1、水电设备专业发展报告汇报人：陆力主 编：陆力首席专家：陆力副主编：罗兴锜胡伟明王福军戴康俊彭忠年陈服军潘罗平徐洪泉 郑 源黄悦照王雅军组织协调：中国电机工程学会水电设备专委会2018 年11 月引言最新研究进展发展趋势分析与展望创新发展机制分析与建议结论123451 引言 研究对象：包括水轮机/水泵水轮机、水轮发电机/发电电动机，及其辅助设备：水轮机调速系统、水轮机进水阀、发电机励磁系统。研究范围及作用：包括水电设备的设计、制造、安装、调试、运行、维护及更新改造的设备全生命周期，以保障水电设备运行的安全、高效和稳定。1研究对象、范围及作用1 引言 国外研究现状：发达国家水电资源基本开发完成，水
2、电开发技术研究及设备市场已转向亚非拉等地。国内研究现状：水轮机、水轮发电机设计、制造方面整体已达到国际先进水平，部分机型达到国际领先水平，形成以哈电、东电为主体，以上海、天津、杭州等中外合资企业以及全国各地的一批中小企业为辅的比较完整的水电设备制造体系；通过宝泉、蒲石河等电站的联合设计，哈电、东电两大水电设备企业的抽水蓄能机组设计、制造能力得到了大幅提高。2国内外研究现状1 引言 水轮机/水泵水轮机流动理论及优化设计 水轮发电机及发电电动机技术 水电站安全运行技术 水电设备状态监测及智能诊断技术 模型及现场测试技术 水电设备制造与加工技术 水电站励磁调速与控制技术 水电站自动化与信息化技术等技
3、术领域均实现了关键技术的突破3主要关键技术根据本专业领域国内外重点技术研究成果和重要工程实践情况，归纳梳理出本专业领域的主要关键技术1 引言 剩余水电开发条件相对较差，敏感因素相对较多，面临的生态环境保护压力加大。能源结构的转型升级要求抽水蓄能占比快速大幅提高。同时，也需要常规水电机组能提供更加宽广的电能调节功能，以快速响应电网调节需求。4存在的主要问题 水轮机/水泵水轮机水力设计：在给定设计条件下确定过流部件几何参数和几何形状的过程。在水轮机/水泵水轮机设计过程中，离不开流动理论的支持，即通过流场计算来评估水轮机/水泵水轮机的设计方案，从而实现水轮机/水泵水轮机优化设计。水轮机/水泵水轮机流
4、动理论及优化设计 12 最新研究进展 随着设计理论的成熟、CFD技术的发展以及智能优化设计方法的应用，水轮机/水泵水轮机设计技术发生了根本性的变化，取得了显著成果。国内已经能够快速高效地研发出满足工程需要的效率高、空化性能好、运行稳定的水电机组。水轮机/水泵水轮机流动理论及优化设计 12 最新研究进展整体而言，反击式水轮机的设计理论和方法得到了快速发展。但对于冲击式水轮机，国内优化设计理论和方法尚处于起步阶段。国内对高水头冲击式水轮机的优化设计还缺乏经验，在内流机理、比尺效应等流动理论以及结构、材料、控制等方面尚需要突破2 最新研究进展 水轮机/水泵水轮机流动理论及优化设计 1国内企业设计制造
5、了三峡右岸、地下电站700MW机组、向家坝800MW机组、白鹤滩1000MW机组。国产机组在水力设计、电磁设计、冷却方式、绝缘技术等方面均达到国际先进水平，实现了大型混流式水轮发电机组的跨越式发展。哈电创新采用定子绕组全空冷技术，全空冷发电机的最大容量已达889MVA（向家坝）。东电在三峡地下电站700MW机组中采用自主知识产权的蒸发冷却技术代替水内冷技术。2 最新研究进展 水轮发电机及发电电动机技术 2 我国东电和哈电两大水电设备制造企业在干中学，不断总结经验，技术水平有了较大的提高，已具备与福伊特、东芝、阿尔斯通、安德里兹等国外水电设备制造商同台竞争的实力。2010年国网电科院具有完全自主
