山有信/文

2025年7月2日，一件凝聚中國水電裝備頂尖智慧的龐然大物，凝聚中國水電裝備頂尖智慧的全球首臺單機容量最大500兆瓦、轉輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機核心部件——轉輪，由哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司自主研制成功并發運。

該水輪機的成功研制并發運，引發了許多媒體的報道和關注，也標志著我國在高水頭、大容量沖擊式水輪機組核心裝備領域實現歷史性突破。不僅刷新了沖擊式水輪機單機容量與轉輪尺寸的世界紀錄，更如利刃破冰，即將一舉突破高水頭、大容量沖擊式機組技術的長期“封印”，實現我國沖擊式水電機組從跟跑到領跑跨越......

據悉，該沖擊式水輪機轉輪將應用于西藏扎拉水電站，該站位于西藏自治區昌都市左貢縣和林芝市察隅縣境內的玉曲河上，是國家“藏電外送”的骨干電源電站，其在能源供應、技術創新等方面意義重大。

公開資料顯示，西藏扎拉水電站項目在中國大唐集團有限公司的發展藍圖中深受重視。作為世界首臺（套）500兆瓦高水頭沖擊式機組的依托工程，扎拉水電站不僅是國內唯一能夠開展高水頭、大容量沖擊式機組科研攻關并付諸實踐的水電項目，更是中國大唐科技創新與實力展現的標志性工程。

該站也是西藏自治區玉曲河流域水電規劃第六級電站，壩址、廠址分別位于昌都市左貢縣、林芝市察隅縣境內，水庫正常蓄水位2815米，裝機101.5萬千瓦（含生態電站1.5萬千瓦），樞紐主要由混凝土重力壩、魚道、生態電站、引水隧洞和地面廠房等組成。其是西藏自治區核準開工的首個百萬千瓦級電站，承擔著“央企攻堅工程”二期攻關任務“500兆瓦高水頭大容量沖擊式機組研發”，更是當今世界最大容量的沖擊式機組。

作為中國大唐在西藏的重大投資項目和“壹號工程”，該項目不僅是促進西藏地區經濟社會發展的重要基石，更是保障國家能源安全和推動清潔能源發展的關鍵一環。

中國大唐集團有限公司成立于2002年12月29日，是中央直接管理的國有特大型能源企業，注冊資本金370億元，主要業務覆蓋電力、煤炭煤化工、金融、環保、商貿物流和新興產業。所屬二級單位包括45家分、子公司和2家直屬機構。還有5家上市公司。

其中，5家上市公司分別是：首家在倫敦上市的中國企業、首家在香港上市的電力企業——大唐國際發電股份有限公司；較早在國內上市的大唐華銀電力股份有限公司、廣西桂冠電力股份有限公司；在香港上市的中國大唐集團新能源股份有限公司、大唐環境產業集團股份有限公司。

截至2024年底，中國大唐發電裝機容量突破2億千瓦。在役及在建資產分布在全國31個省（自治區、直轄市）和香港特別行政區，以及緬甸、柬埔寨、老撾、印尼等多個國家和地區，連續15次入選世界500強。

值得一提的是，中國大唐建成世界在役最大火力發電廠——內蒙古大唐國際托克托發電公司、我國首個百萬千瓦風電基地——內蒙古赤峰塞罕壩風電場、世界首臺六缸六排汽百萬千瓦機組——大唐東營發電公司。肩負著首都一半以上電力供應的重任，承擔著“三北”地區近9.3億平方米供熱任務。

而哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司官網顯示，公司始建于1951年，是哈爾濱電氣集團有限公司的核心子企業，公司集科、工、貿、服于一體，面向全球用戶提供水電、火電、核電、氣電、泵類、新能源等發電裝備和配套控制設備，提供產品全生命周期和多元化訂制服務，是中國技術領先、設備精良的大型發電裝備制造商和服務提供商。

該公司研制的大型水電機組占國內總裝機容量的1/2以上，大型汽輪發電機占國內總裝機容量的1/3以上；研制的水輪發電機組最大容量1000兆瓦，汽輪發電機、核能發電機最大容量1350兆瓦；具備年產6500萬千瓦發電機組的能力，產品遍布中國所有省份，出口到世界52個國家和地區。

