国内外水轮机发展动态

国内外水轮机发展动态国内外水轮机已处于多品种、大容量时代，行业发展方向是优质、联台、高科技；技术发展动向是改善水力性能，提高运行可靠性，降低制造成本，重视老电站改造和环境友好。国内水轮机技术发展是以三峡700MW水轮机联台设计、台作生产、技术转让为契机，消化吸收国际先进技术，开发大容量混流式、贯流式、可逆或水泵水轮机，使国产设奋不仅在制造能力上，而且在产品质量、性能、可靠性各方面均髓满足国内外水电市场的需要。世界水轮机已处于多品种、大容量时代我公司是国内生产水力发电设备的大型骨干企业之一水电作为一种可再生、投有污染、调度灵活、成本低廉、效益显著的优质能源，一经开发，百年受益，造福当代，惠及子孙。我国水力资源得天独厚，水能资源藏量为6．76亿kW，其中可开发部分为3．78亿kW，居世界各国之首。解放前，全国水电总装机仅160MW，水电设备制造几乎是一片空白。解放后，党和国家对水电开发十分重视，到1996年全国水电装机已达55000MW，已开发利用14．7。目前，以三峡工程为首，二滩、李家峡、小浪底、万家寨、天生桥、大朝山、宝珠寺等一大批电站正在建设，据不完全统计，在建项目总容量超过了36000MW。下世纪初，我们西部地区，又有向家坝、溪洛渡、瀑布沟、小湾、龙滩、水布垭、拉西瓦等一大批单机容量大于500MW的电站要动工兴建。水轮机用于水力发电已有i00多年历史，随着水电资源的开发，推动了水轮机技术的发展从而使水轮机进入了一个多品种、大容量时代。水轮机因地制宜，水头最小1～2m，lO00--2000m，都有相应品种。大体可分为冲击式、混流式、斜流式、轴流式、贯流式水轮机六大类以及相应可逆式水泵水轮机，它们分别适用于不同水头和流量每种类型水轮机还有很多品种，如：贯流式水轮机又有灯泡贯流、全贯流、轴伸贯流、虹吸贯流、坚井贯流、潮汐双向贯流等，总起来有百种之余表I为已运行的单机容量最大各类水轮机}表2为已投运水轮机的最大转轮直径；表3为已投运的水头最高的各类水轮机。自六十年代，世界上第一台500MW混流式水轮机在前苏联克拉斯诺雅尔斯克电站投入运行以来，全世界掀起了一股提高水轮机比转速、增大水轮机单机容量的风潮，迄今容量超过500MW，可谓已进入大容量时代。为止全世界已有7座水电站、62台机组单机冲击式水轮机施式水轮艟流式求轮机；水轮机使用水头、流量范围水轮机类型I国际I国内东电冲击式轴流式斜流式贯流式水泵水轮机挪威圣西玛315M中国水口200MW前苏联泽雅2i5MWI：1本只见65．8MW美巴斯康蒂457Mw宋河z16MW永口z00MW毛家村8MW百龙滩33MW广蓄300MW葛洲坝170MW流傩埙6MW表2已投运的最大转轮直径裹3已投运的水头最高的各类水轮机承轮机类型国际国内东电冲击式臭地利莱塞克~771ra天潮10Z6．4m混流式典地利霍斯林744m鲁布革37Z，5ra渣子溪318m斛汽式日奉薪日向川113m毛家村77m轴赢式意大利部门比亚88m石仃78ra太化40~a贯流式日本只见24．3m南津菠176m疯滩坝9．6m嘱流式水泵水轮机儡加科亚茶伊拉701m广蓄550m由表1、2、3可知，我国水轮机除轴流式水轮机之外，其他各类水轮机均与国际水平有较大差距。3国外水轮机技术发展新动向目前国外水轮机制造业处于不景气状态，先进的发达国家，如日本、法国、拂威等国内水电资源已开发8O以上，产品基本依赖出口；发展中国家由于资金短缺，近十年几乎没有什么大型工程上马，国外水轮机制造面临市场危机为了生存和发展，提高市场竞争力，目前动向是：优质、联合，发展高科技。这同我们机城部提出的三大战役有异曲同工之处。3．1优质以质量求生存，以质量求发展。提高产品质量从设计、工艺、制造全过程中垒员的全面质量管理．到产品开发前要有目标、计划，开发过程中要有措蘸、评审、记录、确认，要“三按”生产，开发结束要有总结和验证全过程受控的IS09001国际质量体系的认证。