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我公司参与西安理工大学拟提名2019年度陕西省科学技术奖项目信息公示
发布时间:2019-07-01

各有关单位:  

  现对我单位参与西安理工大学提名2019年度陕西省科学技术奖项目——“轴流式和贯流式水轮机性能优化的关键技术及应用”有关信息进行公示,公示期为2019年7月1日-2019年7月7日(7个自然日)。公示期内,任何单位或者个人对公示信息持有异议的,可以以书面方式向科技处提出,并提供必要的证明材料。

  联系人:吕苏奇       联系电话:15858197717

  一、 项目名称: 轴流式和贯流式水轮机性能优化的关键技术及应用

  二、 提名者:中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司

  提名意见:西安理工大学罗兴锜教授团队长期以来以国家级科技项目和国家重大需求为依托,结合多个大型轴流式和贯流式水轮机的研发实现产学研的协同攻关,攻克了轴贯流式水轮机空化磨蚀抑制技术和机组运行优化控制策略等难题,建立了完整的轴贯流式水轮机水力优化与性能评价体系,研发出了具有世界先进水平的系列轴流式和贯流式水轮机。近20年来,在我国半数以上大型轴流式(单机容量100MW及以上)贯流式(单机容量30MW及以上)水电站和10多个国家的大中型轴贯流水力发电工程中获得成功应用,产生了巨大的经济效益与社会效益,有力推动了水力机械行业的技术进步,为我国成为世界水电技术强国做出了重要贡献,特提名参评陕西省科学技术进步奖一等奖。

  三、 项目简介

  水电开发是我国实现经济社会可持续发展的重要基石,截止2018年底,我国水电装机高达3.52亿千瓦,居世界首位。水轮机是水电站的“心脏”,是决定水能转换效率的关键。轴流式和贯流式水轮机是水力发电的两种主力机型,与混流式水轮机相比,其转轮桨叶数少、过流能力大、桨叶角度可调、空化要求高,由此引发的桨叶间隙空化问题、桨叶磨蚀问题和桨叶操作系统漏油导致的污染问题一直是水轮机运行与设计的世界难题。项目组从1991年新疆且末一级电站改造伊始,以国家和企业项目为依托,历经近30年的攻关,围绕上述工程中普遍存在的突出问题,结合葛洲坝改造、乐滩、桐子林、洪江、南欧江二级、陶岔等大型电站水轮机的研发,先后攻克了轴流式和贯流式水轮机间隙泄漏流动机理、空蚀与磨蚀机理、水力优化设计方法和调节与控制策略等方面的难题,形成了完全自主知识产权的轴流式和贯流式水轮机技术体系。

  项目组的主要创新性成果如下:

  (1)提出了以导叶出流均匀度和总压损失为目标的轴流式水轮机蜗壳优化方法,构建了兼顾双向贯流式水轮机正反向水力性能的后置导叶优化设计体系,解决了轴流式和贯流式水轮机引水部件出流不均匀导致的转轮动力强度性能差的问题。

  (2)揭示了三角锲间隙流、桨叶叶顶间隙流对轴流式和贯流式机组空化、能量性能的影响机理,创新发展了基于声、振联合测试方法的空化实时检测技术,提出了加装裙边等一系列抑制叶片间隙磨蚀的有效措施,攻克了轴流式和贯流式水轮机空化实时检测与桨叶空化、磨蚀严重的难题。

  (3)提出了考虑转轮—导叶耦合关联的转轮全三维有旋流动反问题设计方法,创建了兼顾水力和强度性能的转轮多工况性能评价体系,首创了基于转轮出口环量和轴面流速联合控制的转轮—尾水管匹配优化设计方法,效率普遍提高了2%左右,轴流式水轮机模型最高效率提高到93.84%,贯流式水轮机提高到94.25%,两种机型的综合性能指标均达到国际领先水平。

  (4)发明了一种无油润滑转轮结构及桨叶控制方法,成功解决了轴流式和贯流式机组普遍存在的由于桨叶操作机构漏油导致河流污染的难题;首创了微分优先型PID控制技术,成功抑制了调速器速度饱和的不利影响,提出了叶片自寻优调节策略,解决了机组实际运行时最优协联工况难以准确定位的问题,提高了水轮机的综合运行效率。

  本项目已获授权发明专利8项,实用新型12项,修制定国家标准5部,发表学术论文107篇,其中SCI/EI收录43篇,依托的国家自然科学基金重点项目“潮汐能发电中的水动力学问题研究”10位结题验收评审专家的评价结论全部为“A”。

