简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】国际招投标

【课题编号】N0105182006

【课题起止时间】2006年5月～2009年11月

【完成单位】北京中水科水电科技开发有限公司

【主要完成人】陆  力、徐洪泉、李铁友、王万鹏、安  庆、彭忠年、穆恩良、 郭  智、廖翠林、陈  锐、张向东、瞿  军、潘罗平、田亚娟、赵立策、王武昌、宫衍斌、齐永强、窦立玮、唐拥军

立项背景

中国水利水电科学研究院一直坚持“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的科技发展指导方针，在我院总体发展规划中明确提出要“提高面向国际，走向国际舞台，参与国际竞争的能力”，据此，中水科技公司通过分析研究国内外水利水电建设的发展趋势和实际需求，认为我国目前水电建设趋势放缓，水电设备制造业产能相对过剩，而国际上许多新兴经济发展中国家随着对能源需求的不断扩大，对水电开发需求旺盛，采取“走出去，引进来”的方法，扩大国际间的交流和合作力度，拓展国际市场十分必要。在院领导的具体领导下，中水科技以自有技术为依托，以越南市场为突破口实现“走出去”，将中国的水电设备和先进技术引入到国际水电建设领域。

该项目于2005年8月发售标书，共有包括中国（中国水科院、哈尔滨电机厂有限责任公司和东方电机股份有限公司等）和印度在内的九个单位参加投标。我院利用自身的技术优势，采用了国内先进的机电技术，特别是采用自己研究开发的、具有自主知识产权的高效水轮机模型，坚持“优质优价但不以最低价进行恶意竞争”的原则，参与了该项目的竞标。经过2005年10月和2006年2月两次竞标，我院最终由于价格合理、技术领先而中标，并于2006年5月8日签署了正式合同。

详细科学技术内容

该项目属机电设备的交钥匙工程，涉及厂房内全部机电设备的设计、制造、运输、安装、调试及机组试运行，包含水力机械及辅助设备、发电机及辅助设备、电气一次二次、起重机、大型阀门、通信系统、计算机监控及保护系统、空调及通风系统等若干技术领域。在项目执行过程中，又涉及设计（包括计算）、材料科学、试验技术、工艺科学、质量检验等技术环节。

在设计中，首先要进行的设备选型设计及性能优化设计，以确定水轮机、发电机、调速器、励磁、水轮机进口主阀等主要设备的主要参数。在此期间需进行水轮机的水力计算，根据电站条件进行“量体裁衣”式优化设计；发电机则需通过电磁计算、主轴临界转速计算等优化效率、GD2等性能参数；通过调保计算等来修正水轮机导叶关闭规律；根据电站在电网中的作用及电站的功能要求（如频率稳定性、电压稳定性、调速功、励磁电压电流、电网对电站的调度和控制要求等）对调速器、励磁、计算机监控及保护系统、通信系统等设备进行功能、品质的优化设计。其后还需对重点设备进行结构计算和设计，以保证设备的刚强度及运行的安全稳定性。对所有设备的布置及连接设计是对所有技术的集成。

在材料选择方面，水轮机设计中选用了抗磨材料，发电机和轴承系统选用许多新型材料，主轴的摩擦传递也选用了增加摩擦力的新材料。

在设备加工、安装中，也采用了许多新工艺，如主轴连接工艺、蜗壳浇筑混凝土工艺等。

主要设备的主要科学技术内容包括：

在水轮机的设计中，需根据电站的条件及技术要求选择水轮机的基本参数，进行水轮机的选型设计，再根据电站限定的流道条件进行水轮机的流道优化设计，以获得最佳的水轮机效率、出力、空化和稳定性等性能，并进行结构设计和强度设计等。

在发电机的设计中，涉及的主要技术问题包括：转速选择、GD2选择、临界转速计算、电磁计算、通风设计及计算、冷却设计及计算、机座号选择、主要材料选择、发电机各部分损失计算、结构设计及刚强度计算，等等。