6、知识产权的SFC顺利完成全部功能验证试验，具备了实现SFC完全自主生产的条件和能力，使抽水蓄能机组控制设备实现完全国产化。2 最新研究进展 水轮发电机及发电电动机技术 22 最新研究进展 在抽水蓄能电站厂房振动、巨型机组 刚强度及稳定性、水泵水轮机“S”特性及水泵驼峰区稳定性、压力脉动 相似性、稳定性评价、压力脉动危害机理及传播规律等方面取得重大进展。机组运行稳定性技术 水电站安全运行技术 3水轮机起动并网工况“S”特性导致机组并网不成功水力激振研究2 最新研究进展 机组运行稳定性技术水泵水轮机水泵驼峰区发现“类磁滞回线”现象，即开关阀门时流量-扬程曲线走不重复路径，且部分工况不连续，有跳跃现
7、象，认为：该 跳跃不连续现象是造成压力振荡原因，属“相变”过程 水电站安全运行技术 3 分离流与涡流的形成机制研究，有效反映了旋转、脱流和空化对机组运行稳定性的影响。水电站安全运行技术 32 最新研究进展 在基础理论与计算方法研究，水电 站管道系统水击理论研究等方面取得了研究进展。过渡过程及暂态稳定性技术 机理研究与磨蚀预估 水力及结构设计优化 磨蚀防护材料及措施 空化空蚀与泥沙磨损技术 水电设备状态监测及智能诊断技术 42 最新研究进展多设备、网络化状态监测技术在水电站/水泵站的应用已越来越普遍 水电设备状态监测及智能诊断技术 42 最新研究进展 国内外首次建成跨流域一体化数据平台，实现水电
8、机组远程集中监测与诊断 系统涉及2个流域，4个电站（三峡、葛洲坝、溪洛渡、向家坝），共 81台机组 2011年12月，移交长江电力投入生产运行 水电设备状态监测及智能诊断技术 42 最新研究进展 基于一体化数据平台，开展了水电机组智能评估和异常诊断技术研究 提出了基于健康样本的异常诊断理论及方法 水电设备状态监测及智能诊断技术 42 最新研究进展 提出了多维度健康评估与异常检测方法，实现了水电机组实时健康评估和异常诊断2 最新研究进展 模型及现场测试技术 5 国内模型试验台水平提高明显，目前国内外在模型测试硬件配备上基本没有差距，包括中国水科院、哈电和东电在内的国内主要试验台的测试不确定度、测
9、量重复性等指标已经达到国际先进水平 我国在浑水测量、磨蚀测试等方面处于国际领先地位2 最新研究进展 模型及现场测试技术 5 模型测试内容进一步扩展，转轮力特性和流态观测等已成为常规测试项目 国外利用模型试验台完成的基础研究性成果较多，国内完成的工程应用成果较多，对基础性研究成果还不够深入。2 最新研究进展 模型及现场测试技术 5 近几年，国内开展了内部流动的激光LDV测速技术、粒子图像PIV测速技术、水轮机空化高速摄影观测、叶片表面动压力测试研究等相关科研工作，取得了较大的研究进展2 最新研究进展 模型及现场测试技术 5 关键部件动应力测试、多声道超声波流量测量、热力学水轮机效率测试等现场测试
10、技术在水电站得到了广泛应用2 最新研究进展 模型及现场测试技术 5 研发机载动应力测试装置，解决了水电机组关键部件动应力测量工作繁杂、精度低的技术难题 国内水力发电设备厂商陆续增加了大量数控加工设备，水电产品制造能力不断提升三峡左岸叶片正面数控加工2 最新研究进展 水电设备制造与加工技术 6水轮机模型转轮的设计制造与3D打印 3D打印技术应用于水轮机模型转轮制造，提高了水力设计与试验效率2 最新研究进展 水电设备制造与加工技术 63 发展趋势分析与展望 分析本专业领域各技术方向的重大进展，提出以下4个技术方向的发展战略需求 大容量冲击式水轮机技术 超低水头水轮机技术 鱼类友好型水轮机技术水轮机