  四、 客观评价

  (1)项目所依托的的国家自然科学基金重点项目验收意见

  以倪晋仁院士为组长的专家组一致认为:独创了潮汐贯流式水轮机核心部件的智能优化设计体系,并最终成功研制出双向运行均具备高性能的竖井和灯泡贯流式水轮机水力模型,成功革新了贯流式水轮机的传统设计理念,达到世界领先水平;成功研制出世界单机容量最大的大藤峡轴流式水轮机,极大提升了我国水轮机开发技术水平。专家组综合评价为优秀(10A)。

  (2)科技查新结论

  查新结论为:“在国内外公开发表的中外文文献中与本项目查新点完全相同的未见报道。”

  (3)参修编国家行业规范规程5部,授权发明专利8项,实用新型专利12项

  项目组成员参编《水轮机基本技术条件》、《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》和《水轮机控制系统技术条件》等5部国家行业标准,为水力发电和水轮机技术体系的建设提供了技术支撑。本项目的研究成果授权发明专利8项,实用新型专利12项。

  (4)研究成果在国内外多座电站中得到成功应用,得到了用户的一致好评,创造了数百亿的经济效益,极大地推动了我国和国际水力机械行业的技术进步,取得显著经济和社会效益。

  五、 应用情况

  本项目成果在湖北葛洲坝改造、四川桐子林、广西乐滩、广西大藤峡(单机容量200MW,世界第一)、阿根廷Cepernic、西藏加查等水电站的大型轴流式水轮机和湖南洪江(单机容量45MW,目前世界上应用水头最高、国内单机容量最大的灯泡贯流机组)、河南陶岔、老挝南欧江二级、四川犍为等电站的大型贯流式水轮机等国内外200多台轴流式和贯流式水轮机的设计中获得了成功应用,并向阿根廷、尼日利亚等10多个国家出口了轴流式和贯流式水轮机产品,两种水轮机的综合性能指标均达到国际领先水平;打破了西方企业在轴贯流式机组方面的技术垄断。本项目已为电站创造了数百亿的经济效益,极大地推动了我国和国际水力机械行业的技术进步,取得显著经济和社会效益。

 

六、 主要知识产权和标准规范等目录(限10条)

序号

知识产权类    别

知识产权

具体名称

国家

(地区)

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

1

发明专利

一种带有空间叶片的两叶轮双向轴伸贯流式水轮机

中国

ZL201610251070.3

2018-09-14

3072124

西安理工大学

冯建军,罗兴锜,朱国俊,翁凯,吴广宽

2

发明专利

一种无油润滑转桨式水轮机转轮

中国

ZL201610021371.7

2018-11-30

3165761

浙江富春江水电设备有限公司

龚芹炬,严科伟,沈钊根,何凯希,邵保安,周庆大

3

发明专利

确定模型水轮机转轮叶片进口部位空化的声学方法

中国

ZL201310585565.6

2016-09-21

2245284

哈尔滨电机厂有限责任公司, 

哈尔滨大电机研究所

赵越

4

发明专利

一种兼顾水力、强度性能的混流式转轮多工况优化方法

中国

ZL201710833337.4

2018-09-25

3085441

西安理工大学

朱国俊,罗兴锜,冯建军,郭鹏程,吴广宽

5

发明专利

确定模型水轮机转轮密封空化的声学方法

中国

ZL201310384651.0

2015-06-03

1687182 

哈尔滨电机厂有限责任公司

赵越

6

发明专利

一种基于力学模型的圆弧翼型叶片受力计算方法

中国

ZL201510094526.5

2017-05-31

2501097

西安理工大学

赵道利,孙维鹏,南海鹏,罗兴锜,梁武科,寇林,田鹏飞,陈涛

7

发明专利

一种基础翼型的水动力特性测试装置及测试方法

中国

ZL201510364259.9

2017-09-26

2636430

西安理工大学

赵道利,孙维鹏,田鹏飞,寇林,罗兴锜,梁武科,陈涛

8

发明专利

一种可调节的水轮发电机组冷却风扇及其叶片调节方法

中国

ZL201510065972.3

2015-06-01

2096097

浙江富春江水电设备有限公司

吴广宽,冯建军,刘胜柱,罗兴锜,张宇翔

9

国家标准

水轮机基本技术条件

中国

GB/T 15468-2006

2006-03-06

 

哈尔滨电机厂有限责任公司;….

