1  概述
1.1  哈电情况简介
哈尔滨电机厂有限责任公司（简称哈电）是我国生产大型发电设备及其配套控制设备的重点骨干企业。哈电生产的水轮发电机组约占国产大、中型水电机组总装机容量的1/2，汽轮发电机约占国产汽轮发电机总装机容量的1/3。哈电拥有自主研发、设计、制造能力，主导产品有：水轮机、水轮发电机、汽轮发电机、电站主机配套的控制设备等。
哈电拥有工程技术人员1700多人，约占职工总数的1/3。其中博士、硕士50多人。2005年和2007年，国家科技部以哈电为依托，组建了国家水力发电设备工程技术研究中心和水力发电设备国家重点实验室。公司现已形成年产30000MW汽轮发电机、5000MW水轮发电机组的生产能力。2007年完成产量32000MW，其中水电6080MW，产值56亿元，创利11.29亿元。
1.2  哈电水电产品的发展
建厂初期，依靠从国外学习归来的工程师们凭借美国摩根.史密斯公司的资料指导研制了共和国第一台云南苏雄800KW水轮发电机组。1954年开始学习前苏联技术，设计制造了72.5MW的新安江机组。1959年建立哈尔滨大电机研究所，增强自主开发能力。从1960年起，在“自力更生、奋发图强”的方针指引下，1964年设计制造了100MW的云峰机组，1968年及1972年分别设计制造了225MW和300MW的刘家峡机组。八十年代设计制造了白山300MW转轮直径5.5m混流式机组、125MW转轮直径10.2m的葛洲坝轴流式机组。
改革开放后，哈电的技术发展进入与国外合作吸收先进技术阶段，按国际标准设计制造了加拿大尼泊温93MW水轮机埋件、鲁布格项目与挪威KEN合作制造高水头150MW混流式水轮发电机组、与GE合作制造了清江隔河岩300MW、二滩550MW混流式水轮发电机组；与德国的Voith合作制造了五强溪240MW转轮直径8.3m混流式水轮发电机组，与日本Hitachi合作制造了水口200MW世界上最大容量的轴流转桨水轮发电机组和凌津滩、洪江、长洲、康扬等大型贯流式水轮发电机组。在此期间自主开发设计制造了天生桥二级225MW、岩滩302.5MW转轮直径8m 的大型混流式水轮发电机组。
1997年9月，三峡左岸分包和技术转让协议签订后，哈电全面接受了法国ALSTOM-瑞士ABB-挪威KEN联合体三峡700MW混流式水轮发电机组设计制造关键技术，并通过消化吸收完成了左岸的分包任务，独立制造的左岸机组达到国外同等水平。在三峡右岸的国际招标中，哈电独立中标4台，在引进技术的基础上并结合自主开发与创新，制造的具有自主知识产权最大容量840MVA全空冷机组在2007年7月成功投运。由此，通过多年的技术积累和引进技术的消化吸收及不断创新，哈电大型水电机组的技术水平和制造能力有了跨越式地发展，迈入了具有国际竞争优势的企业行列。
目前哈电正在制造三峡右岸及地下厂房、龙滩、小湾、拉西瓦、向家坝、溪洛渡等电站共50多台套单机容量600MW以上级的巨型水轮发电机组，开始了在大型水电机组制造上完全用自主研制的设备装备我国电站的新时代。
表1                   哈电制造的单机额定容量550MW以上级机组
序
号    电  站
名  称    单机额定
容量/台数
(MW)/(台)    最大水头/
额定水头
(m)/(m)    转速
(r/min)    水轮机转
轮直径
D1(m)    哈电发电机
冷却方式    哈电制造份额    状态
1    二  滩    550/6    189.2/165    142.9    6.26    全空冷    GE主包，哈电分包1整台    投运
2    三峡左岸    700/14    113/80.6    75    10.43    半水冷    Alstom主包8台，哈电分包份额超过30%,2台整机，水轮机转轮６台    投运
3    三峡右岸及
地下厂房    700/18    113/85    75    10.44    全空冷    6台水轮发电机组    投运3台
4    龙  滩    700/7    179/138.5    107.1        全空冷    7台发电机    投运4台
5    拉西瓦    700/6    220/205    142.9        全空冷    6台发电机    制造中
6    小  湾    700/6    251/216    150        全空冷    6台发电机    制造中
7    构皮滩    600/5    200/175.5    125    7.00        5台水轮机    制造中