其創造了我國發電設備制造史上的70多項“第一”，為我國電力事業發展做出了重要貢獻，在大容量水、火、核電方面均取得了新的突破；抽水蓄能機組引領行業發展，引水大泵打破國外壟斷，脈沖發電機填補國內空白，全空冷新型調相機國際首創、技術領先、指標優良，短路試驗發電機在行業內保持著絕對領先優勢。公司開發的遠程故障診斷系統，推動了中國發電設備運行智能化發展。

在沖擊式水輪機系統里，水斗式轉輪是核心構件，如同機組的“引擎”，承擔著將水流動能轉化為機械能的關鍵任務，是水電機組名副其實的“心臟”，為機組運行提供動力支撐。

扎拉轉輪在沖擊式水輪機領域意義非凡。它在結構參數設定上極為精細，每一個數據都經過科學嚴謹的論證；對水力性能的要求近乎苛刻，力求最大程度挖掘水流能量；在制造工藝方面也有著極高標準，確保每個環節都精準無誤。可以說，扎拉轉輪代表了當前沖擊式水電機組的最前沿技術水平。哈電電機憑借自身技術優勢和豐富經驗，專門為扎拉沖擊式機組定制了高性能的水斗式轉輪，為機組高效穩定運行提供保障。

據悉，此次成功研發的轉輪由21個精密水斗構成，外徑達6.23米、整輪高度1.34米、重量約80噸。其核心部件——輪轂鍛件，更是目前世界最大的馬氏體不銹鋼鍛件。這些突破性參數標志著該轉輪在水力性能、高效運行區間和承壓能力方面均實現行業顛覆性提升。

媒體報道稱，“作為世界水電技術的巔峰之作，該轉輪的研發過程堪稱系統工程創新的典范”。具體而言，哈電電機的科研團隊從保障機組安全與提升性能等多個角度入手，全面考慮了水斗與噴嘴的精準適配、射流直徑與運行效率的統一性、射流和水斗之間的相互影響、多噴嘴相鄰射流的干擾作用，以及水斗的剛度與強度指標等因素。團隊借助水力發電設備全國重點實驗室的沖擊式水力試驗臺，創新性地融合了計算流體力學流動分析、高速攝影與流態觀測技術，經過不斷優化調整，最終達成了過流參數的極致化設計目標。

整個研發過程經歷了4年、5次評審的攻堅克難。項目研發團隊對百余種方案進行系統論證，制造了6個不同設計方向的觀測轉輪和6個性能試驗模型轉輪，經高精度沖擊試驗臺驗證，其最優效率和加權平均效率均刷新世界紀錄，為機組安全高效穩定運行提供了堅實的保障。

此外，哈電電機組織聯合攻關，采取了“化整為零、分散式加工”的策略，將數控程序從38萬條精簡至了27萬條，提升車序效率21%、鏜序效率27%。面對超大尺寸帶來的應力挑戰，團隊運用數字仿真技術指導模鍛研究，創新采用鍛焊結合結構，精準設計分瓣位置以避開水斗高應力區。

在焊接環節，也采用了三維檢測模擬、焊機群控系統等數字化手段，實現全程監控，優化工藝參數，提升接頭沖擊韌性及耐疲勞性能。同時，構建“7序14檢”全生命周期檢測體系，綜合相控陣超聲探傷等技術，形成“實體檢測+數字仿真”雙保障體系，實現焊后尺寸、應力、硬度測試一次合格，探傷合格率達98.04%，確保長期運行可靠性。

最后，項目加工團隊還利用多軸數控機床，攻克了大深度、多曲面的復雜加工難題，確保轉輪的水斗內型面加工符合精品標準。并通過數字編程、三維掃描儀與攝影測量系統、大型水斗在位檢測技術，實現了加工過程實時監控與動態優化，為全球最大容量、最大尺寸沖擊式轉輪的研制提供加工保障。

央視新聞報道稱，此次沖擊式水輪機轉輪的成功并發運，標志著我國在高水頭、大容量沖擊式水輪機組核心裝備領域實現歷史性的突破。那么，我國當下的水輪機研制現狀如何呢？

根據羅興锜、朱國俊、馮建軍三位學者發布在《水力發電學報》上的《水輪機技術進展與發展趨勢》一文可知， 水輪機作為水電能源開發的核心機械裝備，其性能的優劣決定了水電能源的開發利用率。在現代科技進步的推動下，我國水輪機技術也已取得了長足發展。

具體而言，我國水輪機技術的發展經歷了引進、吸收、消化和再創造的過程，特別是自2000年至2020以來，我國水輪機取得了快速的發展，使水輪機技術總體上達到國際先進水平。

