11月30日發售，1993年5月14日開標。水輪發電機組的評標報告經世界銀行和我國政府有關部門批準後，經評標加拿大GE公司中標，1994年3月簽訂合同。

受原二灘水電開發公司委托,由成都勘測設計研究院（下稱“成都院”）機電處負責編製二灘機電設備國際招標文件，美國哈紮國際工程公司擔負標書的谘詢工作。標書編製過程中先後經過哈紮公司的4次谘詢，通過原能源部等相關部門的審查和批準，其中技術規範和圖紙還通過世界銀行機電特別谘詢團的最終審查。

美國哈紮專家對我們的標書予以充分肯定，認為二灘機組標書是他們見到的水平最高的。參加標書送審稿審查的許多國內專家也對標書給予了較高的評價。

初步分析, 二灘機組的國際招標是成功的。一則采購到當時具有世界先進水平的水輪發電機組；二則“技貿結合、合作製造”，有利於提高國內機組設計製造水平；三則通過嚴格公正的國際競爭性招投標，極大降低了機組造價，為國家節省大量外彙和資金（二灘水輪發電機組開標價按額定容量550MW計為43美元/kW, 若按連續最大容量610MW計則僅為39美元/kW，而按總重量計則為7912美元/t）。

1.2“斜向/對角線分割”招標模式

二灘水電開發公司和成都院共同首創“斜向/對角線分割”的國際招標模式。

1.2.1外幣與人民幣混合招標

由於從世界銀行獲得的外幣貸款有限，不足以支付二灘6台機組的采購費用,同時6台機組全部從國外采購,也不符合我國“技貿結合、引進技術、合作製造、逐步形成國產化能力”的政策。另一方麵，還需考慮二灘6台水輪發電機組技術性能和設計布置的統一，以及運行、維護和檢修方便。為此，本組標書采取6台機組統一招標的方式，但鼓勵外商在全麵負責機組質量和進度的前提下，盡可能多地將製造份額分包給有資質的中國製造廠家，其製造的設備用人民幣支付。

1.2.2技貿結合，提高國內機組製造水平

以當時建設的“五朵金花”水電站為標誌，國內兩大電機製造廠（東方電機股份有限公司和哈爾濱電機廠有限責任公司，下稱“東電”和“哈電”）已生產的水輪發電機組最大單機容量為300～320MW，但發電機推力軸承等關鍵部件的製造水平有限，要獨立設計製造二灘550MW級的大容量機組尚有較大難度。所以，在投標者資格中規定了400MW的界限，這樣，世界上隻有4~6家著名的、有足夠經驗和能力的外國承包商有資格投標，國內製造廠家隻能以分包的形式參與合作製造。６台機組的質量和進度由外國主包商全麵負責。同時，投標前中國製造廠可以與參加投標的所有外商簽訂意向性分包協議，外商也隻有將部分設備在中國製造才能消納人民幣。這樣，無論哪家外商中標，國內製造廠都可獲得相對可觀的製造份額。

在標書中明確規定外商必須製造的機組重要部件的“斜向/對角線分割”表，即從第1、2台機組基本上由國外製造逐步過渡到第5、6台機組由國內分包商製造。為此，外商勢必要將與這些重要部件有關的設計、製造和工藝技術轉讓給中國製造廠，使我國水輪發電機組的製造能力提升到單機550MW級的水平。

如果采用允許國內製造廠單獨投標或者與外商組成聯營體投標的招標方式，由於這兩種投標方式具有排他性，一旦國內製造廠單獨投的標或由它參與的聯營體投的標落選，中標的外商就無法消納人民幣，而國內製造廠也得不到製造份額，二灘水電開發公司隻能用全額外彙支付外商，既不利於控製外彙，也不利於提高國內製造能力。反之，若國內製造廠單獨中標，鑒於機組設計製造難度相當大，其質量、性能和運行可靠性等可能難以達到要求，不僅達不到“引進技術、合作製造、國產能力上台階”的要求，還將嚴重影響二灘水電站的還貸能力和總體效益。