8    锦屏I级    600/6    240/200    142.9        全空冷    6台发电机    制造中
9    糯扎渡    650/9    215/187    125    7.30        6台水轮机    制造中
10    官  地    600/4    128/115    100        全空冷    4台发电机    制造中
11    长河坝    650/4    218/200    142.9    6.70    全空冷    4台水轮发电机组    制造中
13
    溪洛渡    770/18    229.4/197    125    7.62    全空冷    6台水轮发电机组    制造中
14    向家坝    800/8    114.2/100.0    75    9.95    全空冷    4台水轮发电机组    制造中
2  大型水轮机水力设计技术进步
2.1  先进的水力设计与试验技术
转轮是水轮机的核心部件，性能直接影响机组运行的经济性和安全稳定性。特别是对于大型水电机组，效率的高低对电站运行的经济效益影响甚大，机组由于容量大、尺寸大，振动和运行的稳定性得到广泛地关注。因此，现代大型机组水轮机最高效率和加权平均效率不断提高，机组要求在无空化状态下运行，稳定性指标如压力脉动、叶片正背面空化脱流、叶道涡、卡曼涡要求越来越严格。
20世纪90年代末，在水轮机模型转轮的水力性能上，哈电与国外差距较大，许多项目的转轮技术从国外引进。通过三峡工程，引入了先进的三维粘性流体计算软件（CFD）和分析方法，以多年积累开发的各种型号和各种水头段设计试验的近千个模型转轮数据库为基础，在水力设计上开始了根据电站的具体要求和目标值以已有优秀转轮为参照，进行改型分析计算，实现为电站“量体裁衣”开发转轮的阶段，水力设计水平得到跨越式提高。
在模型试验技术方面，开发了转轮流态成像的观察系统，可以在以往只能观察到尾水管涡带和转轮叶片部分的流态之外还能清楚地确定叶片间的叶道涡和叶片进水边的脱流状态，从而为模型转轮的进一步修型提供了方向。结合CFD分析技术，使开发的转轮的稳定性大大提高。
通过技术的发展再加上模型试验装置制造精度的提高，很快在转轮水力设计上赶上了世界先进水平。近年来开发了一大批性能优良的模型效率超过94%的转轮用于国内外大型水电站，某些项目效率超过95%，在国际竞争中改变了要靠国外提供水力设计技术的历史，实现了用我们自主开发的达到国际先进水平的水轮机转轮来装备电站的目标。

表2     哈电2000年后自主开发的部分单机额定出力150MW以上的水轮机主要参数
电站名称    最大水头/额定水头
(m)/(m)    水轮机额定出力/台数
(MW)/(台)    模型最高效率ηm
（%）    转轮直径D1
(m)
伊朗卡伦I    165.2/148.9    254/4    93.60    4.54
伊朗卡伦III    179/161    255/8    93.50    4.54
伊朗苏里曼    150.5/139.6    242/4    93.10    4.50
乐滩(轴流)    31.5/19.5    153.1/4    93.15    10.40
公伯峡    106.6/99.3    306/5    94.82    5.80
三峡右岸    113/85    710/4    94.63    10.44
戈兰滩    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
构皮滩    200/175.5    609/5    95.17    7.00
光  照    164.42/135    265.3/4    94.97    5.05
三峡地下厂房    113/85    710/2    94.78    10.44
沙  沱    74.9/64    284.3/4    94.22    7.10
龙头石    53/45    178.6/4    93.50    7.00
龙开口    80.7/67    367.5/5    94.44    8.00
糯扎渡    215/187    660/6    95.02    7.30
长河坝    218/200    663/4    95.20    6.70
溪洛渡    229.4/197    770/6    95.23    7.62
向家坝    114.2/100.0    800/4    94.78    9.95

