中国能源体系的建设——水电篇

能源是工业化的基础。

大规模、低成本的能源供应，是中国实现工业化的保证。

中国的能源条件是煤炭和水能资源相对丰富，石油和天然气资源相对不足。

充分开发、有效利用好煤炭和水能资源，是中国能源体系建设的基石。

我们来看看中国是如何利用好本国的水能资源的。

资源禀赋条件:中国拥有丰富的水电资源。

影响水能发电的核心因素是落差和流量，这两个要素中国都不缺。

落差是和地势高度息息相关的。我国的整体地势分为三大阶梯，山地众多，并且国土西部是世界屋脊青藏高原，因此水电发展必需的势能在我国是很丰富的。

我国国土东半部大多属于季风气候，夏季盛行海洋季风，总体降雨量充足，主要河流的年径流量大。因此水能的第二个要素—流量我国也不缺。

长江流域的年径流量最大，且流经青藏高原、横断山脉、四川盆地、巫山等地势落差很大的地区，因此水能资源全国第一；

西南地区的河流，有着全国第二大的径流量，且流经青藏高原、横断山脉等地势落差很大的地区，水能资源位居全国第二；

此外，黄河流域、南盘江-红水河、东北、闽浙赣等地区也拥有丰富的水能资源。

根据《水电发展“十三五”规划》的数据，我国水能资源可开发装机容量约6.6亿千瓦，年发电量可达3万亿千瓦时。

水能资源在常规能源资源剩余可开采总量中仅次于煤炭。

如此丰富的水能资源是我国发展水电的前提。

我国水电开发程度还未达到50%(按发电量计算)，与发达国家相比仍有较大差距，还有较广阔的发展前景。

中国水能资源的开发过程

新中国刚成立时，全国的水电装机容量仅有36万千瓦，最大的水电站是1937年日本侵占东北时期开工兴建的丰满水电站，这也是当时亚洲规模最大的水电站。

改革开放前中国的水电开放

中国水能资源的开发是一个长期的、持续的过程。

新中国成立后，政府立即着手对全国的水能资源进行了全面、系统的勘察，并制定了全面的开发规划。

水利建设一直是政府工作的重点，在中央政府的每一个五年计划中，政府基本都安排了水电建设项目并且很好的执行了计划，基本完成了规划目标。

从自主勘测、设计、施工和制造设备的新安江水电站，到“万里长江第一坝”葛洲坝水利枢纽工程，再到世界上规模最大的水利枢纽工程——三峡工程……历经70余年，中国水电建设取得举世瞩目的成就，为解决电力短缺和洪旱灾害问题提供了巨大支撑，促进了国家经济社会发展。

新安江水电站是中国第一座自行设计、自制设备、自己施工建造的大型水力发电站，是中国水利电力事业的一座丰碑。其单机容量为7.25万千瓦的大型发电机组，是由哈尔滨电机厂在1958年设计制造的。水轮机的核心部件转轮由沈阳重型机器厂铸造完成。

周总理视察新安江水电站

刘家峡电站位于黄河上游甘肃省永靖县境内，以发电为主，兼有防洪、灌溉、防汛、水产养殖等综合功能。该电站安装了5台大型水轮发电机组，1969年3月29日首台机组发电，建电站初期总装机容量116万千瓦。刘家峡电站转轮制造于1968年，当时该转轮是哈尔滨电机厂建厂以来生产的单机容量最大的转轮之一。

但是从建国后一直到1980年，由于我国的工程能力薄弱、水力发电设备的技术水平较低，大量开发难度高的水电项目都没有能力去开发建设，前三十年中国新增的水电装机容量只有2000万千瓦左右。

