四川省田灣河流域梯級電站多場瞬態耦合性能研究項目

比選公告

四川川投田灣河開發有限責任公司擬對四川省田灣河流域梯級電站多場瞬態耦合性能研究項目進行比選，歡迎符合資格要求的公司向比選人提出比選申請。

一、項目背景

田灣河位于四川省境內，發源于貢嘎山南坡，于右側匯入大渡河。其河道長84.5km，全流域面積1400km2。田灣河河口多年平均流量42.3m3/s，水力資源理論蘊藏量87萬kW（包括支流環河），是四川省水力資源十分豐富的中型河流之一。

田灣河梯級電站為＂一庫三級＂，自上而下依次為仁宗海水庫電站、金窩水電站、大發水電站。仁宗海水庫電站樞紐工程由壩區樞紐、引水發電樞紐、“引田入環”樞紐工程組成。金窩水電站和大發水電站均采用低壩、長引水隧洞、地面/地下廠房的混合引水式開發。整個工程由首部樞紐、引水系統和廠房樞紐三部分組成。由于其較大的落差，田灣河各梯級電站水頭都在500m以上，因此各梯級發電機組采用水斗式機組，電站主要參數在表1列出。

表 1 田灣河梯級電站主要參數

 

水電站機組性能的計算與實測分析是保障水電站安全運行的重要分析內容，是工程改造設計階段預測電站安全運行的核心技術。水輪發電機組動力性能好壞決定著機組能否長期安全穩定運行，基于目前電站現狀以及存在的問題，尤其是泥沙磨損帶來的影響，對梯級電站各機組開展機組效率試驗、運行穩定性試驗檢測，以及包括噴嘴噴針應力檢測、軸向力、軸扭振、軸偏折、軸位移、軸彎曲檢測、發電機諧波分析等在內的特殊項目檢測顯得格外重要。在水力、機械、電磁、溫度等多場耦合影響下，水斗式水輪發電機組的動力性能復雜瞬變，動力性能的預測需要從多場耦合性能綜合分析入手：軸系受到的不平衡磁拉力及磁力矩源于發電機組電磁、風速、溫度場及結構場的多場耦合影響；研究水導軸承、瓦塊、油膜和軸的耦合運動特性，有助于分析水導瓦塊的間隙帶來的軸系影響。建立多場耦合分析平臺有助于對機組整體的動力性能進行預測和分析，提出更好的優化方法，進而提高機組的安全運行性能。在水輪機空蝕和磨損機理、整體動力特性及運行性能計算和實測分析的前提下，提出綜合分析意見和改進措施。

梯級電站的下游水庫有效庫容小，導致水錘效應嚴重、棄水率高、發電效率低，因此研究梯級電站引水系統、優化聯合調度方案，對于穩定來水量、提高各級電站綜合發電能力、保證電站機組較優運行工況、降低機組耗水率、提高電網調峰調頻能力具有重要意義。

多場瞬態耦合性能研究形成的理論分析方法與工程應用評估方法既能更全面分析田灣河電站水力性能和動力性能，同時又能成為其他水電站性能分析評估積累經驗，通過論文、專利、省部級報獎及國內外水電站推廣應用，可以大力提升我國水力機械及系統暫態過程多場耦合性能的分析評估能力，促進水電機組科學技術進步。

二、比選項目范圍

（一）大型水斗式水輪機流固耦合動力特性及安全運行研究

建立水斗式機組三維結構場、三維流場和多場耦合計算模型及性能分析平臺，開展水斗式水輪機流固耦合動力特性和安全運行研究，提出機組安全穩定運行的策略。

1.復核機組的水力、機械、電磁等動力平衡的計算，解決機組振動擺度偏大的問題。

2.優化噴針及折向器的開關時間。

3.通過轉輪斗葉受力分析，明確斗葉內部受力分布，提出水輪機安全運行、焊接修復與型線優化的建議。

（二）大型水斗式水輪機空蝕磨損成因及修護技術研究

建立水斗式水輪機空蝕-磨損的瞬態分析平臺，開展田灣河流域梯級電站水輪機流固耦合動力特性和安全運行研究，通過試驗、計算、分析、研究，明確水斗式水輪機組內部非穩態流動特性，不同部件空蝕與磨損的位置、特點、類別及產生原因，以及空蝕與磨損聯合作用對機組性能的影響機理，提出延緩水輪機過流部件發生空蝕與磨損的解決方案，為機組性能預測分析、優化機組運行調控的提供科學依據。

