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我公司參與西安理工大學擬提名2019年度陜西省科學技術獎項目信息公示
發布時間:2019-07-01

各有關單位:  

  現對我單位參與西安理工大學提名2019年度陜西省科學技術獎項目——“軸流式和貫流式水輪機性能優化的關鍵技術及應用”有關信息進行公示,公示期為2019年7月1日-2019年7月7日(7個自然日)。公示期內,任何單位或者個人對公示信息持有異議的,可以以書面方式向科技處提出,并提供必要的證明材料。

  聯系人:呂蘇奇       聯系電話:15858197717

  一、 項目名稱: 軸流式和貫流式水輪機性能優化的關鍵技術及應用

  二、 提名者:中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司

  提名意見:西安理工大學羅興锜教授團隊長期以來以國家級科技項目和國家重大需求為依托,結合多個大型軸流式和貫流式水輪機的研發實現產學研的協同攻關,攻克了軸貫流式水輪機空化磨蝕抑制技術和機組運行優化控制策略等難題,建立了完整的軸貫流式水輪機水力優化與性能評價體系,研發出了具有世界先進水平的系列軸流式和貫流式水輪機。近20年來,在我國半數以上大型軸流式(單機容量100MW及以上)貫流式(單機容量30MW及以上)水電站和10多個國家的大中型軸貫流水力發電工程中獲得成功應用,產生了巨大的經濟效益與社會效益,有力推動了水力機械行業的技術進步,為我國成為世界水電技術強國做出了重要貢獻,特提名參評陜西省科學技術進步獎一等獎。

  三、 項目簡介

  水電開發是我國實現經濟社會可持續發展的重要基石,截止2018年底,我國水電裝機高達3.52億千瓦,居世界首位。水輪機是水電站的“心臟”,是決定水能轉換效率的關鍵。軸流式和貫流式水輪機是水力發電的兩種主力機型,與混流式水輪機相比,其轉輪槳葉數少、過流能力大、槳葉角度可調、空化要求高,由此引發的槳葉間隙空化問題、槳葉磨蝕問題和槳葉操作系統漏油導致的污染問題一直是水輪機運行與設計的世界難題。項目組從1991年新疆且末一級電站改造伊始,以國家和企業項目為依托,歷經近30年的攻關,圍繞上述工程中普遍存在的突出問題,結合葛洲壩改造、樂灘、桐子林、洪江、南歐江二級、陶岔等大型電站水輪機的研發,先后攻克了軸流式和貫流式水輪機間隙泄漏流動機理、空蝕與磨蝕機理、水力優化設計方法和調節與控制策略等方面的難題,形成了完全自主知識產權的軸流式和貫流式水輪機技術體系。

  項目組的主要創新性成果如下:

  (1)提出了以導葉出流均勻度和總壓損失為目標的軸流式水輪機蝸殼優化方法,構建了兼顧雙向貫流式水輪機正反向水力性能的后置導葉優化設計體系,解決了軸流式和貫流式水輪機引水部件出流不均勻導致的轉輪動力強度性能差的問題。

  (2)揭示了三角鍥間隙流、槳葉葉頂間隙流對軸流式和貫流式機組空化、能量性能的影響機理,創新發展了基于聲、振聯合測試方法的空化實時檢測技術,提出了加裝裙邊等一系列抑制葉片間隙磨蝕的有效措施,攻克了軸流式和貫流式水輪機空化實時檢測與槳葉空化、磨蝕嚴重的難題。

  (3)提出了考慮轉輪—導葉耦合關聯的轉輪全三維有旋流動反問題設計方法,創建了兼顧水力和強度性能的轉輪多工況性能評價體系,首創了基于轉輪出口環量和軸面流速聯合控制的轉輪—尾水管匹配優化設計方法,效率普遍提高了2%左右,軸流式水輪機模型最高效率提高到93.84%,貫流式水輪機提高到94.25%,兩種機型的綜合性能指標均達到國際領先水平。