从保质量、无差错、无废品，到优质、追求工作质量的改善、生产质量的强化、产品质量的提高，来满足用户要求，让用户无可挑剔。水轮机在不少人看来，是埋在土里的设备，“傻、太、笨、粗的产品。而现在，国外公司都想方设法制造“高、大、精、细”的名牌产品，高是高比速、高技术；大是大型化；精是高精度；细是精细，即在满足刚、强度要求下尽可能细，以减轻重量、降低成本这标志着水轮机市场的要求类似我国家电、服装市场．已从有没有台适产品过渡到要好产品、要质量信得过的名牌产品的时代。如水轮机座环，不少人认为它是一件又大、又重、埋在混凝土里的部件，往往不予重视。而挪威克瓦纳公司则认为它是水轮机中承受复杂应力、影响水力性能、且修补4《东方电机》1998年第1期更换困难，应给予充分重视的重大部件，给我国天荒坪电站生产的水泵水轮机座环竟然是利用锻钢在数控铣上加工出来的。就是这家克瓦纳公司，肯在质量上下功夫，1980年以前只能生产挪威国内水轮机的无知名度水轮机企业，迅速崛起，短短十多年，兼并、合资全世界(美、英、中、瑞士)多家水轮机制造厂，一跃成为称霸世界水轮机市场的跨国公司。在全世界水轮机订单中，1993~1994年占l3,1995年占27％；1996年占3O％多，把水轮机强企日立、东芝、三菱、富士、德国vOITH、法国ALSTHOM、加拿大GE、债罗斯LMZ等统统抛到后面，证明了市场的竞争归根到底是质量竞争这一真理。在赢得市场同时，优质优价制造厂亦获得很大经济效益。3，2联合联合是指水轮机制造企业合并、合资和合作的趋势，是近年来国际水轮机行业增强竞争实力又一举措。联合有强强联合，如德国VOITH和美国AC公司台井，组成VOITH跨国公司。目前世界上已有四大水轮机跨国公司，以便发挥各自长处，分工负责，有的负责水力开发，有的负责结构设计，提高竞争能力}有强发(发展中国家)联台，如法国ALSTHOM和天津发电设备厂合资，这是先进技术与低价劳动力的结合，提高竞争能力；有强地(电站所在地)联合，如加拿大GE公司和我公司合作生产二滩、三峡机组，便于转让技术，节约买方外汇支出，提高竞争能力。3．3发展高科技国外水轮机技术发展已从多品种、高比速、大痞量的发展阶段转向发展高科技即提高产品科技含量，争取企业经济效益的新阶段。具体的方向是改善水力性能，提高运行可靠性，降低制造成本，重视老电站改造和环境友好五个方面。3．3．1改善水力性能近十年来，国外各主要水轮机制造企业都在不断提高水轮机效率上下功夫，无论是水轮机最高效率，还是水轮机平均效率都有了新的突破。图2是近来国外公司在我国水电站上效率提高趋势，模型最高效率已达94．9．十年内提高了2倍。二滩(GE、l944芒}李家峡(GEl-：1．94．1n}隔五河强潼(VOITFI哐i}；近年来国外套司在我国水电站上使用的水轮机模型转轮最高效率提高趋势水轮机效率的提高无疑是得益于高科技的投入。主要有流体动力计算技术的重大突破}计算机技术的应用；水轮机模型加工、试验中的高技术；水轮机真机新工艺、新材料的应用。(1)水轮机流体动力计算技术的重大突破水轮机流体动力计算技术的突破表现在：从解欧拉方程到解拉维一斯托克斯方程(N—s)；从不考虑水的粘性到考虑水的粘性、粘性流鹪(k—e)；从解定常流到解不定常流，大涡模拟(LES)；从计算单个部件(转轮等)到全流道模拟(从蜗壳进口直到尾水管出口)(2)计算机技术的应用维普资讯，5流体动力计算机技术的突破完全依赖于计算机硬、软件技术的发展，两者缺一不可用于水轮机上的计算，一靠硬件(计算机容量和速度)，二靠软件，现在国际上有专门开发流体机械设计正、反问题的软件公司，一大批先进软件，如I—DEAS、TAscFLOW、FLOWTRAN、ANSYS等己成功地应用于水轮机水力设计；三靠公司本身数据库，这部分是私有知识，一般是不会转让的。水轮机转轮水力设计CAE(计算机辅助设计系统)(图3所示)包括cAD(计算机辅助设计)(见图4)、CFD(计算流体动力学分析)、流动分析结果、转轮叶片问叶道旋涡分析结果、大涡模拟分析结果、全流道模拟计算(图5所示)、性能预估结果(图6所示)。