世界最大水轮机——三峡70万千瓦水轮机组研制概况(上

世界最大水轮机

——三峡70万千瓦水轮机组研制概况(上)

工程总投资：150亿元以上

工程期限：1996年——2012年

三峡左岸电站厂房入口

三峡水电站是目前世界最大的水电站，这里安装着世界最大的水轮发电机组。在三峡泄洪坝两侧底部的水电站厂房内，共安装有32台70万千瓦级水轮发电机组；其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，右岸地下厂房6台，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦；相当于20座百万千瓦级核电站，比巴西伊泰普水电站多了850万千瓦。左岸厂房和右岸厂房已建成投产的26台机组，日均发

电量3.3亿度，满负荷运行可达4亿度，年发电量近1000亿度，约占全国发电量的33分之一。

三峡水电站安装的32台70万千瓦水轮机组是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮发电机组。大型水轮发电机组是水电站核心设备，也是制造难度最高的顶尖工业产品之一，涉及众多复杂加工技术。长期以来，核心技术一直为少数发达国家所垄断。

在1996年三峡左岸14台机组招标前，全世界已建成的70万千瓦水机组仅有21台，分别位于美国大古力（Grand Coulee）水电站和巴西伊泰普（Itaipu）水电站。1970年代，加拿大通用电气公司（GE Canada）和美国阿里斯-查尔摩斯公司，为当时世界最大的水电站——美国大古力水电站第三厂房建造了3台70万千瓦水轮发电机，这三台机组原来按照60万千瓦水轮机设计，后来改进了水轮机转轮，使转轮直径放大到9.23米。首台机组于1978年4月建成投产，成为世界第一台额定出力达到70万千瓦的水轮发电机组。

1980年代，法国阿尔斯通、瑞士ABB、德国Voith以及加拿大通用电气、德国西门子等企业，共同为巴西和巴拉圭两国合建的伊泰普水电站，制造了18台两种规格的70万千瓦水轮机组，陆续于1984年5月至1991年5月间投产发电，使其一跃成为当时世界最大的水电站。2001年，伊泰普水电站又在预留机坑位置扩建2台70万机组，使装机总量从1260万千瓦增加到1400万千瓦。

三峡电站厂房和混流式水轮机结构示意图何谓水轮发电机组

水轮机由古代的水轮、水车演变而来，其工作流程为上游水库中的水经大坝引水管，流入坝体下方发电厂房的蜗壳、导水机构及水轮机转轮中，将势能转化为推动转轮叶片旋转的动能。转轮通过主轴与发电机转子联轴，带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电，再经过变压器升压通过输电线路将电力输出到电网中。水轮机中作完功的水则通过大坝尾水管排向下游。

水轮机按工作方式可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。三峡电站采用的混流式机组是使用最广泛的一种。1827年法国工程师B.富尔内隆制成6马力的反击式水轮机，1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进，形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，被称为卡普兰水轮机。到20世纪40-50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。随着二战后水电开发的进展，水轮机的性能和结构日趋完善，功率有了大幅提高。

美国大古力水电站第三厂房745MW水轮机转轮吊装时的照片，该转轮直径9.23米。三峡水轮机组引进背景

三峡工程作为超大型水电工程，其水轮机组性能好坏是影响工程效益的关键所在。自孙中山先生提议开始，三峡工程经历了漫长的过程，水轮机组设计方案也一再变更。1944年5月，民国政府邀请美国垦务局总工程师萨凡奇博士来华查勘三峡，在其撰写的《扬子江三峡计划初步报告》中提出安装96台11万千瓦水轮机组用于发电，装机总量1056万千瓦。可当时濒临崩溃的国民经济，根本无力支撑这样庞大的工程。1947年5月，国民党政府明令中止了三峡水力发电计划。

1956年，在是否兴建三峡工程大争辩中，长江水利委员会设定的单机装机容量提高到了30-40万千瓦。1984年4月，国务院审查的三峡150米低坝方案，计划安装26台50万千瓦机组，装机容量1300万千瓦。到1989年3月，长江水利委员会重

新编制的175米方案，计划安装26台68万千瓦机组，装机容量提高到1768万千瓦。当时美国大古力电站70万千瓦机组已经运行，巴西伊泰普18台70万千瓦机组也陆续投入运行。因此到1993年7月，国务院三峡工程建设委员会决定将单台机组额定容量由68万千瓦增加到70万千瓦，总装机容量提高到1820万千瓦。2008年9月，又获批在三峡右岸白岩尖地下厂房增设6台70万千瓦机组和2台5万千瓦电源机组，使装机总量提高到2250万千瓦。

70万千瓦水轮发电机组对于基础薄弱的中国水电设备制造行业提出了挑战。1949年新中国成立时，我国仅有上海、重庆等地生产过几百马力的小型卧轴混流式水轮机。1951年组建的哈尔滨电机厂制成我国第一台800kW立轴混流式机组。1959年为新安江水电站制成7.25万千瓦混流式机组。此后相继成立了德阳东方电机厂、重庆水轮机厂、杭州发电设备厂、天津发电设备厂等一批企业，为我国水电行业发展奠定了基础。1968年哈尔滨电机厂为刘家峡水电站制成22.5万千瓦机组，1972年制成改进型的30万千瓦机组。

1979年和1980年，东方电机厂和哈尔滨电机厂分别为葛洲坝水电站制成转轮直径11.3米(世界最大转轮直径)的17万千瓦机组，以及转轮直径10.2米的12.5万千瓦转桨式机组。1984年东方电机厂为青海龙羊峡研制了32万千瓦大型混流式机组，1989年哈尔滨电机厂为广西岩滩水电站制成转轮直径8米的30.25万千瓦混流式机组。

综上所述，在三峡工程建设前，我国国产最大的水轮机组是1987年在青海黄河龙羊峡水电站投产的的32万千瓦水轮机组，与美国、苏联在70年代研制的60-70万千瓦机组有着相当大的差距。虽然国家从80年代早期就开始对三峡工程机电设备进行技术攻关，但仍缺乏实际制造经验。

在这种情况下，国家决定以三峡工程为契机，通过国际招标，引进国外先进技术，提升我国企业竞争力。以哈尔滨电机厂(哈电)和东方电机厂(东电)牵头，实现70万千瓦水轮发电机组国产化。在90年代全球水电行业处于低谷的情况下，三峡工程这笔世界最大水电机组采购项目，对跨国公司无疑具有强大的吸引力。