11、关键技术 抽水蓄能机组关键技术 连续变速发电电动机组关键技术 超大容量水轮发电机的冷却技术发电机/电动机关键技术 具备宽广电能调节功能的水电机组运行稳定性及可靠性技术 抽水蓄能机组运行稳定性技术水电机组安全运行关键技术 信息共享技术 设备数字化技术 智能一体化数据平台 数据智能应用技术 无线传感器网络应用技术智能水电站关键技术2 1 3 4雅鲁藏布江大拐弯 规划中的雅鲁藏布江大拐弯处电站设计拟采用大容量冲击式机组。对于冲击式水轮机技术，国内还缺乏经验，在流动机理、结构、材料、控制等方面与国外技术相比还有较大差距，需要有所突破。3 发展趋势分析与展望大容量冲击式水轮机技术3 发展趋势分析与展望
12、全球超低水头（0-3m水头）水力资源储量非常丰富 超低水头水力发电技术由于技术限制和经济性考虑等原因很少被采用 近年来随着常规水电开发难度不断加大，越来越多的专家学者开始关注超低水头水轮机的研究超低水头水轮机技术杭州林东新能源科技股份有限公司历时8年研发建设的世界首个3.4MW海洋潮流能发电平台一期1MW发电机组，已在舟山市岱山县秀山岛南部海域实海况稳定运行超过10个月，这一项技术已成功打破世界纪录。鱼友型水轮机转轮 过机鱼伤害机理和鱼友型水轮机生物设计准则研究 基于生物设计准则的鱼友型水轮机设计理论及关键技术研究3 发展趋势分析与展望鱼友型水轮机研究的技术发展趋势发展驱动力分析新能源的大规模
13、应用成为抽水蓄能电站建设的强大推动力水电设备产业转向风电设备制造战略重心移向国外市场老旧电站水电设备技术改造也成为推动水电设备企业发展的驱动力之一4 创新发展机制分析与建议生态环保压力不断加大水电开发经济性逐渐下降水电设备企业研发投入不足“产学研用”结合不够紧密学科布局较分散难以形成合力基础研究不够深入影响发展的因素4 创新发展机制分析与建议针对制约我国水电设备持续进步的诸多因素，提出如下：发展战略与建议（1）开展水轮机智能化创新设计理念的技术研究。（2）重视极端环境下水力机械内流机理及其稳定性研究。（3）科研工作要由重视部件攻关向关注系统研究推进。（4）进一步加大研发投入，从国家层面进行科学
14、的部署和管理。（5）加强创新团队与人才建设，进一步推动水电设备相关学科体系建设。（6）加大行业统筹，推进行业协作。（7）强力推动水电设备技术的产-学-研-用的紧密结合。（8）进一步发挥中国电机工程学会水电设备专业委员会在水电设备专业学科建设方面的引领作用。（9）开展故障公开和交流研究。4 创新发展机制分析与建议5 结论 我国的水电设备技术经过近20多年的快速发展，不论在新机型研发还是工程应用，都取得了举世瞩目的成绩。设计、制造、安装、运行及管理等各个领域的研究和工程人员通过自力更生，倒逼自主创新能力的提升，使我国常规水电机组的研究达到国际先进水平，主要专业领域均实现了关键技术的突破。抽水蓄能机组仍有一些关键技术亟待突破，生态友好型水轮机、大容量冲击式水轮机、超低水头水轮机、双向贯流式水轮机关键技术仍需进一步开发研究。将水电设备这一国之重器的关键技术牢牢掌握在中国人自己手中衷心感谢陆力主编和编写组专家！衷心感谢以下参编单位！中国水科院、西安理工大学、中国长江三峡集团公司、中国农业大学、北京规划勘测设计研究院