  (4)發明了一種無油潤滑轉輪結構及槳葉控制方法,成功解決了軸流式和貫流式機組普遍存在的由于槳葉操作機構漏油導致河流污染的難題;首創了微分優先型PID控制技術,成功抑制了調速器速度飽和的不利影響,提出了葉片自尋優調節策略,解決了機組實際運行時最優協聯工況難以準確定位的問題,提高了水輪機的綜合運行效率。

  本項目已獲授權發明專利8項,實用新型12項,修制定國家標準5部,發表學術論文107篇,其中SCI/EI收錄43篇,依托的國家自然科學基金重點項目“潮汐能發電中的水動力學問題研究”10位結題驗收評審專家的評價結論全部為“A”。

  四、 客觀評價

  (1)項目所依托的的國家自然科學基金重點項目驗收意見

  以倪晉仁院士為組長的專家組一致認為:獨創了潮汐貫流式水輪機核心部件的智能優化設計體系,并最終成功研制出雙向運行均具備高性能的豎井和燈泡貫流式水輪機水力模型,成功革新了貫流式水輪機的傳統設計理念,達到世界領先水平;成功研制出世界單機容量最大的大藤峽軸流式水輪機,極大提升了我國水輪機開發技術水平。專家組綜合評價為優秀(10A)。

  (2)科技查新結論

  查新結論為:“在國內外公開發表的中外文文獻中與本項目查新點完全相同的未見報道。”

  (3)參修編國家行業規范規程5部,授權發明專利8項,實用新型專利12項

  項目組成員參編《水輪機基本技術條件》、《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》和《水輪機控制系統技術條件》等5部國家行業標準,為水力發電和水輪機技術體系的建設提供了技術支撐。本項目的研究成果授權發明專利8項,實用新型專利12項。

  (4)研究成果在國內外多座電站中得到成功應用,得到了用戶的一致好評,創造了數百億的經濟效益,極大地推動了我國和國際水力機械行業的技術進步,取得顯著經濟和社會效益。

  五、 應用情況

  本項目成果在湖北葛洲壩改造、四川桐子林、廣西樂灘、廣西大藤峽(單機容量200MW,世界第一)、阿根廷Cepernic、西藏加查等水電站的大型軸流式水輪機和湖南洪江(單機容量45MW,目前世界上應用水頭最高、國內單機容量最大的燈泡貫流機組)、河南陶岔、老撾南歐江二級、四川犍為等電站的大型貫流式水輪機等國內外200多臺軸流式和貫流式水輪機的設計中獲得了成功應用,并向阿根廷、尼日利亞等10多個國家出口了軸流式和貫流式水輪機產品,兩種水輪機的綜合性能指標均達到國際領先水平;打破了西方企業在軸貫流式機組方面的技術壟斷。本項目已為電站創造了數百億的經濟效益,極大地推動了我國和國際水力機械行業的技術進步,取得顯著經濟和社會效益。

 

六、 主要知識產權和標準規范等目錄(限10條)

序號

知識產權類    別

知識產權

具體名稱

國家

(地區)