2龍灘模式

2.1能空冷就不要水冷

在三峽左岸14台700MW水輪發電機招標采購全部采用水冷方案後，我國後續的龍灘、小灣和拉西瓦共計18台700MW水輪發電機的招標采購當初也均考慮采用水冷方案。

筆者經曆了二灘水輪發電機國際招投標的全過程，特別是通過對二灘發電機水冷和空冷方案的反複研究和論證比較，充分認識到國內外發電機通風冷卻技術近年來已有較大進步，而在每極容量高達14.57MVA的6台二灘全空冷發電機於2000年全部並網成功運行之後，認為對於每極容量僅為10MVA的三峽機組，實在沒有必要采用水冷方式。龍灘700MW發電機每極容量為13.9MVA，與二灘發電機水平相當，采用全空冷技術應是有把握的。如後續3個電站多台700MW水輪發電機仍采用水冷方案，國內廠家將長期受到國外定子水冷線棒、水處理設備及其監控係統等關鍵設備製造和價格的製約，國產化不知要拖延到何時才能實現。而且，水冷方案的致命缺點是定子繞組水接頭多，加上複雜的純水處理係統，運行可靠性較差，萬一純水係統泄漏或密封故障將是致命的。充分認識到：“能空冷就不要水冷”。

正當其時，筆者從成都院調動到水電總院，受業主的委托，作者代表水電水利規劃設計總院於2001至2003年期間，主持了龍灘、小灣和拉西瓦等水輪發電機組招標文件的審查。考慮到業主的意願，根據設計院、絕大多數國內專家的意見，特別是哈電、東電等國內外主機製造廠家的技術交流資料和分析論證報告，審查意見同意將龍灘、小灣和拉西瓦等水輪發電機由原水冷方式改為空冷方式。

2.2對全空冷方案應采取的必要措施

由於我國哈電、東電等電機製造廠首次設計製造700MW級大型空冷機組，在這些機組設計審查、招標文件谘詢、合同談判及設計聯絡會等不同場合，我們特別強調應采取如下措施，在所花代價不大的情況下，寧可適當多留點裕度，盡可能將空冷方案的風險降到最低。目的是確保發電機空冷方案的順利實施並為今後成功投運打下較好的基礎。在機組成功投運後，再係統總結經驗、教訓，看看這些裕度或措施是否保守、必要和合理。

1）鼓勵國內製造廠與有資質的國外廠商進行發電機冷卻方案的聯合設計，同時也要信任我國主機製造廠近年來通過引進技術、合作製造已具備較為豐富的設計、製造、運行經驗和堅實的計算軟件、模型試驗以及人才等技術儲備。在設計聯絡會上，要求業主、設計院和製造廠共同研究和分析發電機通風冷卻結構設計的合理性；

2）強調進行發電機通風模型試驗。建議明確規定在投標前或合同簽訂後應進行發電機通風冷卻模型試驗，並隨投標文件提交發電機通風冷卻計算和模型試驗的分析論證報告；

3）嚴格控製定子鐵芯的材質和熱源。建議招標文件明確規定定子鐵芯矽鋼片在B＝1T時的單位損耗不高於1.05W/kg；

4）同意發電機定、轉子繞組溫升限值分別為75K和85K，以適應啟動頻繁且出力變化較大的工況下適當降低其熱應力並留有一定裕度；

5）建議“空氣冷卻器應具備至少15％的設計裕度，當15％(且至少一台)的空氣冷卻器退出運行時，發電機應能在額定運行工況下長期安全運行”。

2.3龍灘模式的成功實施

龍灘水電站水輪機/水輪發電機招標文件於2002年3月11日發售，哈電、東電、天津阿爾斯通發電設備股份公司、上海希科水電設備有限公司等4家前來購買標書。根據招標文件對投標單位資質的要求，上述4家公司均沒有獨立設計過容量為500MW以上巨型水電機組，需尋求國外合格廠家聯合設計、合作製造。經過多次談判和協商，最終形成哈電與天津阿爾斯通發電設備股份公司、東電與德國VOITH SIEMENS公司（其控股公司上海希科水電設備有限公司作為主要分包方）合作組成合格的投標商參加龍灘機組投標的格局。2002年9月2日開標，哈電和東電按時提交了投標文件。

