魏守平教授团队实现特大型水轮机控制装备跨越发展

发布时间:16-02-19 11:45:23 作 者: 浏览次数:

■记者团 刘佳凤 胡丰林

随着三峡、溪洛渡、向家坝等特大型水电项目的不断建设,我国的特大型水电机组数量已占据世界总量的60%,但在很长时间里,作为特大型水电机组核心控制装备的水轮机控制系统却完全依赖进口。1月8日,由我校魏守平教授团队的攻关项目《特大型水轮机控制系统关键技术、成套装备与产业化》获得2015年度国家科技进步二等奖。该项目不仅打破了国外对特大型水电机组核心技术的长期垄断,同时也实现了诸多创新。



坚持产学研相结合与理论、技术、装备全面创新



三峡水电厂水轮机控制系统微机控制柜


一个特大型水轮机控制系统包含了水库及引水系统、水轮机、发电机、电网及负荷四个部分,特大型水轮机控制系统起着根据电网的功率指令,调节水轮机导叶和桨叶,控制机组功率输出的作用。使用过程中,水轮机控制系统必须保证控制性能优越,做到快速、优质、稳定地控制机组和服务于电网;能长达几个月不间断运行,对控制性能和可靠性要求极高,我国长期未能掌握其核心技术。


随着水电站机组容量越来越大,国外水轮机控制技术已滞后于水电机组的发展,不断出现响应速度慢、调节过程波动大、强迫停机的问题,甚至引发了俄罗斯萨扬水电站特大事故的惨剧,特大型水轮机控制已成为水电机组安全高效运行的重大难题。


在之前20年研究和生产实践的基础上,魏守平教授团队从1982年起开始微机水轮机控制系统的理论、研究和开发工作。之后的30余年,团队在水轮机控制系统的调节、转换、机械液压三个子系统上分别实现了技术创新。在调节技术方面,团队发现了国外水电机组经典模型应用在特大型水轮机控制系统设计上不准确的原因,并提出了新的电网综合等效阻尼特性模型和水库-机组-电网耦合分析模型。由此进一步研发出新的适应性调节技术和水轮机适应式微机调节器,实现了调节既快速又平稳,并且适应各类机组和各种工况。


在转换系统方面,魏守平教授团队发明了“自复中伺服电机+比例伺服阀”的非对称冗余双通道电液转换器,彻底解决了比例阀阀芯易卡阻和易失控的问题。在对性能要求极高的机械液压子系统上,魏守平团队更是进行了多项创新。先后研发出系统优化设计软件、复合控制型主配压阀、模块式事故配压阀、多态式分段关闭阀等。其中作为核心设备的复合控制型主配压阀改国外配压阀的卧式布置为立式,并通过精确计算改进了油开口的设计方式,提高了配压阀的安全性,大大减少了耗油量。


在构成成套装备时,魏守平教授团队发明了模块级交叉冗余双微机调节器,提高了系统可靠性。


综合技术、理论和装备上的创新,魏守平教授团队最终研制出全新原理的特大型水轮机非对称冗余控制系统成套设备,实现了具有中国特色的特大型水轮机控制系统成套装备的创新。


技术和装备的创新进一步推动了理论的发展。30年里,魏守平教授团队在该领域发表了近40篇学术论文。此外,魏守平教授还出版了4本专著,建立了水轮机控制系统从理论分析、优化设计、产品开发到工程应用的完整体系。


在魏守平教授看来,自己早年在天津电气传动设计研究所和金城江水电设备厂分别工作8年的经历,使他获益颇多。这些经历使他后来在校进行水电相关理论研究的同时,始终与企业和研究单位保持着密切的合作,共同进行科研开发,保证项目的研发做到了产学研相结合。


集结团队力量与树立钉子精神


 


溪洛渡水电站水轮机控制系统油压装置


虽然研发工作历经30年,但魏守平教授觉得,研发过程中并没有遇到解决不了的困难,反而是万事开头难,最困难的时期应该是20世纪80年代的研发阶段。


“那时候没有现在这么高性能的电脑,我们所有的工作全靠一个Z80 cpu的单板机。”魏守平教授回忆,利用单板机调试程序十分麻烦,不但容量有限,而且程序的输入和修改也不像如今计算机上的操作那么简单。


随着计算机技术的发展,在国际上,魏守平教授团队率先在该项目中采用了可编程控制器和模块式交叉冗余双微机调节器,一步步将水轮机控制技术给摸透了,并于2003年起将他们的技术首先在当时国内机组容量最大的(55万千瓦)二滩水电站应用,成功地取代了6台进口成套设备的微机控制系统,吹响了建立具有中国特色的特大型水轮机控制系统成套装备征程的进军号。


面对国外技术在该领域长期垄断的现实,30年前,魏守平教授便和团队成员锁定目标:一定要研发出一套具有中国特色的水轮机控制系统的成套装备。一路走来,长江三峡能事达电气股份有限公司(以下简称能事达)是项目研制的骨干合作企业。自1993年成立之初起,能事达便作为科学研究转化成实际应用的载体,与魏守平教授团队开展了长期合作,目前主要负责该项目成套系统设备的生产和销售。


2000年的二滩水电站机组设备改革,是能事达与魏守平教授团队的一次合作,也是项目研制中历经的一次实践较量。“当时公司的技术员在现场的调试不是很顺利。魏守平老师便连夜从武汉赶往雅砻江边的二滩水电站现场进行协助调试。”能事达副总经理张剑平说:“项目如今的成功,是在一次次的理论和实践刷新中孕育出来的。”


坚持走“引进、消化、吸收、超越”的创新道路


 


向家坝水电厂特大型水轮机控制系统机械液压系统和油压装置


在30多年的研发历程中,魏守平教授团队始终坚持走引进、消化、吸收、超越相结合的道路,不仅积极借鉴国外经验进行自我创新研究,同时更是将其研制的成套装备逐步应用于各大水电站,以此向产业化的终极目标迈进。


2009年,魏守平教授团队研制的水轮机控制系统在构皮滩60万千瓦机组上投运,实现了全国产化成套装备首次在特大型机组上应用。随后的5年内,该系统先后在三峡70万千瓦机组、溪洛渡77万千瓦机组、向家坝80万千瓦机组上投运,其中向家坝80万千瓦机组为世界单机容量最大。


自2009年至今,该团队研制的装备已占特大型水轮机成套装备国内市场份额的65%,完成单位居全球70万千瓦及以上成套装备供货企业首位,出口俄罗斯、巴西、英国等40多个国家900多套,近3年新增税收2亿元人民币。此外,该项目还孵化和支撑了十多家水轮机控制产品企业,被国家发改委授予“高技术产业化示范工程”称号。


目前,适应式控制系统已被中国电力科学研究院作为标准模型固化到电力系统分析软件中。IEEE(美国电气和电子工程师协会)能源开发与发电委员会前主席Wozniak评价魏守平教授团队的项目为“水电机组适应式控制的先驱,建立的增益自动调节非常有效”。此外,湖北省科技厅鉴定认为该项目成果具有完全自主知识产权,达到国际领先水平。

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