1980年后，中国水电项目建设速度显著加快，这是国家整体工业水平提高、工程能力提高、建设资金增加以及用电需求大幅增长等因素共同推动的结果。

中国新增的水电装机容量开始快速增长，特别是2000年后中国新增的水电装机容量更是不断创出新高。

中国十三个大型水电基地

以长江上游水电基地、金沙江干流基地为代表的中国十三个大型水电基地从90年代开始陆续进入建设阶段，并在2000年后陆续投产发电。

正是由于这些大型水电项目的建成投产，我国的水电装机容量在2000年后快速增长。

“十一五”时期（2006-2010）和“十二五”时期（2011-2015）是我国水电装机容量增长最快的时期。

这两个五年计划期间新增的水电装机容量都在1亿千瓦时左右，使我国的水电装机容量从2005年的1.2亿千瓦时快速增长到2015年的3.2亿千瓦时。

这两个时期也是以三峡工程、金沙江上游梯级水电站陆续建成投产的时期，我们将以三峡工程为例详细说明中国是如何开发利用水能资源的。

三峡工程的建设

三峡工程是世纪工程，承载着几代人的梦想。

从1950年国务院成立长江水利委员会，担负起统一规划长江治理、开发、建设的重任，到1992年4月3日七届全国人大五次会议通过《关于兴建长江三峡工程的决议》，40多年间，在争议中三峡工程不断优化规划设计方案并最终落地建设。

这项举世瞩目的伟大工程，凝聚着无数人的智慧和心血。

三峡工程全貌

三峡工程的重大时间节点：

1994年12月14日三峡工程正式开工；

2003年6月1日开始蓄水发电；

2006年5月20日大坝主体工程竣工；

2012年7月4日最后一台水电机组投产。

三峡工程的建设周期长达近20年，三峡移民规模超过百万，整个工程的投资规模超过2000亿元。

如此大规模的工程项目，考验的不仅是国家的经济实力，也是对国家治理能力的考验。

三峡工程的建设不仅涉及大量的工程问题，而且涵盖了移民安置等社会方面的问题，三峡的建设并不容易。

当然，三峡工程建成后的益处也是巨大的。

三峡工程的水电机组装机总容量2240万千瓦，是世界上最大的水力发电站和清洁能源生产基地。

除了防洪、航运等作用之外，三峡水电站每年的发电量保持在1000亿度作用，仅发电收入就是巨大的。

正是基于三峡工程稳定的收入，国家把金沙江上游梯级电站的开发全部交给了三峡集团，而三峡集团也成功按时完成了金沙江上游4座巨型水电站的建设。

金沙江上游梯级电站的建设过程

金沙江属于长江上游河段，坡陡流急，水量丰沛且稳定，落差大且集中，是我国水能资源开发的“富矿”及实现“西电东送”战略目标的重要能源基地之一。

金沙江全长3464千米，天然落差5100米，水能资源十分丰富，可开发装机容量超过8000万千瓦，尤以雅砻江口至宜宾700余公里的下游河段落差最为集中、水能资源最为富集，可开发装机容量达5000万千瓦，是我国规划建设的重要水电基地。

金沙江水电基地，自上而下规划有乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四座世界级巨型水电站，由三峡集团公司负责开发建设。

1、乌东德水电站，装机容量1020万千瓦，装机规模全球第七、国内第四；

2、白鹤滩水电站，装机容量1600万千瓦，装机规模全球第二、国内第二；

3、溪洛渡水电站，装机容量1260万千瓦，装机规模全球第四、国内第三；

4、向家坝水电站，装机容量600万千瓦，装机规模全球前十五、国内第五。

金沙江下游水电基地，总装机容量达4480万千瓦（相当于两座三峡电站），设计年发电量约2000亿千瓦时（折合0.6亿吨标准煤），2021年外送华东、华中、南方地区电量超过1200亿千瓦时，占当年总发电量的90%，是我国西电东送的重要电源基地和特高压网架的重要支撑。

四座电站从规划选址到全面建成投产历经几代人的砥砺奋斗，河段规划论证始于上世纪50年代，由于技术、市场等原因，直至本世纪初才开始启动建设。

2005年12月溪洛渡水电站首先开工、拉开金沙江下游水电开发的序幕；

2012年11月向家坝首台机组投产；

2022年12月20日，金沙江下游白鹤滩水电站9号机组投产发电，标志着在建规模全球最大、单机容量世界第一、装机规模全球第二大的白鹤滩水电站机组全部投产，也标志着金沙江下游水电基地全面建成。

金沙江水电基地的建设，从开工到完全建成，前后历时17载！

白鹤滩水电站是仅次于三峡工程的世界第二大水电站，共安装16台自主研发的全球唯一的百万千瓦机组，总装机容量达1600万千瓦，是水电领域具有代表性的“大国重器”。

白鹤滩水电站

长江干流上的乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡和葛洲坝6座梯级水电站，构成了世界最大“清洁能源走廊”。

