[01619572]大型高效水轮发电机组关键技术及工程应用

水电是无污染、低运行成本的清洁低碳可再生能源,是当前能源革命的主力军,具有防洪、供水、航运、灌溉等综合利用功能,经济、社会、生态效益显著。2018年,我国水力发电量在可再生能源发电量中居首位,占总发电量的16.24%,是我国第二大电力来源。随着“一带一路”战略全面提速,我国水电装备“走出去”步伐加快,成为名副其实的中国制造和国之重器,是“一带一路”建设的亮丽名片。我国《水电发展“十三五”规划》对加大水电开发提出了明确要求,到2020年实现常规水电装机达到3.4亿千瓦。 水轮发电机组是水电站的核心装备,近年来水轮发电机组在整个电网中的比重逐步增大。针对大型高效水轮发电机组的研究、设计、制造和应用也取得了显著的进步,已成为大型水电基地建设的首要选择,然而,转轮水能利用率低、主轴轴系稳定性差、机组调控智能化程度弱一直是困扰行业的技术难题。 针对上述技术难题,本项目在国家自然科学基金委机电液系统基础研究创新群体、省重大科技专项的支持下,依托浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、国家工程技术中心等创新载体,围绕大型高效水轮发电机组设计制造关键技术进行持续攻关,突破了多项关键技术,取得如下科研创新成果： 1.创建了转轮、过流部件及通风冷却系统热-流-固多场耦合优化设计体系：提出了动态流量迭代多目标涡动力寻优算法和空化热效应修正模型,建立了大型高效水轮机转轮及过流部件智能优化选型平台,开发了热-流-固多场耦合的全流道水轮机多参数虚拟样机,有效抑制空化及压力脉动,提高水力效率2%,降低选型研制成本,实现了204MW级轴流转桨式、60MW级贯流式和700米水头混流式水轮机转轮的设计开发。建立了复杂转子-轴承-密封系统动力学模型,优化轴承型线、支撑结构和轴心轨迹,提高轴系临界转速。提出热弹流油膜润滑仿真技术,发明无油泵推力轴承内循环供油装置和储能式外循环冷却润滑保护装置,实现3600吨级推力轴承的设计制造。提出了发电机磁-热-流-固耦合通风系统设计方法,实现了4000米高海拔电站全空冷通风散热。 2.发明了水轮机复杂工况高效智能调控技术：提出了奇异性空化辨识方法,建立区域智能集中调控在线监测系统,实现远程调度,通过智能化调控补气阀,预防和减轻空化空蚀。发明了新型水轮机桨叶控制系统,避免液体油外泄造成水体污染。 3.突破了大型水轮机高承压部件制造与加工技术：提出水轮机叶片几何重构NURBS插补算法, 从而提高复杂叶型逆向建模精度。通过CMT技术实现250吨级卧式重载导轴承的制造。发明不规则曲面优化下料方法、高压蜗壳制造技术和特厚钢板焊接及焊后热处理技术,应用于700米级超高水头混流机组承压部件的制造加工。 4.攻克了水轮发电机组智能高效高精度安装技术：提出了保证机组布局合理、结构紧凑、安装过程简便、精度高的水轮发电机组模块化设计方法。发明了发电机定子机坑安装中心间接测量方法及其高精度安装基础定位装置,提升机组运行时稳定性质量。基于自动控制理论和一种推力头垫环调整水导盘车摆度技术设计出了新型电气盘车装置,实现了盘车实验的自动化和高效化并改进机组的摆度质量。提出了一种精确确定盘车机组旋转中心的方法,解决因制造、安装误差等引起的运行不稳定现象,优化机组振动水平。发明了一种确保定子下线安装环境的无尘、恒温、恒湿装置,保证了定子下线安装时定子的质量。 项目获发明专利27件,软件著作8项,发表论文60余篇,其他知识产权99项,形成国家标准6项、行业标准11项。近三年新增销售65亿元,出口创汇1.25亿美元,经济社会效益显著。