在励磁系统的设计中，基本功能的稳定齐全和各种调节功能的开发是关键技术问题。该励磁调节器采用的变增益自适应的PID计算方式及大小网识别技术都比较先进。

在进水主阀的设计中，除需保证阀门刚强度外，还要求阀门密封功能好、扰流损失小、空蚀轻、操作及控制功能优良等，事故情况下能快速关闭。在本项目主阀设计中，还增加了检修密封。

调速器系统的设计中，我们采用了先进的数字阀和微机技术、可靠的电气隔离技术、多通道冗余的设计、最新的计算机通讯技术、两路冗余的测频方式等新技术。

在开关柜的设计中，根据电站高温、潮湿的特点，采用了金属铠装、耐电弧的手车型开关柜，有效满足了“五防”闭锁的要求；在绝缘材料的选取上，均采用耐电弧、耐高温、阻燃、低毒、不吸潮且具有优良机械强度和电器绝缘性能的材料。

在计算机监控及保护系统的设计中，采用了分级分布式控制系统（DCS）设计，对各自级别的设定了不同的控制权限，高效、灵活的实现了系统的现地和远程控制及上下游电站联调等；系统功能齐全，操作简单。

发明及创新点

（1）选择比转速较高的（最优工况比转速为199m•kW）的水轮机转轮，以降低造价；但在转轮最优工况选择时，并没有选择高单位转速，而是逆向选择了相对较低的单位转速，使最优工况对应水头（71.4m）比较靠近电站最高水头（71.6m），可大大改善电站在高水头的稳定性。

（2）根据电站对蜗壳进口直径和偏心、尾水管出口形状的要求，我们采用了“量体裁衣”的设计模式，即保持其控制尺寸不变，通过对其余尺寸、形状的数值模拟和优化，使水轮机的性能尽可能不低于保证值。

（3）转轮与主轴采用可互换的摩擦传递扭矩方式，为满足性能，采用螺栓加热预紧工艺。为解决控制环抗磨块遇水膨胀的问题，此次采用了新结构、新材料的抗磨块。

（4）发电机转子磁轭采用叠片式结构，磁轭冲片面积减小，减小部分作通风道使用，从而取消了磁轭通风槽板，既节省了冲片材料，又使结构更为紧凑，节约了机组成本。转子磁轭冲片及磁极冲片采用了专用的磁性材料，可有效提高机组的性能。

（5）定子采用8毫米通风道，缩短了铁心长度，增加了通风面积，可有效降低定子温升，既提高了性能，又降低了成本。

（6）励磁调节器采用变增益自适应的PID计算方式，使之在全压起励过程中既能快速升压，又无超调、无振荡，大大超过国家及行业标准中所规定“全压起励的电压超调量＜10%的额定值，振荡次数小于3～5次，起励时间小于5秒”的指标。调节器的同步范围非常宽而稳定，具有自动零起升压和系统电压跟踪功能，接到建压令后自动将发电机电压从零逐步递升到额定或与系统电压一致，从而保证起励无超调无振荡。稳定的下限≤1.8%的额定值，该指标大大优于国家标准“下限应≤10%的额定电压”的指标。

（7）该励磁系统采用的大小网识别技术充分发挥了计算机的软件功能，自动识别发电机带的是大网负荷还是带小网负荷，可有效的避免发电机在大网解列或甩远端负荷时所产生的过电压。

（8）在通常的水轮机进水阀门设计中，只设一道工作密封，通常采用“O”型圈密封，不设检修密封。在北平电站中，业主要求增加检修密封，而生产厂家没有设计和生产过。我们参考国内外有关文献和资料，为他们选择了“空气围带”式密封方案，确定了设计的总体思路和结构，由主阀厂家具体实施。该阀门及检修密封已经投入运行，运行状态良好。

（9）北平电站非常炎热、潮湿。在潮湿环境下，电气控制柜防冷凝结露非常重要。在所有的重要控制柜柜内，我们大多都加设了加热装置，以防止冷凝。对冷却水管道都采取了防冷凝设计，在管道外加设了厚厚的保温层，以防止热空气与冷却水管道接触在管道外凝结露水。