在这条绿色能源走廊上，6座巨型电站总装机容量达7169.5万千瓦，总计110台水电机组协同运行，实现一滴水发6次电，年均发电量约3000亿度，每年节约标准煤9000多万吨，减少二氧化碳排放约24000多万吨，有效缓解了我国华中、华东地区及川滇粤等省份的用电紧张局面，为“西电东送”提供强大支撑。

三峡工程水轮发电机的制造

在中国水轮发电机技术的发展过程中，三峡工程水轮发电机的制造具有重要作用。

以三峡工程为依托，哈尔滨电气集团和东方电气集团从国外引进先进技术，成功掌握了具有世界先进水平的70万千瓦大型水轮发电机组的技术。在此技术上基础上，我国的企业进一步开发了80万千瓦、100万千瓦水轮发电机组，既保证了金沙江上游水电站的建设，也成功实现了技术领先。

三峡水电站分左、右岸和右岸地下厂房，共安装32台额定出力70万千瓦水轮发电机组，其中左岸14台，右岸12台，右岸地下6台，加上保证三峡电厂用电的电源电站两台5万千瓦的机组，总装机容量2250万千瓦。设计年发电量 882亿千瓦时，是世界上装机容量最大的水电站。

三峡左、右岸电站接入华中、华东电网运行，供电范围包括华中地区的湖北、河南、江西和湖南4省，华东地区的上海市、江苏、安徽和浙江省，以及华南地区缺电的广东省。

三峡工程水轮机的制造分工

一、左岸阶段：

1997年9月，三峡左岸14台70万千瓦机组正式签订合同，分别由两个集团负责供货：

由德国福伊特、西门子公司和加拿大通用电气公司组成的联营体VGS(简称左岸VGS)中标6台；

由法国阿尔斯通和瑞士ABB公司组成联营体(简称左岸Alstom)中标8台；

其中水轮机的水力设计、模型试验以及3台转轮的制造由挪威克瓦纳公司负责。

根据合同，两个联营体要分别向中国东方电机厂、哈尔滨电机厂(简称东电、哈电)转让全套技术，两厂参与设计和分包制造。

二、右岸阶段：

2003年6月，右岸电站12台70万千瓦机组招标，法国阿尔斯通公司(瑞士ABB公司水轮发电机部分此前已并入该公司)中标4台，东电中标4台，哈电中标4台。

右岸地下电站6台70万千瓦机组，法国右岸Alstom公司中标2台，东电中标2台，哈电中标2台。

另外还有电源电站2台机组由哈电中标。

三峡工程水轮机国产化的进步

水轮机转轮是水轮发电机组的关键部件，它的作用可以比喻为人体中的心脏，转轮制造代表着机组的综合开发研制水平和能力。

三峡水电机组

1997年三峡左岸14台单机容量70万千瓦的混流式水轮发电机组采用了引进国外技术、合作制造的方式，国内企业分包制造其中的10台重量超过400t的焊接转轮，铸钢件毛胚只用了国内制造的1个上冠和1个叶片。

2004年右岸12台机组国际招标，哈电、东电各获得4台合同，采用国内供应的上冠、下环、叶片铸件，从材料到加工，完全实现了三峡大转轮的自主制造。

到2008年10月29日，8台国产机组全部投入运行。

三峡水轮机大转轮从三峡左岸机组以国外为主，联合设计、合作制造并转让技术，到右岸机组以国内为主，并有8台机组由哈电和东电独立设计制造，走出了一条国产化的成功之路。

三峡地下电站水轮机转轮完全实现了国产，从上冠、下环和叶片铸钢件、数控加工、焊接材料、工艺技术全部立足于国内，经过电站的实际运行考验，性能良好，经多次检查没有发现叶片裂纹。

哈电还为三峡开发了具有自主知识产权并获得国家发明专利的“L型”叶片转轮，这些自主创新都代表了我们技术的进步。

国产三峡70万千瓦水轮发电机组的水轮机大转轮的成功制造和顺利投运，是哈尔滨电机厂有限责任公司(简称哈电)、东方电机有限公司(简称东电)和国内各有关部门单位多年团结协作、顽强拼搏、自主创新的丰硕成果。

