红蜘蛛-天麟
Goldisthal抽水蓄能电站的创新设计 论文 作者：Akristoff 时间：2007-11-25 12:04:00 来源：论文天下论文网 摘要：2003年9月30日，德国图林根州为1060MW的Goldisthal抽水蓄能电站举行了正式的落成典礼。本文着重对发电机组及其在线监测系统的创新设计做了总结回顾。 关键词：Goldisthal 抽水蓄能电站 创新设计 经过了六年多的施工建设，2003年2月3日，Vattenfall Europe Generation(VE-G) 1060MW的Goldisthal抽水蓄能电站第一台水泵-水轮机投入运行。 Goldisthal电站位于德国图林根州南部的Schwarza河上，是欧洲最大的抽水蓄能电站之一。最早的两个电站装机容量都是265MW，已经投入使用，并且成功地为Vattenfall的高压输电网送电。2004年伊始，另外两个变速机组也将投入运营。Goldisthal电站将会跻身于世界上最大的、最先进的抽水蓄能电站行列。 负责水泵-水轮机组（Konsortium Goldisthal水力发电站）的集团包括VA TECH Escher Wyss股份有限公司、Voith西门子水力发电站和CKD Blansko工程部门等等。发电机由ARGE AEV集团提供，包括Alstom Energietechnik股份有限公司和VA TECH ELIN股份有限公司。 土建工程包括发电主厂房、隧洞和上游水库，其承建者是ARGE PSW Goldisthal集团。 上游水库环形坝的沥青衬砌是由瑞士的Walo Bertschinger施工，下库主坝的沥青衬砌由Strabag完成。 创新与协作 Goldisthal是德国新近修建的唯一一座最大的水力发电设计方案，至少超前20年。由于它包括4个发电能力331MVA的机组，它不仅是世界上同类电站发电量最多的一座，最具能量的设备之一，而且还有一些创新点。 完全自动化环形焊接技术（TIG-Hot金属丝过程）首次应用于焊接钢制隧道内衬的环形接缝，达到了很高的安全性和焊接质量，其效率是手工焊接的两倍，而且证明对于高强度QT钢焊接是最好的。在点焊前，所有的焊接参数和程序都已经在VA TECH 水力发电站的林茨工厂按1∶1的比例原形展现。焊工的培训以及焊接程序的测试也将随后进行。 VA TECH Hydro对Goldisthal的提供范围包括变速异步发电机和同步发电机的详细设计，活动部分、轴承、轴和转动部分的生产，交流线圈的安装，所有装置安装和投入运营的监督管理，以及DIA Tech追踪诊断体系的安装。较大的水力发电设备，包括节制闸、叉管和所有的进、出口的水工钢结构都是由VA TECH Hydro和Linz提供的，电动机是由VA TECH Hydro和澳大利亚的Vienna/Weiz提供的。 提高效率 8400t钢隧道内衬是在一个临时的野外制造厂现场生产出来的。节制闸门和钢隧道内衬总共有320000t，其中160000t是在临时的施工现场生产的。 这种电动发电机的主要优点之一就是可以在分载涡轮运转方式（标准操作）下显著提高效率。为了实现变速运转，四台发动发电机其中两台是带有旋转炉双馈异步电机。 与正常的同步电机不同的是其转子是由三相交流电提供能量，这就可以通过用一个低频率变化的转动场传动转子来改变转动，而且是有计划地设计一套可确保高效运作的程序。在水泵运转中，为了高压输电网的稳定输出，可以控制输出量。这些机器额定电能331MVA、额定电压18KV和300347的转速（535转/分钟），另外的两台设计成常规的静态激振同步电机。 该级别的异步电机在欧洲是特有的。类似产品只有在日本生产过。在欧洲和美国使用的许多大电机都是VA TECH Hydro生产的。 在德国，VA TECH Hydro与他的合作伙伴Voith Siemens Hydro和CKD Blansk已经协作完成设计、供货并将完成安装、委托代理这四台水泵-水轮机，包括附件。在机械上，已经实现了水泵-水轮机组设计上的创新。最显著的设计特性包括一个带有轻型调速环导叶运行装置设计理念、FEM计算、最优化的蜗壳设计和在没有水压力的情况下埋置蜗壳。用于Goldisthal水泵-水轮机预应力导叶轴承证实了VA TECH Hydro的技术在一些年前已经有所发展，尤其应用于水泵-水轮机组。 