授權號

授權日期

證書編號

權利人

發明人

1

發明專利

一種帶有空間葉片的兩葉輪雙向軸伸貫流式水輪機

中國

ZL201610251070.3

2018-09-14

3072124

西安理工大學

馮建軍,羅興锜,朱國俊,翁凱,吳廣寬

2

發明專利

一種無油潤滑轉槳式水輪機轉輪

中國

ZL201610021371.7

2018-11-30

3165761

浙江富春江水電設備有限公司

龔芹炬,嚴科偉,沈釗根,何凱希,邵保安,周慶大

3

發明專利

確定模型水輪機轉輪葉片進口部位空化的聲學方法

中國

ZL201310585565.6

2016-09-21

2245284

哈爾濱電機廠有限責任公司, 

哈爾濱大電機研究所

趙越

4

發明專利

一種兼顧水力、強度性能的混流式轉輪多工況優化方法

中國

ZL201710833337.4

2018-09-25

3085441

西安理工大學

朱國俊,羅興锜,馮建軍,郭鵬程,吳廣寬

5

發明專利

確定模型水輪機轉輪密封空化的聲學方法

中國

ZL201310384651.0

2015-06-03

1687182 

哈爾濱電機廠有限責任公司

趙越

6

發明專利

一種基于力學模型的圓弧翼型葉片受力計算方法

中國

ZL201510094526.5

2017-05-31

2501097

西安理工大學

趙道利,孫維鵬,南海鵬,羅興锜,梁武科,寇林,田鵬飛,陳濤

7

發明專利

一種基礎翼型的水動力特性測試裝置及測試方法

中國

ZL201510364259.9

2017-09-26

2636430

西安理工大學

趙道利,孫維鵬,田鵬飛,寇林,羅興锜,梁武科,陳濤

8

發明專利

一種可調節的水輪發電機組冷卻風扇及其葉片調節方法

中國

ZL201510065972.3

2015-06-01

2096097

浙江富春江水電設備有限公司

吳廣寬,馮建軍,劉勝柱,羅興锜,張宇翔

9

國家標準

水輪機基本技術條件

中國

GB/T 15468-2006

2006-03-06

 

哈爾濱電機廠有限責任公司;….

宮讓勤;曾鎮鈴;吳新潤;陳丁;鐘蘇;吳培豪;李偉剛

10

國家標準

水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件

中國

GB/T 10969-2008

2008-06-30

 

哈爾濱電機廠有限責任公司; …

宮讓勤;徐洪泉;史光輝;吳新潤

 

 