2008年12月，中国长江三峡开发总公司(现更名为中国长江三峡集团公司，简称三峡集团，是业主单位)召开专家会议，介绍三峡左岸、右岸机组真机性能测试结果，总体评价为:右岸国产机组的性能与质量优于左岸机组，达到进口机组同等水平；哈电提供的全空冷发电机组达到国际先进水平。

依托金沙江梯级电站的建设，我国水轮发电机组的设计和制造能力开始超越国外企业进入“无人区”，设计和制造了容量更大、效率更高的水轮发电机。

向家坝水电站和溪洛渡水电站采用的是哈尔滨电气集团公司提供的单机容量80万千瓦水电机组，白鹤滩水电站采用东方电气集团公司生产的100万千瓦发电机组，全部都实现了自主化。

白鹤滩水电站，首次采用100万千瓦的水轮发电机组，并首次全部实现国产化。“两个首次”意味着，我国重大水电装备制造将迎来历史性跨越，“中国水电”引领世界水电发展。

白鹤滩水电站的建成意味着中国全面掌握了100万千瓦级水轮发电机组的设计、制造、安装、运行等核心技术，牢牢确立中国水电在世界上的引领地位。

研制百万千瓦这一级别的水电机组没有先例可以参考，犹如攀登水电行业的“珠峰”。

建设者攻克了发电机组结构、水力设计、发电机通风、机组总体设计等一个又一个技术难题，把核心技术牢牢掌握在我们自己手中。比如巨型转轮“零配重”，即用一根手指的力量就能拨动巨大的转轮。转轮是决定发电机组能量转化的关键部件，一旦出现质量偏心，会影响机组安全。为保证重达330吨的转轮不出现质量偏心，白鹤滩水电站通过现场建厂解决运输难题，采取转轮全低氢焊接、三维模拟精准确定、转轮过程监控等措施，实现了“零配重”。

从运行效果来看，白鹤滩水电站发电机组的效率、稳定性等指标均处于国际领先水平。高50米、重逾8000吨的机组，整体振动、摆度值只有头发丝宽度。

为什么我们能掌握三峡工程水轮发电机组的制造技术并开发出更先进的技术？

在三峡工程之前，我国尚不具备制造35万千瓦以上水电机组的能力。

但20多年来，从三峡工程的单机70万千瓦，到向家坝电站的80万千瓦，再到如今白鹤滩电站“冲刺”100万千瓦，装备能力不断提升，技术工艺不断创新，整体呈现飞跃式发展。

中国水电装备从跟随到超越，实现了全面引领。

在掌握水轮发电机技术的过程中，我们同样是走了一条'市场换技术’的道路。

在三峡左岸机组的采购合同中，中国三峡集团要求国际设备厂商签订技术转让合同，国外企业必须与中国企业联合设计、合作制造，并具体明确中国企业总分包的比例。

三峡集团向企业总分包支付技术转让费。

在水轮发电机组的开发和设计过程中，三峡集团提出自己的技术需求，与设备企业联合组成技术攻关团队，联合攻克了多项关键技术。

三峡工程水轮发动机技术不是完全引进国外现成的技术，而是在国外企业已有基础上根据我们的需要进行的再开发。中国的水轮机制造企业全面参与了技术的再开发过程，并在这个过程中更好的理解和掌握了国外的技术。

此后20多年，三峡集团和哈尔滨电气集团、东方电气集团携手，依托三峡工程和金沙江溪洛渡、向家坝电站等重大项目，创造了一条独具特色的“引进、消化、吸收、再创新”的成功之路，取得了我国70万千瓦机组从无到有的历史性突破，并推动我国重大水电装备由“中国制造”向“中国创造”转型升级。