（三）流域梯級串聯電站聯合調度運行關鍵技術研究

建立梯級串聯電站聯合調度分析平臺，完成田灣河梯級電站聯合運行調度模型優化開發，在滿足安全穩定運行邊界條件下，利用包含人工智能在內的多種算法，通過試驗驗證，實現安全經濟調度運行目標。

1.優化EDC、AGC、調速器控制模型及算法，滿足智能電網調度要求；

2.解決好流量平衡、站間水位平衡、負荷平衡三者之間的關系，實現安全經濟運行。

（四）合作發表論文，編寫專著，以及準備報獎材料。

（五）甲乙雙方聯合開展田灣河流域梯級電站多場瞬態耦合性能研究事項。田灣河公司主要負責研究項目的機電設備設施的運行、維護及檢修資料的收集、分析整理、現場試驗配合、運行驗證等工作，并牽頭開展專利申報、技術成果鑒定、技術進步獎申報工作；合作研究單位負責完成研究項目的理論研究、分析平臺開發建設、試驗方案、模型計算及試驗、設備研制等研究工作和成果及獎項申報配合工作。項目研究成果雙方共享、項目研究費用分攤。

在履行《合作合同》過程中，雙方按照合同約定進行大型水斗式水輪機空蝕磨損成因及修護技術研究、大型水斗式水輪機流固耦合動力特性及安全運行研究及流域梯級串聯電站聯合運行關鍵技術研究，研究成果擇機在甲方流域電站使用驗證。

三、本比選項目工作期限：服務期限從2022年1月1日到2023年3月31日。

四、比選工作內容

（一）大型水斗式水輪機流固耦合動力特性及安全運行研究

1.優化噴針及折向器開關時間

復核流域梯級串聯電站水輪機調保計算，優化噴針及折向器開關時間。

2.機組結構場固有特性研究

建立轉輪、主軸、發電機轉子、軸承等水斗式水輪發電機組部件三維結構場模型，開展軸系模態固有頻率和臨界轉速分析，研究轉輪和軸系振動特性及其相互影響，為排除機組穩態運行工況共振、啟停過程瞬時強烈共振、規避結構強烈振動、消除其負面影響提供理論依據和可行對策。

3.機組流場瞬變特性研究

建立機組三維流場計算模型，開展機組典型穩態運行工況和暫態過程的瞬變流場分析和壓力場、速度場等動態特性計算，從物理機理上分析轉輪的水力激勵力的特點及對軸系振動的影響，研究水斗水力不對稱引起的軸系動力性能詳細特征，并重點研究解決水力不對稱的方法與改進措施。

4.機組流固耦合綜合動力特性研究

建立機組三維流場、結構場的流固耦合分析整體模型，將水力、機械、電磁等激勵加載于結構場，獲得多場耦合作用下噴嘴、噴針、折向器、轉輪、軸系的結構變形、應力分布等振動動態特性，分析各邊界條件對軸系結構強度的影響，明確軸系應力集中現象及交變現象，深入研究機組產生劇烈振動的成因和機理，并重點研究和提出規避機組劇烈振動的措施以及機組振擺超標時利用計算平臺分析查找超標原因。

5.機組動平衡特性研究

系統分析現場機組存在不平衡磁拉力與靜平衡等交叉的動平衡問題，并重點研究相對應的解決措施和方法。

6.機組安全運行策略綜合研究

基于上述成果，建立水斗式水輪發電機組跨尺度多場耦合計算模型和性能分析平臺，通過計算模型和性能分析平臺，可從正向準確反映電站機組運行中的全場物理特性，全面開展機組安全性能評估，從逆向解決機組振動、擺度及動、磁不平衡等問題，從而解決實際工程問題。這將有助于高效開展機組狀態監測、故障診斷和預測維護，降低電站運維成本，提高發電經濟效益；同時為構建數字化電站、智慧高效安全運行提供科學可靠的決策依據和專業完備的解決方案。