VA TECH Hydro作为水泵-水轮机协会的领导者，应对水泵-水轮机的基础工程技术负责，提供一套座环的蜗壳、两套完整的带有导叶的导叶装置、上下机盖、两套转轮、专门为安装水泵-水轮机建起的成套工具等等，还有发电站的高低压系统。监测和故障早发现 鉴于生产最大化和成本最小化的重要性，先进的监测和诊断系统对环境改变下的监测指示，对于分析趋势和超越警戒水面提供警告是十分重要的。它们应该提供在发生严重破坏之前非正常老化和故障变异原因的快速诊断，这些分析和诊断结果可以帮助电站操作员、技术专家和电站业主作出明智的选择，这样就可以降低维修费用和提高发电效率。 硬件和软件的利用是根据现代系统概念面向未来的发展和补充，也应支持溶合现有的监测部件要素和一定用户的扩充。 早期故障诊断、减少不定期的运转中断和缩短修理时间是将来运作过程的主要目的。此外，长时间的电子存储精确的结果能够更容易地了解历史数据，不仅在数据分析时具备巨大的优势，而且还可以帮助改善电站经营。达到峰值能量供应表明提高了效率。 为了完成这些目标，在Goldisthal的抽水蓄能电站上装备了DIA TECH监测和诊断系统。 在线智能监测系统 在一定程度上DIA TECH系统和国际供电公用公司合作发展。软件和硬件是由微软公司生产的“视窗”操作系统的技术发展而来的。它的模数体系结构使得对单个操作者的专用方案增强和补充发展成为可能。这种开放式的系统体系结构允许三方成果的简单综合。 各种诊断模块（已知模块）对于机械、绝缘和热力问题的鉴定是有用的，验证和监测不同的运转方式（停止、启动、稳定状态、关闭）和模型（例如发电、同步电容器运转、水泵作用运转）。 使用这种在线智能监测系统，能够较早发现主要机器部件的状态改变，而且更容易判断应力的大小，从而事先提供一个基本可靠的维修策略。这使得监控机器管理简化，与此同时改进电站的实用高效。 气候和地貌 旱季水库将提供9 106m3的水量并在雨季水库能起到控制增大洪水的作用。由于上下库水位差很大，因此，两库的水都允许使用。 在站点，特殊的气候条件要求所有的安装制作必须在抗寒的条件下完成。必须严格地遵从许多的环境规律，尤其是对于野外装配工作。与土木承包商的密切合作对隧洞工程的完成也是至关重要的。 上库坐落在Farmdenkopf山上，是一座沥青混凝土密封、填石环形水坝。上库蓄水能力为12 106m3，经由钟形入口，连接两个920m长直径为2m的钢纹压力隧洞，通往发电站的洞室。 主要的洞室长137m，宽26m，高49m。该发电站由水泵-水轮机、发电机、球形阀和附属设备四部分组成。两条380m长直径为2m的尾水渠通向下库的出口，下库由Schwarza河上67m高的填石水坝构成，也组建了一个小型的电力设备。 环境保护 Goldisthal工程的目的是为了开发可靠并且环保的水电能源。通过建造地下发电站，让庄稼继续在地面上生长，业主和建筑队都能够保护环境，则可避免主要的环境变化。地下洞室式发电站的运转也将是比较经济的。 电站除了提供1060MW的能量外，还将带来其它方面的利益，包括调节高压输电网和其他后备电站的主次功率。另外，在工程建设时期将用到近1000多个工人，还将有50个永久性工作岗位。另外将为当地的服务和维修部门创造80个工作岗位。 精密的规划设计和施工上库占地55公顷，包括截流，钻74 km长的隧洞进入山脉，开挖大量的石头。为了避免地质上的断层，涡流洞窟干线的位置不得不改变。不管工程多么巨大，采用简单易行的方式。 过去通常采用大块岩石锚固，再喷混凝土和钢啮合以保护桥墩和一些内部通道。开挖出的大约155000m3的原料作为水坝的填石。为了不影响风景，下游主坝的迎水面斜坡和环形水坝的外坡用草皮覆盖并且管理部门的建筑按照当地的建筑风格建造。 在整个工程中，Vattenfall不断地监测当地的动植物群落并采取积极的措施预防和纠正由工程引起的失衡和破坏。在德国的东部，为了保护自然环境和促进环境与工程相适应，已经和德国协会建立了合作基金会。[ 
