浅谈中国未来大型水电装备技术挑战与创新

我国水电资源丰富、开发程度处于中等水平,远不及欧洲发达国家。“双碳”战略下,水电作为清洁能源,以其高调节性、高稳定性将在以新能源为主的新型电力系统中发挥“压舱石”作用。资源特点和经济性决定未来水电开发将朝向更高水头(高转速)、更大容量趋势发展,机组将具备高海拔环境运行、超高水头、超大容量的特点。开发难度极高,技术挑战前所未有,亟待攻克。该文从多个角度分析阐述特殊工况下我国水电装备开发面临的问题和技术挑战,探讨关键技术发展趋势以及创新技术应用潜力,为未来水电装备的技术创新和突破提供参考方向。

地震波斜入射时不同水深超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波和P波不同角度入射情况,采用声固耦合法模拟闸室内动水压力,研究超高水头船闸闸室在不同水深下闸顶位移、加速度和塑性损伤等地震反应。研究表明:地震波斜入射时,超高水头船闸的地震反应随水深变化的规律较垂直入射时明显不同,地震反应的程度一般较垂直入射时更大;相同水深条件下,闸顶水平相对位移峰值、水平加速度峰值多数情况下随入射角增大而增大。超高水头船闸闸室结构地震反应结果受水深变幅影响显著。一般闸墙相对高度为0.2附近的区域更易出现严重受拉损伤,相对水深为0.97时,闸墙临水侧达到严重破坏程度的受拉损伤范围最大。对综合考虑斜入射地震波和闸室内不同水深共同作用有一定的影响。

基于ANSYS Workbench的超高压隔膜压缩机缸盖可靠性分析

缸盖是保证超高压隔膜式压缩机安全稳定运行的核心部件。根据压缩机的工作条件,对超高压隔膜压缩机缸盖进行受力分析,建立有限元模型,并利用有限元分析软件ANSYS Workbench对缸盖进行应力分析,获得了缸盖在最恶劣工况下的受力情况,分析了应力对缸盖结构安全可靠性的影响机制,对其强度进行校核。结果表明:缸盖平均Mises应力174.49 MPa,屈服安全系数高于1.9,缸盖强度满足设计要求。

800m以上水头三机式抽水蓄能机组研究

我国的资源禀赋的特点是富煤、贫油、少气,促使我国的能源结构主要以化石能源为主。在“双碳”目标的指引下,以非化石能源为主体的新型能源体系必然是未来大势所趋,光电和风电成为新型电力系统下新能源的主力军,但光电和风电存在随机性和波动性,对电网的冲击相对较大,再加之新能源的定价机制还在探索中,所以出现了弃风、弃光等情况。为高效吸收消纳光电、风电等未来供电主力,避免新能源的浪费,保障电网安全。抽水蓄能水电站必然是未来储能主力,而三机式抽水蓄能机组有着更为独特储能优势,包括适用水头更高、水头变幅更宽、响应电网更快、工程造价更低等。本文就结合光电和风电的实际情况,探讨光电和风电作为供电主力下的储能新方案,三机式抽水蓄能机组高质量消纳新能源的研究和探索。

巨型闸门关键技术研究及在白鹤滩水电站的应用

文章介绍了白鹤滩水电站巨型闸门和启闭机等金属结构设备的多种技术创新,包括超宽横向三支臂弧形闸门创新设计、193 m超高水头平面闸门优化设计、高水头弧形闸门充压式止水方案研究、超大容量弧形轨道门机设计研究、百万机组进水口液压启闭机启闭容量设计等。上述关键技术的创新攻关,保障了白鹤滩水电站的泄洪安全、引水发电安全,助力了电站成功投产运行。

1200 m特高水头钢岔管制造创新与质量控制

为保证1200 m特高水头钢岔管制造质量与工期,长龙山抽水蓄能电站建设者进行了系列创新,并提出了控制措施,通过考察确定钢岔管整体制造、运输至工地的方案,采用控制钢板下料放样、划线、卷制、组拼、焊接等工序来保证钢岔管外形尺寸及内在质量。水压试验表明:在初次水压试验成功基础上提高第二次试验压力值,进一步减小钢岔管成品焊接残余应力,创下国内钢岔管10 MPa水压试验记录。可为类似工程提供参考。

