哈電集團電機公司再登世界水電裝備制造技術巔峰自主設計的首臺世界最大的向家壩導水機構制造成功
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發布時間：2012-03-27
編者按
向家壩水電站是我國目前第三大水電站，裝機規模僅次于三峽和溪洛渡。該工程計劃在左岸、右岸共安裝8臺目前世界上單機容量最大的800MW水電機組，其中4臺由哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱“電機公司”）承制，另外4臺歸國外廠商。
業界人士評價，中外最優秀的兩家水電制造企業同臺競技，無疑又將是一次世界最高技術水平的巔峰對決。
2012年3月22日，我國首臺自主設計制造的世界單機容量最大的向家壩800MW混流式機組導水機構，在電機公司通過了業主———三峽集團公司專家組的驗收，各項技術參數均滿足設計要求，關鍵指標達到精品要求，受到了業主的高度評價。
自2008年以來，電機公司不負眾望，歷時4年，精心組織制造，克服重重困難，陸續完成了向家壩機組的科研、設計、加工和裝配等各項任務，成功制造出堪稱目前世界上重量最大、技術要求最嚴、制造難度最高的導水機構，實現了800MW混流式機組導水機構的完全自主知識產權，刷新了我國電力裝備制造行業巨型機組自主設計制造的最高紀錄。
更令人振奮的是，電機公司百萬千瓦級水電機組7項關鍵自主技術，已經完成了三峽集團公司組織的技術交流，百萬千瓦級水電機組國產化漸行漸近。
“從三峽左岸當學生，到三峽右岸自主化，從溪洛渡再到向家壩，歷經14年的勵志研發和苦心積累，電機公司實現了與國際一流企業的巔峰對決，不斷推動我國大型水電裝備自主研發能力和制造技術全面超越。”———哈爾濱電機廠有限責任公司董事長、總經理邱希亮
自主研發改進機組流道性能
電機公司生產出的巨型混流式水輪發電機組，包括三峽機組在內已有數十臺之多。2003年初，在三峽右岸機組制造技術國產化的過程中，電機公司就開始了對單機容量800MW水電機組的研發嘗試。經過一年多的準備，2004年9月2日，電機公司組織了800MW機組研發工作第一次論證會，確定了800MW機組自主研發及獨立制造的可行性。
800MW水輪發電機組運行通道的改進，是電機公司眾多創新中較早解決的科研難題之一。而水輪機導水機構等部件的結構是決定機組運行通道的關鍵。
為了保證800MW機組運行通道的水力性能，電機公司大電機研究所水輪機室的科研團隊，對三峽機組水輪機通道進行了改進。通道的改進設計對象，主要為蝸殼、固定導葉、導水機構的 活動導葉等過流部件。為了提高計算精度，以及更好地模擬實際運行中機組內通道的狀態，科研團隊在機組通道參數計算中，使用了RNGk-ε模型，與通常使用的標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型對瞬變流和流線彎曲的影響，能夠做出更好的反應，提高計算結果的可參考性。
三峽電站的活動導葉翼型較厚，制造不便，且成本高，因此，科研團隊對800MW機組的導葉進行了改型設計。采用對相關部件聯合計算的方法，進行了縝密的計算，很好地模擬了導葉區水流運動效果。
通過計算分析比較，科研團隊在保證活動導葉水力性能的前提下，縮短了活動導葉的進水邊長度，并對導葉葉形進行了減薄處理。同時，對固定導葉與活動導葉的相對位置關系進行了多次計算，最終確定出最優匹配關系，進一步提高了機組的運行穩定性。經過理論計算，改進設計后的800MW機組導葉的水力性能達到世界先進水平。
2008年1月和5月份，在中國水利水電科學院進行的兩次競標中，電機公司的方案從眾多國內同行及國外大公司中脫穎而出，贏得了三峽集團公司的認可，簽下了向家壩4臺份機組的生產制造合同。
獨立設計優化導水機構結構
2011年5月，向家壩機組結構調整和設計優化工作結束。