2.2  水力开发创新成果举例
1） 三峡右岸
在三峡右岸新转轮的开发中，哈电通过引进技术的消化吸收，采用新的设计理念和方法，开发出了性能全面超过左岸引进技术的新转轮。模型最高效率为94.63%，高于左岸。特别是在稳定性方面有了很大的突破，在整个运行区域内消除了高部分负荷压力脉动，解决了这个一直困扰业内的世界性技术难题。此项成果已被三峡右岸标书规定的由哈电、东电、Alstom、Voith 4家参与在中国水利水电科学研究院同台对比复核试验所验证。成果代替左岸引进转轮用于哈电中标的4台三峡工程的右岸机组上，成为在大型水电设备研制上具有自主知识产权的关键核心技术。该项成果获得了国家发明专利。2007年7月到目前为止，采用该转轮哈电制造的三峡右岸4台机已经投入运行，各项指标满足合同要求，运行稳定。
2） 构皮滩
2004年11月，在贵州乌江构皮滩水电站200m水头段单机容量600MW水轮机开发中，哈电完成了有业主和各方面专家参加的初步试验，各项指标全面达到要求。随后全部的模型试验装置运到瑞士的洛桑国际公认的中立试验室由洛桑的试验专家进行试验测试来进行成果的最终验收，试验于2005年7月完成，水轮机性能全部满足合同要求。模型最高效率达95.17％，加权平均效率为93.25%，转轮具有优良的稳定性。
3） 其他大型项目
哈电近些年相继承接了一批转轮直径φ7.0m及以上的大型混流式水轮机，覆盖了大部分混流式水轮机使用水头范围，如 650MW糯扎渡、长河坝，770MW溪落渡、800MW向家坝等巨型机组。在低水头范围有350MW，转轮直径8.3m的景洪机组和龙头石、沙沱、龙开口等项目，为这些电站开发的转轮效率高、稳定性好，其水力性能已明显优于上世纪九十年代的引进转轮，达到了当前世界先进水平。
3  龙滩、三峡大容量全空冷发电机研制
2002年7月，哈电投出了当时国内仅次于三峡的第二大水电站龙滩（单机最大容量777.8MVA）的水轮发电机组电站的标书。对于这种700MW等级的发电机，哈电的冷却方案并不是左岸引进技术的半水冷，而是创新的全空冷方案。同样，在2003年的10月，三峡右岸单机最大容量840MVA发电机投标时，哈电依然投的是全空冷方案。
大容量水轮发电机关键技术之一是电机的冷却方式。目前主要采用发电机定子线棒水内冷转子空冷即所谓的半水冷和定、转子线棒全空气冷却这两种冷却方式。全空气冷却是发电机转子和定子均采用空气冷却，空气的流动是由旋转部件产生的压头来形成的。这种冷却方式取消了水系统和泵系统，结构简单、运行可靠、安装维护方便、能有效地减少电厂的二次运行费用，得到用户的普遍欢迎。但随着发电机容量的增加，全空冷技术难度越来越大。三峡最大容量达840MVA的发电机，其他国内外公司全部选择了半水冷。
哈电通过多年的自主开发和技术引进，形成了一套自己的通风设计及分析方法，在大型长铁心水轮发电机极间流场、铁心表面散热系数、电机径向轴向三维温度场的计算分析和模型试验及发电机主绝缘研究方面有大量的优秀成果。针对三峡水轮发电机的设计，开展了通风系统计算的仿真，电站真机的通风、发电机表面散热系数和发电机用冷却器的试验和测试，开展了20KV全空冷主绝缘定子线棒绝缘结构和绝缘材料试验和制造研究。在此基础上，进行机组的结构优化以获得最大的风量和合理的风量分布，并建立了和真机结构完全模拟的1：5全空冷水轮发电机的通风模型试验台，在模型上完成了全面的测试；制造了真机尺寸的定子线棒，完成了电气性能和电老化性能等一系列试验。通过近4年的开发，从科研、设计、材料、工艺等方面取得了许多成果，最终完成了具有哈电自主知识产权的三峡全空冷机组的研制任务。
2007年7月8日，哈电研制的三峡首台26#全空冷水轮发电机成功并网发电，全面完成了电气参数、温升、通风、振动、摆度及主要结构部件变形等测试试验。机组运行稳定，振动、摆度及温升等性能指标达到优良标准。发电机定子线棒全部测点（RTD）的最高与最低温差(66.9～60.8)约为6℃，同一高程测点的温差不大于4℃，同一根线棒轴向温差不大于3℃，铁心最高与最低温差（59.3～57.6）不大于2℃，温度分布非常均匀，效果不亚于水冷机组。
2008年4月 25日，三峡右岸电站哈电第三台机组（24#机 ）顺利通过72 小时带满负荷连续试运行。机组试运行期间，各部位温度、振动、摆度、流量等运行参数均满足设计要求，综合评价达到“精品机组”要求。72小时期间主要数据如下：
推力瓦温：最高72.5℃，最低70.4℃，温差2.1℃；
上导瓦温：最高38.4℃，最低33.9℃, 温差4.5℃；
水导瓦温：最高53.8℃，最低46.8℃, 温差7℃；
下导瓦温：最高37.4℃，最低35.5℃，温差1.9℃；