超高水头水泵水轮机水泵断电过程不稳定机理

超高水头抽水蓄能机组拥有更长输水管路系统,在经历过渡过程时机组内部压力脉动及流动演化更复杂,常出现水力不稳定性问题。本文基于一三维耦合方法及动网格技术,对超高水头抽水蓄能机组进行了水泵断电导叶关闭过程模拟。采用时频联合分析和内流场分析相结合的方法分析了机组的瞬态特性和高幅值压力脉动并阐明了其形成机理。研究表明,在超高水头抽水蓄能机组水泵断电过程除了存在由动静干涉造成的高频压力脉动外,还存在由固定导叶区域旋涡快速移动诱发的低频压力脉动和由转轮高压进口局部回流引发的低频压力脉动,以及由活动导叶区域液流碰撞造成的高幅值压力脉动。研究可为超高水头抽水蓄能机组水力设计和运行提供一定参考。

右美托咪定对超高龄股骨头置换术患者术后认知功能的影响

目的研究右美托咪定对超高龄股骨头置换术患者术后认知功能的影响。方法选取2020年1月—2022年1月福建省福州市第二医院收治的100例超高龄股骨头置换术患者为研究对象,随机分为对照组和观察组,各50例。对照组给予常规麻醉,观察组麻醉诱导阶段前给予盐酸右美托咪定,比较两组术后意识恢复时间、定向力恢复时间、睁眼时间、拔管时间、术后认知能力和POCD发生率。结果观察组术后意识恢复时间(10.43±2.84)min、定向力恢复时间(14.61±3.19)min、睁眼时间(8.58±2.27)min、拔管时间(6.48±2.03)min均短于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组术后24、72 h的MMSE评分(27.78±1.27)分、(28.08±1.34)分均显著高于对照组(24.53±1.19)分、(25.65±1.47)分,差异有统计学意义(t=-13.204、-8.638,P<0.05)。观察组POCD发生率(10.0%)低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论右美托咪定可改善超高龄股骨头置换术患者的苏醒质量和术后认知功能,降低POCD的发生率。

钢-UHPC组合板栓钉抗剪承载力、滑移与刚度计算

钢-Ultra-high performance concrete(UHPC)组合桥面板在大跨桥梁中具有较多应用,栓钉连接件对其组合作用的发挥起关键作用。为探究钢-UHPC组合板中栓钉抗剪性能,开展了6个栓钉抗剪推出试验,收集了6种抗剪承载力计算方法、5种抗剪滑移预测模型和10种抗剪刚度计算方法,根据试验结果分别进行计算分析。试验结果表明:所有试件中的栓钉均表现为焊缝与根部交界处剪断,UHPC板除在栓钉根部位置出现局部破损外,基本保持完好;栓钉的抗剪滑移曲线经历弹性、弹塑性和下降3个阶段;所有试件最大滑移量均小于3.5 mm,可取0.1 mm作为弹性极限滑移量。计算结果表明:现有部分规范计算UHPC中栓钉抗剪承载力时不考虑焊缝影响,计算结果偏低,根据该文2组试验数据和收集29组有效数据,提出考虑焊缝影响的计算式,建议UHPC中栓钉焊缝贡献系数取1.1;不同抗剪滑移模型预测结果差异大,建议采用反比例函数形式的模型预测,较为精确;栓钉的抗剪刚度取值由于未考虑栓钉实际处于受力状态,计算结果差异大,建议取滑移量0.1 mm对应的刚度作为弹性抗剪刚度;建立了栓钉抗剪滑移模型与抗剪刚度的关系式,在缺少试验数据时可为近似计算提供参考。

四川省东部山区某长距离超高扬程输水工程设计总结

四川省东部山区某长距离超高扬程输水工程,既有超高压力流输水管道的特点,又有超高重力流输水管道的特点,且各供水点的地形高差较大,增加了水锤防护的设计难度。为确保供水安全可靠,本工程进行水锤模拟分析,并采取一系列水锤防护措施,针对本工程试运行中存在的问题进行分析总结,可为其他工程的建设提供借鉴参考。