借助三峽工程的設計製造經驗，哈電、東電均引進國外先進的水輪發電機組設計、計算程序和設計理念，進一步改造和更新加工設備，加上原有研發技術的積累，以及與國外公司的合作，哈電和東電均具備了一定的設計和製造700MW級巨型水輪發電機組的能力。

最終，哈電與法國ALSTOM公司合作中標龍灘全空冷水輪發電機，東電與德國VOITH SIEMENS公司合作中標龍灘水輪機。

3三峽模式

對於發電設備的製造，國務院三峽建設委員會的決策是，走“技貿結合、技術轉讓、聯合設計、合作製造”之路，逐步實現三峽水輪發電機組的國產化。

3.1三峽左岸電站招標

1996年6月24日，中國三峽總公司在人民大會堂舉行了三峽左岸14台機組的國際招標發布會。招標文件明確規定：投標者對供貨設備的經濟和技術負全部責任，技術受讓方分別是哈電和東電。同時，招標文件中首次明確要進行技術轉讓。技術轉讓的內容由國內製造企業提出清單，包括中方設計製造機組所需的全部技術。

最終，德國福伊特、加拿大GE水電公司與西門子組成的VGS聯營體中標6台，與東電合作。法國阿爾斯通和瑞士ABB組成的聯營體中標8台，與哈電合作。

3.2三峽右岸電站和地下電站招標

2004年，三峽右岸的12台700MW機組開始招標。考慮到國內哈電和東電兩大廠家經過三峽左岸機組的聯合設計、合作製造、技術引進和消化吸收，已具備與國際知名水電供應商同台競爭的能力，三峽工程公司和長江勘測規劃設計研究院為促進我國巨型水輪發電機的自主化，敢於擔當，讓國內哈電和東電有資格獨立參與投標。同時，對發電機的冷卻方式也全麵放開，由投標人根據自己的設計、製造及運行經驗提出最佳方案。

哈電繼龍灘空冷水輪發電機成功中標之後，采用自主研發的全空冷方式，而且對全空冷方案進行了仿真計算和通風模型試驗。投運後測試結果表明，各項考核指標滿足合同要求。通風係統的模型試驗數據、真機數據和設計計算數據吻合。哈電840MVA全空冷水輪發電機的研製成功，起到先鋒和突擊的示範作用，使我國水輪發電機電磁設計、通風設計、絕緣技術、軸承技術、結構設計、製造工藝等方麵的技術得到整體提升。

為此，右岸電站出現了兩種冷卻方式，即ALSTOM和東電各4台發電機采用半水冷方式，哈電4台發電機采用全空冷方式。

蒸發冷卻是20世紀80年代研發的一種新型冷卻技術。對它的應用、特別是在巨型水輪發電機上的應用引起國內外高度重視。三峽總公司大力支持中國科學院電工研究所與東電、哈電等有關設計、科研、製造單位通力合作，將蒸發冷卻技術應用到700MW級水輪發電機上，並進行局部真機模擬試驗和數值仿真計算，解決了蒸發冷卻技術在巨型水輪發電機工業化應用的一係列技術難題。

在此基礎上，決定在三峽地下電站的2台東電機組上采用蒸發冷卻技術。這是我國自主創新的蒸發冷卻技術首次成功應用於當時世界最大容量等級的水輪發電機，為巨型水輪發電機提供了一種全新高效安全的冷卻技術選型參考和運行經驗積累。

哈電則成功中標了三峽地下電站的2台全空冷水輪發電機。

當時，幾家老牌外國企業處於第一梯隊，實力相當。從左岸到右岸，既是我國巨型機組自主研發的起點，也是中國水電騰飛的起點，中國水電在此時期開始積累實力，蓄勢待發。

為進一步促進國內企業提高自主創新能力，三峽公司積極創造條件，並提供大量資金，促進哈電、東電在左岸電站機組引進技術、消化和吸收的基礎上加大研發力度，繼續開展科研攻關，實現再創新。通過反複研究和試驗，哈電、東電在電磁設計、定轉子繞組絕緣、全空冷通風係統、蒸發冷卻等方麵均取得突破性進展，擁有自主知識產權核心技術，具備與國際水電巨頭同台競爭的能力。標誌著我國水電機組製造技術初步達到世界先進水平，自主設計、製造、安裝巨型水輪發電機組的時代已經到來。