（二）大型水斗式水輪機空蝕磨損成因及修護技術研究

1. 水斗式水輪機挾沙瞬態流動分析

① 初探空蝕和磨蝕的成因

進行田灣河梯級水電站的運行資料分析，結合國內外對水斗式水輪機泥沙磨損和空蝕破壞的處理經驗，對田灣河梯級水電站多年運行工況特性、磨蝕問題和空蝕問題進行總結，初步分析空蝕和磨蝕的特點及成因。

② 典型工況穩態流動分析

建立包括噴嘴、噴針、導流流道和轉輪的三維計算模型，采用歐拉-拉格朗日法開展典型挾沙工況條件下的水-氣-沙多相流穩態數值模擬，對投入不同噴嘴數及噴嘴開度在2-5%、35%、50%、75%和100%等不同開度下水斗內表面、分水刃、切水刃、噴嘴帽、噴嘴口環和噴針頭等不同位置的流動特性進行分析。分析在不同噴嘴開度情況下由于過流面積變化而導致射流形態的變化及流量變化造成的空蝕影響；分析在分水刃位置水流繞流造成的空蝕影響；分析水斗內由于旋渦造成的空蝕影響；分析在切水刃位置（進水邊）水流繞流造成的空蝕影響；分析分水刃處的空蝕磨損對斗葉內表面空蝕磨損的影響；分析轉輪室內氣壓變化對轉輪空蝕的影響。最終基于不同位置空蝕特性分析結果形成典型工況下機組穩態流動空蝕分析體系。

③ 瞬態挾沙空蝕流動特性分析

對噴針在開啟和關閉過程中的機組過渡過程進行非穩態數值計算以分析噴針在開啟和關閉的過程中噴嘴及水斗內的瞬態流動變化規律。首先采用清水計算結果分析暫態過程中噴針頭、噴嘴及口環、分水刃、切水刃和水斗內的瞬態空蝕特性，探究流場壓力、速度及湍動能變化與機組局部尺寸結構的內在關系，明確機組內空蝕產生的原因。進一步分析機組在挾沙條件下，泥沙濃度和泥沙粒徑對瞬態挾沙空蝕流動特性和材料表面磨損的影響。綜合分析結果，揭示水斗式水輪機內不同位置空蝕特點及空蝕成因。

2.水斗式水輪機瞬態磨損特性分析

① 機組內磨損類型分析

基于數值模擬計算結果和工程現場磨損結果，對不同典型工況和泥沙條件下在噴針頭、噴嘴帽及口環、分水刃、切水刃和水斗內表面、出水邊等關鍵部件的磨損特性進行分析。分析在常規水流條件下、間隙流動以及漩渦流動下的磨損分布特性，明確機組內的普遍磨損和局部磨損；根據沖擊角度明確機組內的沖擊磨損和摩擦磨損。綜合水流流動結構和粒子運動特性，形成對機組內磨損類型的明確認定。

② 機組內磨損成因分析

在明確機組內磨損類型及特點后，深入分析顆粒分布、顆粒含量、顆粒大小、顆粒沖擊速度、顆粒沖擊角度對機組磨損影響規律以及主流流動和畸形流動（間隙流動、漩渦流動）對機組關鍵部件的磨損影響規律。最終綜合粒子沖擊角度、流動分布與部件的結構尺寸等多方面因素，明確機組不同部件位置磨損的成因。

③ 磨損對機組性能的影響

進一步探究磨損對機組性能的影響，進行不同噴嘴、噴針和水斗處的磨損量對比，得到機組不同位置的磨損特點。然后通過對磨損位置進行幾何重構，建立磨損后的計算模型，并采用新建立的計算模型進行數值模擬，探究泥沙磨蝕造成的機組部件缺失后對射流、機組性能以及空蝕性能的影響。

3.空蝕與磨損的聯合破壞分析

①磨損與空蝕的聯合破壞分析

基于數值模擬建立的大數據分析結果和現場測試結果，明確機組內不同位置的結構破壞是由磨損造成的還是空蝕造成的或者是兩者的聯合破壞，即明確機組內存在的水力破壞類型。

②磨損和空蝕聯合破壞對機組性能的影響

深入分析典型位置磨損后可能產生的空蝕現象，分析瞬態空蝕的變化特點，綜合磨損后空蝕的變化規律，探究不同工況不同磨損程度下水斗的空蝕性能，進而得到磨蝕和空蝕聯合作用下對機組性能的影響。