定子温度：最高66.5℃，最低61℃，  温差5.5℃。
上导摆度:0.06mm,下导摆度：0.2mm，水导摆度：0.065mm；
上机架振动：0.041mm，下机架振动：0.012mm，顶盖振动：0.048mm
三峡电站的全空冷水轮发电机是目前世界单机额定容量最大和最大连续运行容量最大具有两项世界记录的全空冷水轮发电机，她的研制成功将在世界水电设备开发史上写上新的篇章，开创了大型水轮发电机组采用全空冷技术的新时代，技术领先国际3到5年。目前哈电研制全空冷龙滩发电机组已运行了4台，三峡运行了4台。
哈电通过大型空冷水轮发电机新产品的开发在水电市场上占据了优势，目前全部在制的单机700MW的水轮发电机中，除三峡右岸和地下厂房有12台采用其他冷却方式外，三峡6台，其他的如龙滩、小湾、拉西瓦电站的全部发电机均由哈电负责采用全空冷技术制造。
4  其他方面
4.1  大型混流式转轮工地制造
为了进一步解决运输问题带来的限制，2002年在岩滩3#机转轮改造中，为提高其水力性能，将原方案采用分瓣的转轮改为整体转轮，叶片在工厂内完成了全部加工工序，上冠为整体，下环分四瓣在厂内进行了必要的机加工，然后分件在南宁上岸后再经公路运至工地，并在电站的原安装场地上完成制造，取得了成功，验证了所采用的工地加工设施和工艺，岩滩3#机已于2003年春投入运行。在此基础上，2007年内哈电在三个工地转轮制造基地，完成了构皮滩转轮（D1=Φ7m，600MW）、景洪转轮（D1=Φ8.3m，350MW）和龙头石转轮（D1=Φ7m，600MW）的制造，并通过了业主的见证验收。
4.2  大型筒形阀技术
为了减少多泥沙河流中机组停机时期由于导叶漏水可能造成的通流部件的泥沙磨损问题，一些大型水轮机在招标中明确规定了设置筒阀的要求，为适应这方面的需要，哈电在光照水轮机项目中（D1=Φ5.05m，N=266.3 MW）开发了筒形阀技术，进行了模型试验，确定了筒形阀封水边的开关及其水力特性，光照筒形阀外径Φ6590mm，筒形阀高1340mm，由6个装置在顶盖上的接力器操作，为解决接力器操作的同步和避免筒形阀动作过程的偏斜超差问题开发了电气系统和液压系统相结合的同步控制系统，并于2007年2月在厂内进行了筒形阀的操作试验，通过试验验证了所开发的电气液压同步控制系统。目前光照筒阀已在工地通过了无水调试试验，哈电将在光照筒形阀中取得经验的基础上，改进正在设计制造中的糯扎渡大型筒阀，该筒阀的外径达Φ9380mm,壁厚190mm,高1235mm，以求尽量减少由于筒阀所造成的顶盖变形。
4.3  大型水泵水轮机
在抽水蓄能机组研制方面，哈电采用日本日立水力设计制造的2台60MW蓄能机组安装在回龙电站，制造了白山2台150MW蓄能机组，分包制造了GE公司为韩国青松电站制造的300MW大型抽水蓄能机组。国家通过市场换技术的策略，将宝泉、广东惠州、湖北白莲河共16台300MW抽水蓄能机组一次招标，中标方对中方分包企业全面转让技术，哈电从2005年开始从法国ALSTOM接受技术转让，目前正在消化吸收和承担这三个机组的分包制造任务，另外，以哈电为主采用ALSTOM水力设计技术的蒲石河4台300MW（338米水头）抽水蓄能机组也在研制中。今年，哈电又获得了安徽响水涧4台250MW的抽水蓄能机组研制合同，这个项目是国家第一个大型抽水蓄能国产化依托工程，核心技术完全由哈电自主研制。
5  结束语
最近在有ALSTOM、VOITH-SIEMENS、东电参加的向家坝单机800MW、溪洛渡单机770MW共26台机组、合同额近110亿的招标项目中，通过同台对比，哈电中标10台，合同额44.27亿，是唯一为这两个电站提供机组的厂家。
单机容量拟定为1000MW的白鹤滩与乌东德项目也正在积极论证之中。白鹤滩水轮机水头变化范围与小湾、构皮滩、长河坝相近（156m～235.5m），但转轮直径由于容量增大而将增加至约8.8米左右。乌东德机组的水头变化范围为117.5m～163m，与哈电制造的三板溪、光照等项目相近，但转轮直径与三峡机组相近。机组容量增大对运行稳定性提出了更高的要求，另外通风、绝缘和机械结构与强度等等方面提出了新的挑战。
为了迎接这方面的挑战，哈电在国家科技部和三峡公司的支持下，已准备针对多方面的技术问题，开展相应的研究工作。对具有技术创新精神的哈电人来说，开发出具有世界先进水平的国产化1000MW机组是充满信心的。

作者简介：
吴伟章（1962-），1988年毕业于清华大学水利系水力机械专业，一直在哈尔滨电机厂有限责任公司从事水轮机水力设计、实验、研究、制造等方面的技术工作，教授级高级工程师，博士。现任哈尔滨电机厂有限责任公司董事长兼总经理。