国产特高压大吨位悬式瓷绝缘子机电性能提升与工艺优化方法

随着特高压输变电项目的不断建设,绝缘子的使用数量急剧增长。绝缘子作为输电线路上不可或缺的关键部件,起着防止电流回地和支撑导线的重要作用,直接影响着输电线路的安全稳定性。近年来,特高压工程中出现的多起瓷绝缘子头部断裂事故表明,在绝缘子头部结构、材料等方面的设计仍存在盲区,未能充分考虑特高压大吨位瓷绝缘子的外部使用条件。对此,该文对特高压大吨位瓷绝缘子可靠性进行了研究。首先,通过有限元分析软件Ansys对特高压大吨位悬式绝缘子进行了力学特性分析和头部电场强度计算,对头部结构进行了优化设计;然后,对绝缘子的胚料配方和头部釉配方进行了优化;并在此基础上,通过大量试验,对绝缘子的多项生产工艺进行了改进;最终得到了低质量、低投入、高性能的特高压大吨位悬式瓷绝缘子。试验结果表明,改型后的绝缘子机电破坏性能可提升16.5%左右。

超高水头水泵水轮机甩负荷导叶关闭规律分析

为研究导叶关闭规律对超高水头水泵水轮机甩负荷的影响,以敦化电站为例,定性分析了超高水头大容量高转速蓄能机组的过流特性;在过流特性曲线分析的基础上,采用一段直线、延时直线及传统两段的三种导叶关闭规律对该电站进行大波动过渡过程计算分析。计算结果表明,关闭规律的选取对过流特性的依赖性强,该特性对过渡过程各参数值的影响较大;延时直线关闭可有效降低蜗壳进口压力,虽机组转速会小幅度上升,但在可控范围内,对尾水管进口最小压力没有积极作用;两段关闭中折点位置和时间的选择在平衡蜗壳进口压力和尾水管进口压力方面很关键。研究成果对高水头蓄能电站导叶关闭规律的选择具有借鉴意义。

超高水头混流式长短叶片转轮内部流动数值模拟

对超高水头混流式长短叶片转轮内部流动进行数值模拟分析.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,选用Spalart-Allmaras一方程湍流模型使方程组封闭,通过贴体坐标下的有限体积法对控制方程进行离散,数值求解采用SIMPLIC算法.通过计算得出不同工况下长短叶片转轮内部流动的速度及压力分布,发现不同工况下短叶片表面的压力分布规律与长叶片基本相同.与常规转轮叶片流场比较发现,在上冠流面和中间流面上二者有相似的翼型压力分布规律,而在下环流面上长短叶片转轮翼型表面压力分布要优于常规叶片转轮,因而具有更好的空蚀性能.

泵头体自增强超高压密封技术研究

泵头体自增强通过引入残余应力来提高其结构强度和疲劳寿命。针对泵头体受自增强压力、内腔结构和加工工艺限制,难以实现超高压密封的问题,通过泵头体自增强密封技术特点分析,提出了软硬密封相结合的自紧密封方案。对锥面硬密封进行接触弹塑性有限元计算与分析,得到了最佳半锥角和圆角半径值。并提出泵头体超高压锥面密封的半锥角选择原则:低压确保建立稳定密封,超高压时应具有高结构强度。最后采用缩比模型实验验证了泵头体超高压密封结构合理、密封可靠性、结构强度足够,为泵头体自增强技术提供了超高压密封理论与实验依据。

浅议我国大型水电机组的发展

介绍了国内外水电机组单机容量的发展历史,详细分析了我国水电建设对超大容量机组的需求,并论述了白鹤滩水电站1 000 MW水电机组的可行性。最后,对超高水头、超大容量水电机组的研究提出了建议和意见。

超高速部分流泵工作特性试验研究

为获得部分流泵在超高工作转速下的扬程系数、功耗损失与工作效率特性,设计了2种外径尺寸规格的部分流泵,在专用高压氦吹试验系统上进行了氦气驱动运转试验。针对每种尺寸的部分流泵均进行了2种氦气压力条件下连续多个输出流量的工作特性参数测试,试验最高转速达到了120000 r/min以上。试验结果表明:外径22 mm的部分流泵在转速从85200 r/min升高至125000 r/min过程中扬程系数从0.87降至0.67,最高工作效率不超过0.38;外径27 mm的部分流泵在转速从102000 r/min升高至138000 r/min过程中扬程系数在0.50~0.61间缓慢变化,最高工作效率不超过0.21;且2种尺寸规格泵功耗损失都随转速升高急剧增加,工作效率明显下降,在超高转速情况下泵的功耗损失是十分突出的问题。试验结果对于后续设计超高速部分流泵具有重要的参考价值。