③ 防護技術建議

根據機組內流動結構、空蝕特性及磨蝕特性，提出電站上游基于泥沙含量變化的取水建議、機組運行調控建議和水斗防磨蝕的優化與抗磨涂層的建議。

（三）流域梯級串聯電站聯合調度運行關鍵技術研究

1.開展水斗式機組真機試驗數據分析及必要的補充測量分析

分析機組指數試驗和穩定性試驗數據，分析機組不同工況下實測得到的效率、耗水率以及振動、擺度、壓力脈動等參數。繪制水輪機多維特性曲線，包括：運轉特性曲線、耗水率曲線、振動、擺度、壓力脈動等曲線。根據多維特性曲線，細化各站各機組的運行區域分級。補充實測必要的數據。

2.建立串聯電站聯合調度優化模型

建立多層（多層外部約束）區間（同一方案較大適用范圍、減少單機階躍式調整）非線性（組合線性，單臺機和總負荷關系非線性）多目標（電站效率和機組穩定性統籌兼顧）規劃模型。模型控制變量：各站各機組負荷。模型第一層約束條件：AGC調度負荷要求、仁宗海水庫目標水位（上游來水大的情況下）、區間入庫流量、調節池運行水位范圍、各站溢流量；模型第二層約束條件：各機組出力范圍（帶傷、檢修機組限制出力）、各機組連續運行時間要求。模型優化目標：機組高效率（低耗水率）、高穩定性（低振動水平）、低空化水平，低溢流量。

3.開發調度優化算法

針對優化模型開發智能優化算法，求解多層區間非線性多目標規劃模型。在滿足給定約束條件下，準確快速得出各電站的出力和各機組負荷分配，目標方案考慮電廠的運行限制條件，在保證串聯電站群安全運行的前提下，以機組穩定性為原則，保證各機組處于最優運行狀態和最長剩余使用壽命。

4.建立串聯電站聯合調度分析平臺

基于上述成果，建立通用的梯級串聯電站聯合調度分析平臺，平臺綜合考慮流域安全、負荷要求、機組安全、運行效率等因素，提供解決實際調度問題的可行方案。平臺將提高梯級串聯電站安全性以及發電經濟效益；同時為構建智慧水電系統提供科學可靠的決策依據。

（四）技術方案

1.分析機組效率試驗、穩定性試驗（包括機組振動、擺度、水壓力脈動、噪聲等）以及過渡過程試驗（開機、停機、增減負荷）實測數據。

2.分析水斗等關鍵部件的動力特性實測數據。編制可行實測數據方案，經審定后開展軸扭矩及軸扭振檢測、軸向力、軸向位移檢測、徑向位移檢測、折向器應力檢測、以及發電機諧波檢測和分析，評估不同運行工況和暫態過程中的廠房振動、機組振擺和水力特性。

3.建立噴嘴、噴針、折向器流固耦合動力特性分析平臺，根據原型機組建立噴嘴、噴針、折向器三維計算模型，分析噴嘴噴針折向器的濕模態，評估共振的可能性；分析不同運行工況和暫態過程中水斗及其他固定流道部件的應力、動應力和位移大小，分析噴嘴、噴針、水斗等流道部件的疲勞裂紋特性，并提出規避或減輕疲勞裂紋的有效解決措施。

4.建立田灣河機組轉動部件軸系水-機-電耦合動力性能分析評估平臺，研究發電機電磁、流動、溫度場及結構場耦合影響的瞬態不平衡磁拉力和磁力矩對軸系動力特性的影響，分析發電機各導軸承和水導軸承的油膜瞬態熱彈流耦合動力特性及影響因素敏感性。研究水斗流固耦合動力特性及其水力不對稱引起的軸系動力性能的影響，研究水斗與主軸及軸軸連接螺栓不對稱預緊力分布帶來的性能影響。

5.建立固定部件多場耦合性能分析評估平臺，研究軸承支撐結構的安裝偏差及整體變形帶來的動力性能影響，建立田灣河電站機組多場耦合計算分析評估平臺。

6.建立發電機瞬態偏心磁拉力和磁力矩的計算模型，計算發電機瞬態偏心磁拉力和磁力矩，分析軸系動力特性對偏心磁拉力和磁力矩的敏感性，并研究非線性磁拉力和磁力矩下的軸系振動特性。同時計算空載運行和額定負載運行狀況下端部各構件上的磁場和渦流損耗分布，評估電機的穩定性和發電效率，提出平衡偏心磁拉力和磁力矩的有效解決措施。