王受之，1946年出生于广州，设设理论和设计史专家。毕业于武汉大学研究生院，1980年代曾担任过广州美术学院设计系副主任和学院的工业设计研究室副主任，1987年作为美国富布赖特学者，在宾夕法尼亚州立大学西切斯特学院和威斯康辛大学麦迪逊学院从事设计理论研究和教学，1988年开始在美国设计教育最权威的学府——洛杉矶的“艺术中心设计学院”担任设计理论教学，1963年升任为全职终身教授，负责全院的现代设计理论和现代设计史教学。1997年担任美国全国艺术和设计院校委员会年度会议理论组召集人，1998年作为联合国开发总署专家在北京的中央美术学院主持设计理论和设计史讲学班。王受之曾经多次担任重要设计比赛的评委工作，包括香港设计师协会“设计98”年展评委、1997年香港回归的国家艺术大展评委。王受之是中国的中央美术学院、清华大学美术学院、上海大学美术学院等高等艺术设计院校的客座教授。王受之所著设计理论和设计史著作相当多，其著作成为中国大陆、台湾和香港的设计专业教科书中主要参考书，共中包括在大陆出版的《世界现代设计史》、《世界现代建筑史》、《当代商业住宅区的规划和设计》，还包括台湾出版的《世界现代设计》、《世界现代平面设计》、《现代世界艺术的发展》，他参与撰写的《战后美国史》曾经获得1992年国家社会科学著作的金奖。他的《设计史论丛书》包括《世界现代设计史》、《世界平面设计史》、《世界当代艺术史》、《世界时装史》、《世界广告史》、《世界工业产品设计史》、《美国插图史》等，由中国青年出版社与香港天一艺术设计出版公司联合出版。
概念是人对能代表某种事物或发展过程的特点及意义所形成的思维结论。设计概念则是设计者针对设计所产生的诸多感性思维进行归纳与精炼所产生的思维总结，因此在设计前期阶段设计者必须对将要进行设计的方案作出周密的调查与策划，分析出客户的具体要求及方案意图，以及整个方案的目的意图，地域特征，文化内涵等再加之设计师独有的思维素质产生一连串的设计想法，才能在诸多的想法与构思上提炼出最准确的设计概念。一、简而言之概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法。概念设计是完整而全面的设计过程，它通过设计概念将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计。如果说概念设计是一篇文章，那么设计概念则是这篇文章的主题思想。概念设计围绕设计概念而展开，设计概念则联系着概念设计的方方面面。二、概念设计的思维程序概念设计的关键在于概念的提出与运用两个方面，具体的讲它包括了设计前期的策划准备；技术及可行性的论证；文化意义的思考；地域特征的研究；客户及市场调研；空间形式的理解；设计概念的提出与讨论；设计概念的扩大化；概念的表达；概念设计的评审等诸多步骤。由此可见概念设计是一个整体性多方面的设计，是将客观的设计限制，市场要求与设计者的主观能动性统一到一个设计主题的方法。设计概念的提出首先要进行方案分析。方案分析包括具体的建筑地点分析；建筑结构分析；环境及光照分析；空间功能分析等几个部分。对于商业空间的设计来说地点分析及结论显得犹为重要，例如麦当劳，肯得基等快餐店的选址都在人流量较大的城市中心商业地带，开门，开窗的朝向以及人流路线便是设计时所应当注重的。而诸如酒吧，茶室等则需要相对具有文化氛围的环境，尽量将具有安静，幽雅的室外环境引入室内。其次是客户分析。客户分析是旨在了解客户的设计需求，针对不同的客户进行不同的设计定位从而体现设计以人为本的思想。具体在家居室内设计来讲家庭成员的数目，各年龄层次，业主的职业及习惯，兴趣爱好都是应进行调查分析的。而业主的身高体态，健康状况则指导着设计人体工学的各个方面，对客户的分析是设计概念定位的一个重要方面。然后是市场调查。对现有同类设计的分析调查往往能进一步深刻设计师的思维，从而提出别具一格的设计概念创造出独特的空间形象和装饰效果。其中应具有个案分析，市场发展走向的预测，不同设计的空间布局等等，市场调查的深入有利于设计者调整设计思维，加深对特殊空间限定性的了解。之后进行资料收集。搜集相关的设计资料进行分析有助于设计者对当今设计走向的了解，以及的特殊空间人体工学尺度的把握，使设计的功能性趋于完美。最后是设计概念的定位及提出。在进行了前面的几点深入分析之后，设计者必产生若干关于整个设计的构思和想法，而且这些思维都是来源于设计客体的感性思维，进而我们便可遵循综合，抽象，概括，归纳的思维方法将这些想法分类找出其中的内在关联，进行设计的定位，从而形成设计概念。由于我们的想法都是基于方案之上并由此而展开，所以从其归结出的设计概念必定具有相对性和独特性，也就保证了我们设计出的设计作品具有创新和独特的意义。设计概念的带入和运用设计概念的运用过程是理性的将设计概念赋予设计的过程，它包括了对设计概念的演绎、推理、发散等思维过程，从而将概念有效的呈现在设计方案之上。