導水機構是由頂蓋、底環、導葉、控制環及導水零件組成的，設計圖紙多達200余張。電機公司科研團隊重新計算了向家壩機組18個導水零部件的剛強度，多次通過有限元計算推演，加強了導水機構主件頂蓋的高度，增加了頂蓋焊接材料的厚度，有效保證了導水機構在機組運行中的穩定和安全。增加了控制環的自重，解決了導水機構開關時，24組導葉臂和連接板運行不同步，而產生振動的問題。在根據同類機組實際問題邏輯推理和科學計算數據的支持下，向家壩導水機構取消了與機組座環之間的連接板結構，設法使頂蓋直接與座環形成裝配關系，簡化了結構的同時，使機組的安全運行更加可靠。
導水機構圖紙設計期間，原結構組組長高洪軍、李英凱，設計員韓桂玲、董德煥等都付出了超常的努力，源自于對技術的精益求精和對設計工作的熱愛，他們每天都工作超過10小時。為了盡快完成導水機構圖紙設計任務，為后續制造創造有利條件，周末休息也被他們主動地放棄。尤其是韓桂玲作為女同志，雖然身體欠佳、肩挑著敬老愛小的生活重擔，卻始終沒有影響向家壩設計工作。
向家壩機組設計完成后，有人統計了工作量，結構組的43名同志，在一年的時間里完成了正常一年半的工作任務。
多措并舉保證產品焊接質量
頂蓋、底環、控制環是向家壩導水機構主要由三大主件，均為鋼板組焊結構，其制造特點是焊接量大、焊接難度高、質量要求嚴、產品周期長、尺寸精度高，其制造難度大。
盡管此前電機公司已經成功生產了三峽左岸、右岸、地下，以及溪洛渡、糯扎渡等大型機組的導水機構，但是為了將向家壩導水打造成精品，進一步提高裝配焊接質量，電機公司負責裝焊工序的冷作分廠明確提出，以向家壩導水機構的生產制造為契機，全面提升生產管理水平，確保打造精品工程。
冷作分廠同負責裝焊的各工段落實具體的各個節點周期，在各節點設定影像記錄，做好問題記錄。針對工藝和質量問題，事先請設計和工藝人員做了技術交底工作，使整個生產流程的工作處于可控狀態，保證導水機構三大主件生產的順利進行。
向家壩底環最大板厚160毫米，焊接量大。為了保證焊接質量，嚴格控制預熱溫度，要求焊接前電焊工對施焊位置進行充分地預熱，溫度達到要求后才可以焊接，工藝要求將底環加熱到100攝氏度以上，同時焊接過程中加大監控頻次，從而確保了底環的焊接質量，焊接后經嚴格的超聲波探傷達到100%合格。
向家壩控制環為兩瓣裝焊結構，其結構相對簡單，為立圈與上下環板組合結構，焊后易產生變形，裝配人員經過認真分析圖紙后，在合理位置支撐拉筋外，焊接時嚴格遵守工藝，認真施焊，有效避免了因焊后變形而導致的尺寸超差。
向家壩頂蓋為導水機構中制造難度最大的產品，其噸位大，重約為344噸；尺寸大，直徑為12990毫米，共分四瓣；板厚最大板厚達到230毫米；焊接量大，所用焊絲重量約為20多噸。
為了縮短制造周期，冷作分廠將四瓣頂蓋生產分到四個生產工段。頂蓋焊接過程中，由于頂蓋體積、噸位大，翻身和起吊都有一定難度，嚴重影響了其它產品的正常生產。在總結了三峽頂蓋焊接翻身順序和特點的基礎上，通過三峽頂蓋焊接的實際驗證，固化了頂蓋的翻身次數，規范了頂蓋焊接順序，不僅避免不必要翻身，同時，焊接科學排序減小了焊接應力，有效控制了頂蓋的焊接變形，提高了工作效率。
勤工細作打造精品水電機組
2012年2月8日，重達320噸的向家壩1號頂蓋穩穩地落在導水機構上，2月17日控制環的安裝到位，標志著向家壩1號機組導水機構預裝正式進入調試階段。
電機公司沒有生產加工800MW機組的經驗；導水機構在預裝時頂蓋與套筒把合后自重330噸，落于導水機構上需動用兩臺吊車同時工作，起吊、行進、下落等操作的同步性要求非常嚴格；向家壩導水機構總重976噸，遠高于三峽機組導水機構736噸的總重，原有預裝平臺和工具能否滿足要求還未可知，給向家壩導水機構的生產裝配帶來很大難度。