七、 主要完成人情況 


姓名

排名

行政職務

技術職稱

工作單位

完成單位

對本項目貢獻

羅興锜

1

國家重點實驗室主任

教授

西安理工大學

西安理工大學

提出了考慮轉輪—導葉耦合關聯的轉輪全三維有旋流動反問題設計方法,創建了兼顧水力和強度性能的轉輪多工況性能評價體系

馮建軍

2

教授

西安理工大學

西安理工大學

提出了基于轉輪出口環量和軸面流速聯合控制的轉輪-尾水管匹配優化設計方法;提出了一種水輪機轉輪多學科多工況性能評價方法

郭鵬程

3

院長

教授

西安理工大學

西安理工大學

建立了兼顧雙向貫流式水輪機正反向水力性能的后置導葉優化設計體系,解決了雙向貫流式水輪機在反向工況下由于進口零環量導致的轉輪葉片頭部脫流損失過大的問題

鄭小波

4

副教授

西安理工大學

西安理工大學

提出了以蝸殼出流角和周向水流分布均勻度為主要參數的蝸殼性能定量評價指標,發展了以蝸殼迎水面傾角及支墩形狀參數為變量的軸流式水輪機引水部件優化方法

劉勝柱

5

副所長

教授級高工

浙江富安水力機械研究所有限公司

浙江富安水力機械研究所有限公司

首創了控制環量和軸面流速分布的轉輪水力設計方法,建立了轉輪與尾水管聯合優化設計體系,實現了既定尾水管限制下的轉輪優化設計

南海鵬

6

教授

西安理工大學

西安理工大學

揭示了大負荷擾動時調速器速度飽和引起系統穩定性變差的機理;提出了槳葉步長遞減循環搜索的自尋優調節方法

趙越

7

副總設計師

研究員級高工

哈爾濱大電機研究所

哈爾濱大電機研究所

發展了一種聲、振聯合測試技術,獨創了分析聲、振測試數據的時頻能量空間分布綜合分析方法,揭示了空化狀態下水輪機轉輪中空泡噪聲的頻率成分及分布特性

宮讓勤

8

副總設計師

高級工程師

哈爾濱大電機研究所

哈爾濱大電機研究所

在水輪機推廣應用中作為水輪機組設計的負責人,負責研究階段模型機的性能測試

龔芹炬

9

工程師

浙江富春江水電設備有限公司

浙江富春江水電設備有限公司

發明了一種無油潤滑轉槳式水輪機轉輪結構與槳葉控制方法,降低了轉輪漏油污染環境的風險

張樂福

10

教授級高工

西安理工大學

西安理工大學

揭示了軸流式水輪機導葉葉道渦和三角鍥間隙渦、柱狀渦三者相互作用誘發機組在大流量工況下效率降低、空化加劇的機理


 八、 主要完成單位及創新推廣貢獻

  西安理工大學作為第一完成單位,完成了本項目主要科技創新中的創新1、3中的全部工作以及創新2和創新點4的部分工作,其中包括:(1)揭示了軸流式水輪機不完全蝸殼對導葉出流特性的影響規律并發展了不完全蝸殼優化方法,解決了導葉出流均勻性差引起的機組轉動部件徑向載荷大的難題;建立了兼顧雙向貫流式水輪機正反向水力性能的后置導葉優化設計體系,解決了反向工況水力效率低、運行穩定性差的問題。(2)揭示了活動導葉和底環間三角鍥間隙渦流是軸流式機組大流量工況下空化和能量特性惡化的主要根源,提出了葉片間隙空化和磨損的有效抑制措施,成功解決了高含沙流域中葉片磨蝕嚴重的問題。(3)提出了考慮轉輪與導葉間流動耦合關聯的軸流式水輪機轉輪全三維有旋流動反問題設計方法,建立了軸流式和貫流式水輪機轉輪的多學科多工況性能量化評價方法,首創了基于環量和軸面流速聯合控制的轉輪優化設計方法,構建了具有自主知識產權的水輪機優化設計體系。將軸流式水輪機模型最高效率提高到93.84%、貫流式水輪機提升到94.25%,機組綜合性能指標為國際領先水平。(4)提出了抗速度飽和微分優先型PID控制方法,成功解決了由調速器速度飽和造成的軸貫流機組孤網運行不穩定問題;提出了步長遞減循環搜索的自尋優葉片調節方法,解決了軸流式和貫流式水輪無法達到最優協聯工況的問題。

  哈爾濱大電機研究所完成了本項目主要科技創新中創新點二的部分工作:發展了一種聲、振聯合測試技術,獨創了分析聲、振測試數據的時頻能量空間分布綜合分析方法,揭示了空化狀態下水輪機轉輪中空泡噪聲的頻率成分及分布特性,解決了軸流式和貫流式水輪機轉輪空化難以實時檢測的問題。同時哈爾濱大電機研究所和西安理工大學合作,對大型軸流式和貫流式水輪機的水力優化設計及模型試驗進行了深度合作,建立了具有國際先進水平的軸流式和貫流式水輪機水力優化設計系統及相應的性能預估方法。先后完成了湖北葛洲壩改造、四川桐子林、廣西樂灘、湖南洪江和湖南凌津等國內外數十個電站的大型軸流式和貫流式水輪機的水力開發和模型試驗研究任務,顯著提高了我國軸流式和貫流式水輪機的水力開發技術水平,為本項目科技技術的推廣做出了卓越的貢獻。

  浙江富安水力機械研究所有限公司完成了本項目主要科技創新中創新點3的工作:首創了控制環量和軸面流速分布的轉輪水力設計方法,建立了轉輪與尾水管聯合優化設計體系,突破了軸流式和貫流式水輪機水力設計的技術瓶頸。浙江富安水力機械研究所有限公司與西安理工大學開展了密切的技術合作,綜合自身的試驗研究優勢與西安理工大學在本項目中提出的先進技術開發了大量先進的軸流式和貫流式水輪機模型,并進行了相關的模型試驗,從而形成了新一代高性能軸流式和貫流式水輪機模型型譜。將軸流式水輪機機組綜合性能提高為國際領先水平,為本項目科技技術的推廣做出了卓越的貢獻。