如果说概念设计的得出是设计者的感性思维结论，那么概念的运用则需要设计者将概念理性的发散到设计的每一个细小部分。从设计概念运用的一般固有模式中应有以下几个方面：一是空间形式的思考。空间形式及研究的初步阶段在概念设计中称其为区段划分，是设计概念运用中首要考虑的部分。首先应考虑各个空间组成部分的功能合理性，可采用列表分析，图例比较的方法对空间进行分析，思考各空间的相互关系，人流量的大小，空间地位的主次，私密性的比较，相对空间的动静研究等等，这样便有利于我们在平面布置上更有效，合理的运用现有空间使空间的实用性充分发挥。其次是进行空间流线的概念化，例如某设计是以创造海洋或海底世界的感觉为概念则其空间流线将应多采用曲线，弧线，波浪线的形式为主。若是要表达工厂，机械的概念就应多运用直线，折线来进行空间划分。在空间布置这一步骤中，应竭力将设计概念的表达与空间安排的合理性结合起来，找到最佳的空间表达形式。二是饰面装饰及材料的运用。饰面装饰设计来源于对设计概念以及概念发散所产生的形的分解，由一个设计概念我们能联想到许多能表达概念的造型，将这些形打散，组合，重组，我们就能得到若干可以利用的形，在将这些形变化运用到饰面装饰的每一个方面。对材料的选择也是依据是否能准确有利的表达设计概念来决定的，是选择具有人性化的带有民族风格的天然材料，还是选泽高科技的，现代感强烈的饰材都是由不同的设计概念而决定的。这样不论是大型的公共空间还是小巧的居室设计都会创造出既有变化又有同一特点的装饰形象来，因为这其中有一条线将它们串联了起来，那就是设计概念。三是室内装饰色彩的选择。色彩调子的选择往往决定了整个室内气氛也是表达设计概念的重要组成部分。在室内色彩的性格及运用上已有许多论述，在此不在重复。总之室内色彩调子也是由设计概念所决定的。在室内设计中设计概念即是设计思维的演变过程也是设计得出所能表达概念的结果。概念设计程序是一个有机的统一的思维形式，各个部分相互依存，从而设计作品的每一部分都是设计概念的表达。三、概念设计的思维方法概念设计需要全面的思维能力，概念设计的中心在于设计概念，设计概念的提出与运用是否准确，完善决定了概念设计的意义与价值。设计概念的提出注重设计者的主观感性思维，只要是出自于设计分析的想法都应扩展和联想并将其记录下来，以便为设计概念提出是准备丰富的材料。在这个思考过程中主要运用的思维方式有联想、组合、移植和归纳。所谓联想即是对当前的事物进行分析、综合、判断的思维过程中，连带想到其它事物的思维方式，扩大原有的思维空间，在概念设计的实际运用过程中便是依靠市场调查，客户分析等实践而得出的结论进行联想从而启发进一步思维活动的开展，设计者的本体思维差异也决定了其联想空间深度和广度的相互差异。组合性思维是将现有的现象或方法进行重组，从而获得新的形式与方法它能为创造性思维提供更加广阔的线索。移植是将不同学科的原理，技术，形象和方法运用到室内设计领中进行对原有材料进行分析的思考方法，它能帮助我们在设计思考的过程中提供更加广阔的思维空间。归纳在于对原有材料及认知进行系统化的整理，在不同思考结果中抽取其共同部分，从而达到化零为整，抽象出具有代表意义的设计概念的思考模式。设计概念的提出往往是归纳性思维的结果设计概念的运用阶段在于将抽象出来的设计细分化，形象化，以便能充分的利用到设计之中去，在这个过程中我们所运用的思维方法有演绎，类比形象化思维等几种方法：演绎是指设计概念实际运用到具体事物的创造性思维方法，即由一个概念推演出各种具体的概念和形象，设计概念的演绎可以从概念的形式方向，色彩感知，历史文化特点，民族地域特征诸多方向进行思考，逐步将设计概念这一点扩散，演变为一个系统性的庞大网状思维形象，演绎的深度和广度直接决定了设计概念利用的充分与否。类比就是依据对设计概念的认识并使其发展的创造性思维方法。设计概念是将不同的事物抽象出共同的特性进而总结形成的，而类比则是又将概念的可利用部分进行二次创造与发散，产生不同的形式与新事物。形象思维的过程是借助概念演绎及类比产生的形象进行创造的构思方法，运用形象思维将原有得出的图形符号等形象进行思考，展现出三维的空间形象，是将设计概念及其发展立体化，直观化的表达。在实际的概念设计过程中运用到的思维方式不仅仅局限于以上几种，这需要设计者深入的分析设计运作和策划，进而进行广泛而深刻的思考探索，更需要设敏捷的思维和广博的知识结构来总结和诠释设计概念。