厄瓜多尔CCS水电站的设计关键技术综述

厄瓜多尔CCS水电站是该国最大的水电站,位于热带雨林地区,受火山地震影响较大。针对泥沙多、地震烈度高、覆盖层深、输水距离长、水头高等复杂自然条件,通过开拓性的设计研究,成功解决了修建特大规模沉砂池、超深覆盖层上的大型建筑物、火山灰中的大洞室、24. 8 km长深埋隧洞、618 m水头的压力管道、大跨度地下厂房洞室群、高水头大容量冲击式水轮机组等遇到的关键技术问题。创新的设计为工程顺利施工创造了条件,保障了工程安全可靠运行,也为水利水电工程建设开辟了新路径。

特高压输电线路杆塔雷电流分布的仿真

为了更深入掌握雷击特高压(UHV)输电线路杆塔时雷电流分布的特性,对特高压输电线路杆塔雷电流分布进行了仿真。首先建立了简化的2层杆塔模型,使用矩量法(MOM)进行了雷电流分布计算并通过了实体模型的试验验证。然后在此基础上,根据实际参数建立了特高压输电线路猫头塔的仿真模型,分别就4种雷电流波形和3种不同雷击位置情况下杆塔内的雷电流分布进行了仿真计算。结果表明:雷电流波形越平缓,通过避雷线流向其他杆塔的电流就越多,反之亦然;波前时间的上升导致斜撑流过的电流比例增大;雷击点的改变对雷击点附近的电流分布影响极大并将改变部分导体内电流的方向,但随着导体与雷击点间距离的增加,导体上通过的雷电流受雷击点位置的影响减小,且雷电流分布随着该距离的增加而趋于均匀;杆塔内不同部分的雷电流峰值时间不同,将其幅值直接求和得到的结果大于注入的雷电流总幅值。该研究工作加深了对雷击特高压输电线路杆塔时雷电流分布特性的认识,也为雷电流监测装置的安装提供了参考。

巴基斯坦SK水电站机组压力钢管超声波流量计的应用与研究

水电站机组进水压力钢管的流量测量会受到诸如水头、钢管直径和壁厚、介质泥沙含量等各种因素的制约和影响,流量测量的精度又跟机组效率的校核密切相关。因此,合理地选择流量测量方式和流量测量设备尤为重要。以巴基斯坦SK超高水头电站的机组进水压力钢管安装的磁吸式超声波流量计为例,结合实际工程条件,对高水头、泥沙含量高、钢管壁厚较大、流量计安装所需的平直管段较短等苛刻条件下的超声波流量计如何应用并提高测量精度进行分析和研究,从而保证流量测量满足工程设计要求。

超高速切线泵扬程系数试验

为获得切线泵在超高工作转速下的扬程系数、摩擦功耗损失、温升特性与工作转速关系,针对外径42 mm的8叶片切线泵开展了试验研究,将切线泵装配至涡轮轴系上,通过高压氦吹驱动涡轮轴系进行超高速运转试验。试验过程中通过控制高压气源压力及切线泵输出流量,获得了切线泵在52.8×10^(3)~80.8×10^(3) r/min转速范围内的输入轴功率、输出压力、输出流量及温升特性数据。通过对实测数据的分析与计算,取得了外径42 mm的切线泵在超高转速条件下泵扬程系数、功耗损失及工作过程中温升特性试验数据。试验结果表明:外径42 mm的8叶片切线泵在52.8×10^(3)~80.8×10^(3) r/min转速范围内,转速每增长1000 r/min,功耗损失约增加1.486 kW,所耗功率全部用于泵叶轮搅油摩擦损失,同时转速增加内泄增大,导致扬程系数由0.70缓降至0.66,零输出流量时由摩擦损失导致的液体介质温升速率达2.38℃/s,试验结束时油温最高达到274.5℃。试验研究提供了一种切线泵特性测试方法,可作为切线泵及涡轮泵设计和分析的依据。