由于计算机性能预估精度和速度的提高，优化目标函数损失最小，效率最高才得以实现。不但提高了效率，也大大提高了开发速度，减少了模型试验工作量。圈3水轮机转轮水力设计糸统框图(CAE)(3)水轮机模型2D：I：和试验中的高技术水轮机越来越大，电站真机试验越来越困难，因此，模型验收已逐渐成为考核水力性能唯一手段。为此，各水轮机制造公司不惜重金，在模型加工和试验上狠下功夫。现在的模型装置，不仅转轮数控加工，连蜗壳、尾水管，不是数控加工就是填塑。他们的目标、几何尺寸，包括迷宫间骧、泄水孔在内要全模拟，、粗糙度要求小，以滴水成璩来衡量，一滴水珠可以从蜗壳进口滚到尾水管出口。试验台精度通常在O．3以内，测试仪器仪表，从激光到光导纤维，从高速摄影到电视录像，应有尽有，使我们感觉，他们在科研上真舍得花钱，舍得投入高技术，每年科研新产品开发费约为销售收入的5～8。(4)真机上新工艺瓤材斟的应用图7是水轮机转轮翻造工艺流程。四种工艺目前都在使用。工艺a，日本各公司常采用的工艺，古里电站610MW水轮机就采用这种工艺加工而成。现在看来，整铸转轮型线不易保证，使水轮机空蚀严重，稳定性也欠佳，该电站据说已靖公司检溯，证明型线误差大，已准备更换转轮。工艺b，我公司目前采甫的工艺、组合样板误差大，加上手工铲磨质量当然比不上数控。工艺c，GE公司等目前采用的工艺，虽然用上了高精度经纬仪，但转轮组焊后就不好测量了，焊接用人工焊接，据说三峡转轮焊接换焊条达1O万次之多，对焊缝质量肯定有影啊。工艺d，是克瓦纳公司推荐用于三峡转轮加工工艺，模压叶片，数控加工，光学测量系统，整体转轮利用光学测量，机器人焊接、激光检测焊缝质量。新工艺的采用是确保真机水力性能提高的有效措旋。新材料的采用，目前普遍采用优质不锈水力冲击和摩擦损失，又唾提高效率。3-3．．机组．提运高行运可靠!}性案越来越受到用户的重视，在投标中考核项目日益增加，目前有可用系数、大修周期、使用寿命。制造加工质量等又是直接影响可靠性指标的主要因素，任何一项因素处理得不好，就会直接影响机组可靠运行。一项因素的研究就是一项攻关课题，综合起来就是一项庞大系统工程，因此，运行可靠性好坏可以反映一个水轮机企业高科技水平，全流道模拟计算网格圜比圆周速鹰纳维一斯辛E死计算法比I圈研逮度圜6混流式转轮性能预估、模型试验结果对比国外运行可靠性先进指标：可用系数95，大修周期8～10年，使用寿命4O年以上。为达到上述目标，它们已采用了一系列措施，取得了一定进展。(1)混流式水轮机采用x型叶片，改善非设计工况下运行稳定性，提高运行可靠性。(2)全三维粘性流动分析、提高分析精度、改善叶片背面压力分布，即改善局部空化性能，延长大修周期和使用寿命。(3)设计成功了高效率、低单位转速、大流量转轮，降低转轮内流速(从40~50m／s下降到36m／s以下)，改善水轮机抗磨损能力，延长大修周期和使用寿命。(4)过流部件易磨损部位抗磨蚀表面处理新工艺：等离子渗氮抗磨层；金属一陶瓷喷焊层；优质抗磨不锈钢(12cr18Ni9Ti)堆焊层．提高抗磨蚀能力，延长大修周期和使用寿命。提高原材料质量，严格控制内部缺陷(夹渣、裂纹)，采用钢板模压叶片等新工艺，即可避免水轮机运行中出现裂纹等故障同时也可改善抗磨蚀能力。转轮工艺路线之二轮H丹舞铸造c转轮工艺路绒之三il叶片模压．1l各件丹别ll依靠经纬仪ll各件iI轻纬仪II蛆焊转轮HlI士冠译，下环—探伤H檀测各件以L—数控L—造llUT，MTII决定加工量Il加工ll复涓ll手工半自动焊—UT，MT位置r_Hll1l叶片模压．1l各件分剐lI依靠光学仪系统IJ各件ll光学仪l1．蛆焊Il转轮l—I上冠，下王1=—探伤—检测各件．以决H数控—L—变位机加焊接罅造lluLMTll定Ⅱ工量lI加工ll复测}l机器人——UT，MTH上冠、下环过魂面，己寸—r—l混流式水轮机转轮加II艺路线(6)控制加工质量，减少