回顧世界上各國水電發展歷程，在發達國家中，美國在上世紀60—70年代間處于水電建設的高峰期，而現在水電建設速度有所減緩。挪威的水電發展則始于19世紀末，于第二次世界大戰后迎來大規模開發，此后，20世紀60 年代迎來開發高峰期，進入80年代后有所減慢，但90年代后期裝機容量基本趨于穩定。截至2020年，瑞士、法國及意大利的水電開發程度已超過80%，德國、日本、美國的水電開發程度也已在67%以上。

而我國雖然水電資源總量豐富，但開發起步遠晚于西方發達國家。據悉，截至2020年，中國的水電開發程度僅為37%，遠低于發達國家，因此水電能源的開發仍具有廣闊的市場前景。而水輪機是水電能源開發中將水流能量轉換為機械能的核心機械設備，其性能的優劣直接影響水電能源開發率。

自1827年美國工程師富爾內隆設計出Fourneyron反擊式水輪機以來，國外水輪機技術已走過漫長的發展歷程。在這一過程中，水輪機先后經歷了初創、技術成長、高速發展及平穩發展四個階段。

我國的水輪機研究起步較晚，真正意義上的系統性研究始于1949年之后。但是，盡管起步滯后，國內科研人員仍然憑借不懈鉆研和刻苦學習的精神，推動我國水輪機技術實現了 跨越式發展。經過70多年的發展，尤其是近20年的快速進步，我國水輪機技術取得了許多顯著性突破。

例如：混流式水輪機單機容量突破百萬千瓦；軸流式水輪機領域，世界單機容量最大的大藤峽水電站（單機容量 200 兆瓦）首臺機組投入運行；貫流式水輪機單機容量從白垢電站的 10 兆瓦提升至巴西杰瑞電站的 75 兆瓦；抽水蓄能機組走出一條 “引進—吸收—突破” 的逆襲之路，再到今天全球首臺單機容量最大500兆瓦、轉輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機核心部件——轉輪的主研制成功并發運。

這些成果充分有力地證明了，我國水輪機技術總體已達到國際先進水平，且部分領域甚至可以說已經處于國際領先地位。而國內主要水輪機廠商如哈爾濱電機廠有限責任公司、東方電氣集團東方電機有限公司、浙富控股集團股份有限公司，中國水利水電科學研究等仍在積極發力，為水輪機研發提供重要的技術支撐。

具體到沖擊式水輪機發展方面，我國的沖擊式水輪機技術同樣起步較晚，但近20多年以來，發展迅速，經歷了從無到有、自主設計和提升改進3個階段，取得了突破性進展。根據羅興锜等學者的定義，沖擊式水輪機一般指水斗式水輪機，主要包括4個部件，分別為配水環管、噴嘴、轉輪（水斗）和機架。其工作原理是配水環管首先將高水頭的水流引導至噴嘴，在大氣壓下噴嘴將水流的壓力勢能轉化為射流動能，然后射流沖擊水輪機轉輪（水斗）使其旋轉從而將動能轉化為機械能，最后通過發電機轉為電能。

自1880年Lester A. Pelton 發明水斗式水輪機以來，沖擊式水輪機已經發展了一個多世紀，其額定功率、運行范圍和效率都在逐步提高，同時還發展了多種形式。根據工作水頭和流量，常見的沖擊式水輪機可分為水斗式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機。對于高水頭和大功率，水斗式水輪機使用最多，而斜擊式水輪機和雙擊式水輪機通常在小功率下使用。

近年來，我國研發能力正迎頭趕上，此次研發成功的西藏扎拉水電站沖擊式水輪機組為國內沖擊式水輪機組單機容量最大，同時也依托于玉松水電站研發500 MW級，1000 m以上的大型沖擊式水輪發電機組。所以，可以說，沖擊式水輪機作為高水頭水電能源開發的主力機型近年來不斷發展進步，國內高水頭水電能源的開發具有廣闊的市場前景。

但由于沖擊式水輪機相比反擊式水輪機結構復雜，數值研究的準確性和可視化試驗的研究還存在一些限制，如何準確闡明沖擊式水輪機水斗內的自由表面流動機理以及射流與水斗之間的相互作用等仍是研究的核心問題。

綜上所述，我國水輪機發展已取得許多成就和飛速的進步，但也需意識到，當下，水輪機行業的發展仍面臨著許多挑戰。同時，挑戰與機遇也是并存的，抓住發展機遇，才能更有利于我國水輪機行業的發展。