宫让勤;曾镇铃;吴新润;陈丁;钟苏;吴培豪;李伟刚

10

国家标准

水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件

中国

GB/T 10969-2008

2008-06-30

 

哈尔滨电机厂有限责任公司; …

宫让勤;徐洪泉;史光辉;吴新润

 

 

七、 主要完成人情况 


姓名

排名

行政职务

技术职称

工作单位

完成单位

对本项目贡献

罗兴锜

1

国家重点实验室主任

教授

西安理工大学

西安理工大学

提出了考虑转轮—导叶耦合关联的转轮全三维有旋流动反问题设计方法,创建了兼顾水力和强度性能的转轮多工况性能评价体系

冯建军

2

教授

西安理工大学

西安理工大学

提出了基于转轮出口环量和轴面流速联合控制的转轮-尾水管匹配优化设计方法;提出了一种水轮机转轮多学科多工况性能评价方法

郭鹏程

3

院长

教授

西安理工大学

西安理工大学

建立了兼顾双向贯流式水轮机正反向水力性能的后置导叶优化设计体系,解决了双向贯流式水轮机在反向工况下由于进口零环量导致的转轮叶片头部脱流损失过大的问题

郑小波

4

副教授

西安理工大学

西安理工大学

提出了以蜗壳出流角和周向水流分布均匀度为主要参数的蜗壳性能定量评价指标,发展了以蜗壳迎水面倾角及支墩形状参数为变量的轴流式水轮机引水部件优化方法

刘胜柱

5

副所长

教授级高工

浙江富安水力机械研究所有限公司

浙江富安水力机械研究所有限公司

首创了控制环量和轴面流速分布的转轮水力设计方法,建立了转轮与尾水管联合优化设计体系,实现了既定尾水管限制下的转轮优化设计

南海鹏

6

教授

西安理工大学

西安理工大学

揭示了大负荷扰动时调速器速度饱和引起系统稳定性变差的机理;提出了桨叶步长递减循环搜索的自寻优调节方法

赵越

7

副总设计师

研究员级高工

哈尔滨大电机研究所

哈尔滨大电机研究所

发展了一种声、振联合测试技术,独创了分析声、振测试数据的时频能量空间分布综合分析方法,揭示了空化状态下水轮机转轮中空泡噪声的频率成分及分布特性

宫让勤

8

副总设计师

高级工程师

哈尔滨大电机研究所

哈尔滨大电机研究所

在水轮机推广应用中作为水轮机组设计的负责人,负责研究阶段模型机的性能测试

龚芹炬

9

工程师

浙江富春江水电设备有限公司

浙江富春江水电设备有限公司

发明了一种无油润滑转桨式水轮机转轮结构与桨叶控制方法,降低了转轮漏油污染环境的风险

张乐福

10

教授级高工

西安理工大学

西安理工大学

揭示了轴流式水轮机导叶叶道涡和三角锲间隙涡、柱状涡三者相互作用诱发机组在大流量工况下效率降低、空化加剧的机理


 八、 主要完成单位及创新推广贡献

  西安理工大学作为第一完成单位,完成了本项目主要科技创新中的创新1、3中的全部工作以及创新2和创新点4的部分工作,其中包括:(1)揭示了轴流式水轮机不完全蜗壳对导叶出流特性的影响规律并发展了不完全蜗壳优化方法,解决了导叶出流均匀性差引起的机组转动部件径向载荷大的难题;建立了兼顾双向贯流式水轮机正反向水力性能的后置导叶优化设计体系,解决了反向工况水力效率低、运行稳定性差的问题。(2)揭示了活动导叶和底环间三角锲间隙涡流是轴流式机组大流量工况下空化和能量特性恶化的主要根源,提出了叶片间隙空化和磨损的有效抑制措施,成功解决了高含沙流域中叶片磨蚀严重的问题。(3)提出了考虑转轮与导叶间流动耦合关联的轴流式水轮机转轮全三维有旋流动反问题设计方法,建立了轴流式和贯流式水轮机转轮的多学科多工况性能量化评价方法,首创了基于环量和轴面流速联合控制的转轮优化设计方法,构建了具有自主知识产权的水轮机优化设计体系。将轴流式水轮机模型最高效率提高到93.84%、贯流式水轮机提升到94.25%,机组综合性能指标为国际领先水平。(4)提出了抗速度饱和微分优先型PID控制方法,成功解决了由调速器速度饱和造成的轴贯流机组孤网运行不稳定问题;提出了步长递减循环搜索的自寻优叶片调节方法,解决了轴流式和贯流式水轮无法达到最优协联工况的问题。

  哈尔滨大电机研究所完成了本项目主要科技创新中创新点二的部分工作:发展了一种声、振联合测试技术,独创了分析声、振测试数据的时频能量空间分布综合分析方法,揭示了空化状态下水轮机转轮中空泡噪声的频率成分及分布特性,解决了轴流式和贯流式水轮机转轮空化难以实时检测的问题。同时哈尔滨大电机研究所和西安理工大学合作,对大型轴流式和贯流式水轮机的水力优化设计及模型试验进行了深度合作,建立了具有国际先进水平的轴流式和贯流式水轮机水力优化设计系统及相应的性能预估方法。先后完成了湖北葛洲坝改造、四川桐子林、广西乐滩、湖南洪江和湖南凌津等国内外数十个电站的大型轴流式和贯流式水轮机的水力开发和模型试验研究任务,显著提高了我国轴流式和贯流式水轮机的水力开发技术水平,为本项目科技技术的推广做出了卓越的贡献。