  浙江富春江水電設備有限公司完成了本項目主要科技創新中創新點4的部分工作,具體為:創新發展了一種無油潤滑的軸貫流式水輪機轉輪結構設計與槳葉控制方法,降低了轉輪漏油造成環境污染的風險。在完成項目的過程中,浙江富春江水電設備有限公司還獲批專利1項。同時,浙江富春江水電設備有限公司還與西安理工大學開展了深入的產學研合作,將本項目中西安理工大學提出的先進軸流式和貫流式水輪機優化設計體系在我國眾多中低水頭水電站和10多個國家的大中型水力發電工程中進行了應用,實現了我國軸流式和貫流式水輪機性能的整體提升,機組綜合性能指標為國際領先水平,為本項目科技技術的推廣做出了的貢獻

  九、 完成人合作關系說明

  西安理工大學、哈爾濱大電機研究、浙江富安水力機械研究所有限公司和浙江富春江水電設備有限公司4個單位分工明確,在技術上實行聯合攻關,對軸、貫流式水輪機性能優化過程中的關鍵技術開展了深入研究。項目主要完成人中的羅興锜、馮建軍、郭鵬程、鄭小波、南海鵬、張樂福來自西安理工大學,趙越、宮讓勤來自哈爾濱大電機研究所,劉勝柱來自浙江富安水力機械研究所有限公司,龔芹炬來自浙江富春江水電設備有限公司。

  項目第一完成人羅興锜1986年4月碩士畢業于中國水利水電科學研究院,論文研究內容為水力機械內部三維流動計算,同年到西安理工大學任教。1992年2月至1995年6月在清華大學水利系在職攻讀博士學位,從1994年初開始開展本項目的研究工作,主要負責總體技術路線規劃和關鍵技術攻關。分別自1999年和2009年起,西安理工大學與哈爾濱大電機研究所和浙江富春江水電設備有限公司合作開展軸、貫流式水輪機水力設計技術與水輪機性能預估研究工作。

  項目任務來源之一,國家自然科學基金重點項目“潮汐能發電中的水動力學問題研究(51339005)”,西安理工大學是第一完成單位,羅興锜教授是項目負責人,郭鵬程教授、鄭小波副教授、馮建軍教授是主要完成人。項目組研發了高性能雙向貫流式水輪機,并在浙江富安水力機械研究所有限公司完成的性能測試。

  西安理工大學南海鵬教授負責了本項目水輪機的調節與控制方面的研究,提出了抗速度飽和微分優先型PID控制方法和步長遞減循環搜索的自尋優葉片調節方法。張樂福教授級高工,1986年至2017年間在哈爾濱電機廠股份有限公司工作,歷任水輪機室主任、副總設計師、副總工程師,于2017年3月調動到西安理工大學工作,參與了項目中軸流式和貫流式水輪機的水力優化和試驗研究工作。

  哈爾濱大電機研究所趙越負責水輪機空化發面的研究工作,發展了一種聲、振聯合測試技術,解決了軸流式和貫流式水輪機轉輪空化難以實時檢測的問題。哈爾濱大電機研究所宮讓勤參與了本項目水輪機設計方面的研究工作,并參與了多項水輪機相關的國家標準的修訂。

  浙江富安水力機械研究所有限公司的水輪機總設計師劉勝柱,于2002年3月至2005年12月在西安理工大學攻讀博士學位,歷任哈爾濱大電機研究所教授級高工。與西安理工大學羅興锜教授、馮建軍教授等合作提出了軸流式和貫流式水輪機引水參數化設計方法,為軸流式和貫流式水輪機性能指標的突破奠定了基礎。

  浙江富春江水電設備有限公司工程師龔芹炬,主要完成了本項目主要科技創新中無油潤滑轉槳式水輪機轉輪結構設計與槳葉操作機構控制方法的提出,并完成了相關專利的撰寫。


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