首先，在機遇方面。近年來，國家能源局緊扣碳達峰碳中和目標，在保障能源安全供應與推動綠色低碳發展之間做好統籌協調，全力提升清潔電力供給能力，可再生能源領域由此取得了新的進展。2024 年上半年，全國水電新增裝機容量達4.99吉瓦；截至同年6月底，全國水電總裝機容量已達427吉瓦，其中抽水蓄能累計裝機容量為54.39吉瓦。隨著水電及抽水蓄能裝機規模的持續擴大，對水輪機及輔機設備的需求將進一步攀升，這意味著我國水輪機及輔機行業擁有十分廣闊的發展前景。

其次，在市場需求方面，隨著“雙碳”目標的推進和綠色能源的普及，我國電力結構正加速向清潔、低碳方向轉變，水能作為穩定且高效的清潔能源，其在國家電網中的占比將持續提升。根據中國水電發展遠景規劃，到2030年我國水電裝機容量將達到5.2億千瓦，其中，常規水電4.2億千瓦，抽水蓄能1億千瓦，水電開發程度約60%；到2060年，水電裝機將達到約7.0億千瓦，其中，常規水電5.0億千瓦，新增擴機和抽水蓄能2.0億千瓦，水電開發程度73%，基本達到西方國家的開發水平。為水輪機行業帶來了巨大的市場機遇。

同時，隨著大型水力資源的開發殆盡，人們的目光也將轉向一些小型低水頭甚至超低水頭資源。而水輪機作為電站的核心部件，自然也朝著低水頭水力資源乃至海洋能資源開發的方向發展。小型水輪機市場受益于分布式能源建設的加速推進以及農村地區的電力需求增加，市場規模有望實現更快增長。

最后，我國在水輪機技術研發方面不斷突破，高效能、智能化、環保型水輪機的開發已成為行業關注焦點，我國水輪機企業在海外市場的影響力逐漸增強。通過技術合作、項目承建等方式，我國水輪機發展在國際市場的開拓方面也將迎來許多發展機遇，國際市場將成為推動中國水輪機行業增長的重要力量。

在市場挑戰方面，隨著全球化的發展，全球水輪機市場競爭激烈，跨國企業帶來強大競爭壓力。同時，原材料價格波動、勞動力成本上升等因素，增加了企業運營的成本壓力，這要求企業通過技術創新和精細化管理來提升競爭力。

另外，近年來水電開發導致的珍稀魚類生活環境破壞是約束水電發展的關鍵因素之一，受該因素的影響，很多水電站的規劃都被迫取消，因此魚類生態友好型水輪機的發展和研發也至關重要。行業在追求經濟效益的同時，需滿足可持續發展要求，應對環境保護壓力，包括提高資源利用效率、減少污染物排放以及采取措施保護生態環境等。

在特定環境下，水輪機的發展也面臨著特定的技術難題。例如，在超高水頭、大容量水輪機制造方面，面臨通風冷卻、機械結構、制造工藝以及運行維護等多方面的技術挑戰，直接影響機組的安全性、可靠性和使用壽命。另外，高海拔環境下，設備散熱效率大幅下降，絕緣性能退化，電暈問題加劇，且低溫環境易導致材料脆化等，也是高海拔水電設備的設計和運維面臨的獨特技術難題。

[引用]

①　重大突破！這個全球首臺的“大心臟”在哈電集團研制成功.哈爾濱電氣集團有限公司.2025-07-03

②　大唐扎拉水電站：從零到壹的輝煌跨越.大唐西藏能源開發有限公司.2025-01-15

③　中國新聞網：全球首臺單機容量最大沖擊式轉輪研制成功.中國新聞網.2025-07-03

④　人民日報客戶端：全球首臺單機容量最大沖擊式轉輪研制成功.人民日報.2025-07-03

⑤　水輪機技術進展與發展趨勢.水力發電學報.2020-08-18

⑥　沖擊式水輪機技術進展與發展趨勢.水力發電學報.2022-10-17

⑦　最全水利內容速覽！“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要發布.澎湃新聞.2021-03-15

⑧　2025年中國水輪機行業發展現狀、企業競爭格局及未來趨勢研判：國產水輪機設備出海盡顯優勢，綠色發展要求驅動行業轉型升級.智研咨詢.2024-11-27

⑨　水電行業資產梳理專題報告.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司.2023-10-27