3.3溪洛渡和向家壩水電站招標

2008年8月，三峽公司通過國際招標和水輪機模型同台對比決定：哈電中標溪洛渡水電站左岸6台770MW水輪發電機組和向家壩左岸4台800MW水輪發電機組；東電中標溪洛渡水電站右岸9台770MW水輪發電機組；天津阿爾斯通公司中標向家壩右岸4台800MW水輪發電機組；上海福伊特西門子公司中標溪洛渡左岸電站3台770MW水輪發電機組。

2013年7月，向家壩和溪洛渡水電站成功並網發電，單機容量分別達到800MW和770MW，分列世界一、二。國內兩大廠已達到世界先進水平，處於與國際水電著名廠家並跑的地位。

3.4白鶴灘和烏東德水電站招標

白鶴灘水電站，共裝設16台機組，單機容量1000MW為世界最大，總裝機容量16000MW。烏東德水電站共裝設12台單機容量為850MW的水輪發電機組，總裝機容量10200MW。

評標結果，2015年6月哈電中標白鶴灘右岸電站8台1000MW全空冷水輪發電機組，東電中標白鶴灘左岸電站8台1000MW同類型機組；GE公司中標烏東德6台機組及其附屬設備，由GE天津水電工廠進行本地化生產；上海福伊特水電設備公司中標另6台機組及其附屬設備。

白鶴灘水電站2021年6月首批機組發電，2022年12月全部機組投產發電；2021年6月16日，烏東德水電站的12台機組全部成功投產發電。

4曆史性的跨越

近年來，隨著二灘、龍灘、小灣、拉西瓦、三峽、溪洛渡、向家壩、烏東德和白鶴灘等多個水電站巨型全空冷水輪發電機組的成功並網運行，人們對水輪發電機采用全空冷技術已逐步形成了共識。全世界在建和投運的700MW及以上機組127台，其中104台在中國。

值得我們欣慰和自豪的是，我國哈電和東電兩大廠不負眾望，在努力學習和吸收國外先進技術的基礎上，經過多年艱苦卓絕的研製和創新，均已迅速掌握一係列具有世界領先水平的核心技術，諸如水力開發試驗技術及其設計軟件、水輪機效率的優化、轉輪動應力研究、長短葉片結構轉輪、機組穩定性研究（含特殊壓力脈動）、巨型發電機全空冷技術、磁極繞組空內冷技術，發電機電磁設計、24kV高電壓絕緣技術、平衡受力新型轉子支架、巨型機組推力軸承試驗和製造技術、機組關鍵部件剛強度設計計算與振動分析技術、高強度材料研究與應用、轉輪等關鍵部件製造工藝和質量控製等。

特別是，在2021年6月28日，哈電研製的世界最大單機容量1000MW的白鶴灘水電機組率先並網發電，習近平總書記向首批機組發電致賀信，賀信中評價：“全球單機容量最大功率百萬千瓦水輪發電機組，實現了我國高端裝備製造的重大突破”。2022年12月20日，在建規模世界第一、裝機規模全球第二大水電站——金沙江白鶴灘水電站最後一台機組完成72h試運行，正式投產發電。至此，國內哈電和東電兩大廠設計製造的擁有自主知識產權的16台1000MW全空冷水輪發電機組全部投產發電，徹底奠定中國水電在世界水電領域的引領地位，實現了曆史性的巨大飛躍。

參考文獻

【1】李定中，範維“二灘機組國際招標的特點和編標體會”，（水電站設計，1993年01期）

【2】李定中“論巨型水輪發電機冷卻方式的選擇”，（水力發電，2007年12期）

作者簡介：李定中，1945年5月生，男，漢族，重慶人。水電水利規劃設計總院原副總工程師，教授級高級工程師，長期從事水電工程機電設計和機電行業技術管理工作。電子郵箱：lidingzhong@sina.com。