当然在引进三峡工程水轮发电机组技术之前，我国的水电设备制造企业拥有良好的技术基础，并且为制造三峡工程水轮发电机组做了充分的准备。

在三峡工程之前，我国水电设备的设计、制造已有30多年历史，生产过多种类型的水轮机。在中水头混流式机组方面，经验相对较多，最大单机容量已做到32万千瓦(龙羊峡)。

70 年代末，又立足国内制造了低水头转桨式叶轮直径为11.3m的葛洲坝机组，为三峡机组的研制积累了一定经验。

1984年1月4日至2月24日，机械工业部组织了大型水电设备技术考察组，对加拿大、美国、巴西、委内瑞拉四国的八个大型水电站和五个水电设备制造厂进行了考察。着重了解国外大型水电设备的制造水平和经验，并与国外专家进行了技术座谈，为研制三峡水电机组取得了有参考性的经验和资料。

我国设计人员在三峡机组可行性研究报告中提出的基本参数，与国外大型水电站现有机组和水电设备制造厂的技术相近。考察组认为三峡水轮发电机组的研制可以立足于国内，方式上可以采用引进部分关键技术，或部分与外商合作科研、合作设计、合作制造，以自己的力量为主，使三峡机组达到70年代和80年代初经济发达国家已经达到的适用于我国的先进技术水平。

这些技术基础和前期细致的准备是我们能够快速掌握引进技术并实现超越的关键。

在中央领导关怀及国务院三峡工程建设委员会和三峡集团的大力支持下，从三峡左岸机组引进技术，工厂技术改造，人员培训，质量保证体系的建立，到严格执行原材料采购规范，业主建立设备监理制度长期驻厂监造，每台转轮完工出厂验收等措施，保证了引进技术的消化吸收和转轮制造的质量，其后建设的大型水电站转轮都符合三峡标准，国产大型水轮机转轮达到了国际一流。

此外三峡工程国产大转轮的成功也离不开其它产业的支持。

济南二机床集团有限公司、武汉重型机床集团公司和齐重数控集团装备有限公司等机床行业工厂分别研制了专用数控加工机床，这些新装备显著提升了重型机器制造企业的制造和加工能力，为提高水电机组制造质量和扩大生产能力作出重要贡献。

遵照国务院领导关于大型铸锻件国产化的重要指示，在中国长江三峡集团公司的大力支持下，由国务院三峡工程建设委员会组织中国第一重型机械集团公司、中国第二重型机械集团公司、鞍钢重型机械有限责任公司、大连华锐重工铸钢股份有限公司、宁夏共享铸钢有限公司、哈电、清华大学、中国科学院金属研究所和沈阳铸造研究所等单位，发扬国内产学研团队精神，通力合作，自2006年开始，只用了两年多时间就彻底扭转了我国大型转轮铸锻件毛坯长期依赖国外进口的局面，三峡地下电站水轮机转轮铸钢件中的百分之八十五由国内制造供货，突破了受制于人的瓶颈。

中国水电建设成果

2020年，中国的水电装机容量达到3.7亿千瓦时，全球第一；水电发电量达到1.3万亿千瓦时，占全球水电发电总量的30%，也是全球第一。

在中国经济的高速发展过程中，中国的水电发电量保持了同样的快速增长，为保障能源供应做出了应有的贡献。

经过多年发展，我国水电装机容量和年发电量已突破3亿千瓦和1万亿千瓦时，分别占全国的20.9%和19.4%，水电工程技术居世界先进水平，形成了规划、设计施工、装备制造、运行维护等全产业链整合能力。

我国水能资源总量、投产装机容量和年发电量均居世界首位，并开始逐步走出国门，与80多个国家建立了水电规划、建设和投资的长期合作关系，是推动世界水电发展的主要力量。

中国水能资源的成功开发是中国有能力有效利用自身资源，保障能源供应的又一个典范。

中国水能资源的开发既需要政府有强大的组织能力和建设能力，同时也需要本国工业体系有强大的制造能力。

中国的水电设备制造企业在这个过程中，学习和掌握了先进的水电设备技术，并且依托国内工程成功实现了技术的全球领先。

中国水电的发展过程，既是中国工业化过程的一部分，中国水电的发展也保障了中国工业化的能源供应。

向共和国的建设者们致敬！

参考资料：

1、《中国重大技术装备史话：三峡水轮机制造》

2、《新中国电力工业统计资料汇编》

3、《中国共产党与三峡工程》

4、《三峡工程纪实》

5、《哈尔滨电机厂志》

6、《国器铸就:东方电机建设最具国际竞争力发电设备制造企业纪实》