7.將發電機電磁分析與諧響應分析耦合，分析電磁力諧波激勵下的定子機座表面振動頻域分布以及振動峰值時的水輪發電機定子系統變形。將溫度場與電磁場分析耦合，分析溫度影響下水輪發電機的電磁力密度，預測電磁振動特性變化。

8.收集整理相關文獻資料，分析國內外電站機組挾沙流動流道部件的磨損特性；結合田灣河電站的運行資料，分析電站水輪機運行特點，分析空蝕和泥沙磨損的原因。

9.建立田灣河水電站水輪發電機組含間隙整體流道挾沙流動分析平臺、泥沙磨損分析平臺及轉輪動應力計算分析平臺，分析水輪機運行特點、泥沙磨損成因以及材料對抗磨性能的影響。分析挾沙流動的水力激勵力特性，分析不同運行工況和暫態過程中轉輪的徑向力與軸向力的變化。

10.結合計算數據和實測數據，繪制振動、擺度、應力、磨損、壓力脈動等參數不同運行工況的等值線，劃分機組運行區，提出降低振動、擺度、應力、磨損、壓力脈動等實測數據的有效方案。

11.應用多相流模型對水輪機內流場的固-液-氣三相流進行水力性能的模擬計算，得到液體相和固體相體積分數圖和速度分數圖，分析機組的空蝕和泥沙磨損情況，計算分析得出水輪機最優的抗空蝕和抗泥砂磨損水斗型線；獲得水輪機轉速和壓力分布規律，磨損率分布圖，預測機組可能發生空化的部位和程度，對機組運行特性、磨損、裂紋、振動、溫度、空化、應力等關鍵參數進行預測評估，分析是否滿足所有運行要求；分析評估大壩、廠房、新機組整體結構動力特性及相互影響機理。

12.對梯級電站各級水位、豐平枯電價、不同標桿電價、水擊波、機組水力性能等進行綜合評估分析，評估噴針、噴嘴、水斗磨損與疲勞特性與運行工況的關系。收集整理多年梯級電站聯合運行大數據（包括各級水位、棄水流量、機組流量、機組出力等）,采用包括人工智能算法在內的不同算法進行大數據分析，提出提高梯級電站發電量和安全性的分析方法。

五、對潛在比選響應人的資格要求

1.比選響應人必須是依照中華人民共和國法律設立，并在中華人民共和國境內登記注冊的、具有獨立法人資格的企業或事業單位（高等院校、科研院所）；

2.比選響應人應有水輪機模型試驗臺和水利水電方面的國家級重點實驗室；

3.比選響應人應具有水電站多場耦合計算分析能力和類似工程項目業績（需提供合作合同）;

4.本比選項目不接收聯合體投標。

六、比選文件發售安排

比選文件一套，定于2021年12月8日至12月14日工作時間上午9:30-11：00時，下午13：30－16:30時，在四川省成都市高新區天泰路112號四川投資大廈南樓1817室發售，每套收工本費150元，比選文件售后不退。

七、購買比選文件需提交的材料

（一） 企業法人營業執照副本復印件；

（二） 購買比選文件人單位介紹信原件；

（三） 購買人身份證復印件。

八、遞交比選響應文件截止時間及地點

接受比選響應文件的截止時間為2021年12月24日10:00 時，比選響應文件必須在此規定時間之前專人送達四川省成都市高新區天泰路112號四川投資大廈南樓1817辦公室。比選響應文件正本一套，副本叁套，U盤1個（文檔采用WORD 2000的*.DOC格式，報價表采用Excel 2000的*.XLS格式）。遲到的比選響應文件，未密封的比選響應文件，比選人予以拒收。

九、發布的媒介

本次比選公告在四川省投資集團有限責任公司網上發布。

十、聯系方式***

比 選 人：四川川投田灣河開發有限責任公司

地    址：四川省成都市高新區天泰路112號

郵政編碼：610015

聯 系 人：劉先生、何先生

聯系電話***

傳    真：（028）85245266

 

2021年12月8日