  浙江富安水力机械研究所有限公司完成了本项目主要科技创新中创新点3的工作:首创了控制环量和轴面流速分布的转轮水力设计方法,建立了转轮与尾水管联合优化设计体系,突破了轴流式和贯流式水轮机水力设计的技术瓶颈。浙江富安水力机械研究所有限公司与西安理工大学开展了密切的技术合作,综合自身的试验研究优势与西安理工大学在本项目中提出的先进技术开发了大量先进的轴流式和贯流式水轮机模型,并进行了相关的模型试验,从而形成了新一代高性能轴流式和贯流式水轮机模型型谱。将轴流式水轮机机组综合性能提高为国际领先水平,为本项目科技技术的推广做出了卓越的贡献。

  浙江富春江水电设备有限公司完成了本项目主要科技创新中创新点4的部分工作,具体为:创新发展了一种无油润滑的轴贯流式水轮机转轮结构设计与桨叶控制方法,降低了转轮漏油造成环境污染的风险。在完成项目的过程中,浙江富春江水电设备有限公司还获批专利1项。同时,浙江富春江水电设备有限公司还与西安理工大学开展了深入的产学研合作,将本项目中西安理工大学提出的先进轴流式和贯流式水轮机优化设计体系在我国众多中低水头水电站和10多个国家的大中型水力发电工程中进行了应用,实现了我国轴流式和贯流式水轮机性能的整体提升,机组综合性能指标为国际领先水平,为本项目科技技术的推广做出了的贡献

  九、 完成人合作关系说明

  西安理工大学、哈尔滨大电机研究、浙江富安水力机械研究所有限公司和浙江富春江水电设备有限公司4个单位分工明确,在技术上实行联合攻关,对轴、贯流式水轮机性能优化过程中的关键技术开展了深入研究。项目主要完成人中的罗兴锜、冯建军、郭鹏程、郑小波、南海鹏、张乐福来自西安理工大学,赵越、宫让勤来自哈尔滨大电机研究所,刘胜柱来自浙江富安水力机械研究所有限公司,龚芹炬来自浙江富春江水电设备有限公司。

  项目第一完成人罗兴锜1986年4月硕士毕业于中国水利水电科学研究院,论文研究内容为水力机械内部三维流动计算,同年到西安理工大学任教。1992年2月至1995年6月在清华大学水利系在职攻读博士学位,从1994年初开始开展本项目的研究工作,主要负责总体技术路线规划和关键技术攻关。分别自1999年和2009年起,西安理工大学与哈尔滨大电机研究所和浙江富春江水电设备有限公司合作开展轴、贯流式水轮机水力设计技术与水轮机性能预估研究工作。

  项目任务来源之一,国家自然科学基金重点项目“潮汐能发电中的水动力学问题研究(51339005)”,西安理工大学是第一完成单位,罗兴锜教授是项目负责人,郭鹏程教授、郑小波副教授、冯建军教授是主要完成人。项目组研发了高性能双向贯流式水轮机,并在浙江富安水力机械研究所有限公司完成的性能测试。

  西安理工大学南海鹏教授负责了本项目水轮机的调节与控制方面的研究,提出了抗速度饱和微分优先型PID控制方法和步长递减循环搜索的自寻优叶片调节方法。张乐福教授级高工,1986年至2017年间在哈尔滨电机厂股份有限公司工作,历任水轮机室主任、副总设计师、副总工程师,于2017年3月调动到西安理工大学工作,参与了项目中轴流式和贯流式水轮机的水力优化和试验研究工作。

  哈尔滨大电机研究所赵越负责水轮机空化发面的研究工作,发展了一种声、振联合测试技术,解决了轴流式和贯流式水轮机转轮空化难以实时检测的问题。哈尔滨大电机研究所宫让勤参与了本项目水轮机设计方面的研究工作,并参与了多项水轮机相关的国家标准的修订。

  浙江富安水力机械研究所有限公司的水轮机总设计师刘胜柱,于2002年3月至2005年12月在西安理工大学攻读博士学位,历任哈尔滨大电机研究所教授级高工。与西安理工大学罗兴锜教授、冯建军教授等合作提出了轴流式和贯流式水轮机引水参数化设计方法,为轴流式和贯流式水轮机性能指标的突破奠定了基础。

  浙江富春江水电设备有限公司工程师龚芹炬,主要完成了本项目主要科技创新中无油润滑转桨式水轮机转轮结构设计与桨叶操作机构控制方法的提出,并完成了相关专利的撰写。


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