水電分廠針對向家壩導水機構主件，在投產之前多次邀請制造工藝部的工藝員，對導水機構的各項分裝配及最后整體裝配進行技術交底，掌握各個工序的加工要點和難點。從頂蓋、底環、控制環、導葉的生產排產、設備加工、手工裝配都進行了縝密的計劃和布置。由于大型環形工件的剛性不好，存在較大應力變形，制造工藝部和水電分廠共同想了很多辦法，采用加熱補焊的辦法，保證了底環的加工質量，其加工經驗也為公司積累了控制類似環形類工件變形的有效理論依據。
在以往的導水機構投裝落頂蓋時，一般采取僅預裝4個或6個套筒來給導葉定位。但因向家壩導水機構采用的是分體式套筒結構，為保證質量，水電分廠采用24個中套筒全部與頂蓋裝配后，一起隨頂蓋落于導葉上，就相當于有24個定位位置需要考慮，且整體的起吊重量達到了320噸，大大增加了頂蓋的投裝難度。頂蓋吊裝時，兩臺200噸吊車共同起吊，在吊掛人員、裝配人員和吊車操作人員的緊密配合下，24個導葉均順利的插入套筒中，頂蓋一次落裝成功。
經過近1個月的艱苦努力，電機公司連續突破了安裝導葉、吊裝頂蓋、安裝上套筒、落控制環、裝導葉臂、連接板、調導水機構同心度、調導葉端面及立面間隙等諸多工序，完成了導水機構的總裝調試。
管理革命一體兩翼超越百億
“技術上積累，心態上清零。”公司董事長、總經理邱希亮用這句話概括了電機公司能夠保持著旺盛自主創新能力的原因。14年間，電機公司完成了從300MW到800MW巨型水電機組自主制造的一個個跨越，躋身世界一流水電品牌，其中技術創新和管理革命是重要的撬動支點。
大手筆帶來大創新。2008年至2011年，電機公司年均投入研發費用近2億元。
依托我國唯一的國家級水電設備工程技術研究中心（俗稱大電機研究所），電機公司開發新產品、新技術40余項，依靠強勁的自主創新能力，在競爭激烈的國際水電制造市場上穩居第一陣營。
2011年，電機公司完成總投資1.4億的新水力試驗臺安裝調試工作；遠程發電設備狀態檢測與故障診斷系統實現了遠距離機組的實時監控，為用戶提供產品全壽命周期服務；完成“百萬水電工程”重點科技攻關項目，1000MW水電機組推力軸承額定載荷達到5400噸，創造了推力軸承瓦單瓦面積最大等多項世界第一，通風模型試驗成功，填補了世界技術空白；完成火電1000MW超超臨界汽輪發電機國產化關鍵技術研究；以溧陽抽水蓄能和葛洲壩改造項目為契機，水泵水輪機、軸流式水輪機關鍵水力技術取得重大突破。此外，“三峽全空冷巨型水輪發電機組研制”獲國家科技進步二等獎。全年申報專利46項，專利授權25項，其中發明專利13項。
登頂之后是又一次開始。2011年，電機公司在職代會上通過了《公司“十二五”發展規劃》，提出“一體兩翼超越百億”的宏偉目標：即哈爾濱電機廠（昆明）有限責任公司增添了中小水電生產能力；與GE公司合資，成立哈電通用風能（江蘇）有限公司，合作開發國內潮間帶、離岸大功率直驅風力發電機組。
目前，電機公司在風電、潮汐發電、核電發電機組設計制造領域，已經取得積極進展。AP1400的核主泵的技術儲備；開展直驅式永磁風力發電機技術的研究，開發3兆瓦、5兆瓦直驅式永磁風力發電機；開展潮流發電機關鍵技術的攻關，以10千瓦潮流發電機設計、制造為契機，掌握潮流發電機的關鍵技術，并應用于600千瓦海底式潮流發電整機制造項目的設計制造中。
在大型抽水蓄能機組研究方面，電機公司自主設計制造的響水澗機組于2011年12月26日正式投運。機組擺度、振動、溫升情況良好，得到了用戶高度贊揚，標志著我國抽水蓄能機組國產化取得圓滿成功，中國在發電設備制造領域又取得了突破性進展。
目前，電機公司不僅是三峽工程中最大的贏家，而且成為全國水電機組市場的最大贏家。電機公司制造的大型水電機組，約占國內生產的大型裝機容量的2/3，汽輪發電機約占國內生產的總裝機容量的1/3。產品遍布包括臺灣在內的所有省份，并出口到加拿大、美國、巴基斯坦、日本等近50個國家和地區。
(中國電力報 2012年03月27日）