（10）为保证产品质量，我们一方面帮各分包厂家建立和完善质量管理体系，一方面将IEC的有关标准翻译给他们让他们严格执行，并根据设备特点采取了长期监造和出厂检验两种监管措施，确保不合格产品不出国门。为保证安装质量，我们则将我国所独有的《水轮发动机组安装标准》等翻译成英文推荐给业主和越南的监理公司，让他们和我们一起监督安装质量，宣传和推广了中国标准，促进了中国标准的国际化。

（11）为减轻人民币升值的不利影响，我们在项目投标前即进行了详细的分析和动态核算；合同执行中，下大力气保证按时供货，不受电站土建延期影响，及时结汇；在合同后期和其它项目一起进行了美元远期结售汇交易，大大减轻了汇率风险。

（12）进入水电设备成套出口领域是本项目最大的创新。首先，在该领域，水科院有巨大的优势，其原因在于：水科院有良好的国际信誉；水轮机技术是该类项目的核心技术，而掌握核心技术的企业寥寥无几，能进行“量体裁衣”式设计的更少；哈电、东方等大企业或无暇顾及，或价格太高，在该领域我们最适合。其次，进入该领域，能最大程度的发挥我们的优势，使收益和我们在整个项目中发挥的作用成比例。第三，进入该领域后，对我们的水轮机研发有很大的促进作用，增加了技术积累。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

越南北平水电站属于中小型水电站，能制造其所需水轮机、发电机设备的厂家非常多。但是，由于其无论是功率还是尺寸都比较小，国内外的大型水电设备厂家都不会承接，更不会为其成套供货。相比较而言，中国生产这些设备的厂家门类齐全，主机（水轮机和发电机）设备技术先进，是最适合进行成套供货的国家。在中国，只有中国水科院和哈尔滨电机厂、东方电机厂具有水轮机研发能力，其它水电设备厂家没有研发能力，不太适合利用自主研发技术投标国外需进行“量体裁衣”式设计的水电设备，因为采用非自主研发技术会增加很多费用。因此可以认为，我单位利用自主研发技术来进行国外中小型水电站机电设备的成套出口，有一定的技术优势。

就越南北平电站所选用我们自主研发的水轮机转轮，其模型最高效率为94.3%，额定工况模型效率为92.88%，真机效率为93.88%，加权平均效率为93.24%。电站空化系数为0.135，转轮临界空化系数为0.082，空化安全系数为1.648，安全余量比较大。该转轮比较适合电站运行条件及加权平均效率要求，在2005年应为国际先进水平。其发电机设计中采用了许多新技术，发电机效率在cosφ=0.85时为97.5%，在cosφ=1.0时为97.94%,在类似发电机中属国际先进水平。

Ø            成果应用情况及社会经济效益

该项目的实施，不但为我院创造了相关工程业绩，积累了经验，培养了技术和管理人才，也为我院进入国际水电市场打下了良好的基础，创造了良好的信誉，提高了我们的国际竞争力和影响力。

继北平项目之后，我们又于2007年中标越南大青电站机电设备成套供货及安装项目，分上下游两个电站，共4台混流式水轮发电机组，144MW，合同总额1490万美元。2008中标土耳其BH水电站机电设备成套供货及安装项目，2台轴流转桨式水轮发电机组，48MW，合同总额860万欧元。2009中标土耳其GB水电站机电设备成套供货及安装项目，3台混流式水轮发电机组，99MW，合同总额1625万美元。这些项目的中标及顺利进行，都和北平项目的成功有很大关系。

北平电站投入运行后，每年的发电收入约900万美元，社会效益约9600万美元。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

水电设备成套出口项目要长期坚持下去，一是严把质量关，严格执行标准，走精品路线；二是要创新，创新技术，创新管理，用新技术产品去占领国际市场；三是要培养好国内外合作伙伴，走合作共赢路线。成套项目目前存在困难很多，如缺乏人才，政策支持力度不够，搞成套项目难以出成果等问题。