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圖①：我國首臺(tái)國產(chǎn)化150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪。
圖②：智能沖擊式水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)裝置。
圖③：機(jī)械臂正在對(duì)500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪的中心體鍛件進(jìn)行電弧增材作業(yè)。
王珍 攝
圖④：沖擊式轉(zhuǎn)輪機(jī)加工作業(yè)。
（圖①②④由東方電氣集團(tuán)提供）
成都平原東北部，坐落著一座歷史悠久的文化名城——四川德陽。這里是古蜀文明之源，也是現(xiàn)代裝備智造之都。
作為中國重大技術(shù)裝備制造業(yè)基地、聯(lián)合國清潔能源技術(shù)與再生資源裝備制造業(yè)示范城市，這里的發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量居世界第一，同時(shí)也創(chuàng)造了諸多“中國第一”和“世界之最”。白鶴灘百萬千瓦水電機(jī)組、三峽工程的“中國心”、“華龍一號(hào)”核電機(jī)組的重要部件、被譽(yù)為我國“爭(zhēng)氣機(jī)”的首臺(tái)國產(chǎn)F級(jí)50兆瓦重型燃?xì)廨啓C(jī)等一批“國之重器”均誕生于此。
記者跟隨“走進(jìn)新國企·打卡新坐標(biāo)”采訪團(tuán)來到這座“重裝之城”，走進(jìn)素有“中華第一跨”之稱的東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司清潔能源裝備重型制造數(shù)字化車間，探訪世界首臺(tái)500兆瓦沖擊式水電機(jī)組研制，現(xiàn)場(chǎng)感受如何用繡花功夫鍛造“鋼筋鐵骨”。
1智能制造，大圓環(huán)“長”出水斗型“花瓣”
德陽城區(qū)，綿遠(yuǎn)河畔，便是東方電機(jī)的廠址所在。
走進(jìn)廠區(qū)大門，右手邊的第一幢建筑，就是“中華第一跨”重跨廠房——東方電機(jī)清潔能源裝備重型制造數(shù)字化車間。
這個(gè)長約400米、寬36米、高33米的廠房，始建于上個(gè)世紀(jì)90年代，云集了一批中國乃至世界一流的加工設(shè)備。之所以被稱為“中華第一跨”，在于其超大的規(guī)模和超強(qiáng)的制造能力。
“在這里研制的發(fā)電裝備約占全國總裝機(jī)容量的四分之一?！睎|方電機(jī)數(shù)智部副部長蔣彥坤告訴記者。這意味著，我國每4度電中就有1度來自這里生產(chǎn)的裝備。
走進(jìn)“中華第一跨”，吊臂穿梭，焊花四濺，機(jī)器轟鳴，車間內(nèi)一片繁忙，又井然有序。與記者想象中制造車間“人聲鼎沸”的場(chǎng)景不同，放眼望去，偌大的車間中可以看到的生產(chǎn)工人屈指可數(shù)。
順著一側(cè)的步道往里走。在其中一個(gè)生產(chǎn)模塊內(nèi)，記者看到，3臺(tái)機(jī)械臂正在對(duì)一個(gè)直徑約5米、高約1米的大圓環(huán)上表面進(jìn)行焊接作業(yè)。
這個(gè)看起來普普通通的圓環(huán)實(shí)則并不普通：不僅塊頭大，分量也很“重”，是世界首臺(tái)500兆瓦沖擊式水電機(jī)組的“心臟”——轉(zhuǎn)輪的中心體鍛件。而這臺(tái)發(fā)電機(jī)組將用于具有高水頭（水位落差）、大容量、高海拔等特點(diǎn)的西藏玉曲河扎拉水電站項(xiàng)目，也是目前世界在建綜合難度最大的沖擊式水電項(xiàng)目?！斑@也意味著我國水電設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平再攀高峰。”東方電氣集團(tuán)有關(guān)負(fù)責(zé)同志表示。
今年8月，這個(gè)轉(zhuǎn)輪中心體鍛件全面通過驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了500兆瓦高水頭大容量沖擊式水電機(jī)組研制的里程碑突破。后續(xù)經(jīng)過尾翼激光增材、尾翼電弧增材、數(shù)控加工、外部水斗焊接等一系列程序后，將制造出一個(gè)直徑6.2米、重約90噸的大轉(zhuǎn)輪。
為便于記者理解，東方電機(jī)焊接工藝高級(jí)工程師金寶打開手機(jī)里的一段視頻。視頻以3D動(dòng)畫的形式介紹了沖擊式轉(zhuǎn)輪的整個(gè)制造過程。“目前，機(jī)械臂正在進(jìn)行的就是尾翼電弧增材，也就是我們平時(shí)說的3D打印?！苯饘毟嬖V記者，“打印”完成后，大圓環(huán)就會(huì)“長”出一片片水斗型“花瓣”，而這道程序通常被他們稱為“鐵臂繡花”。
“‘鐵臂’就是指機(jī)器人的機(jī)械臂，‘繡花’則是指精細(xì)化焊接?！苯饘氝M(jìn)一步解釋道，機(jī)械臂每焊接一層大約有3毫米厚，大圓環(huán)上下面分別要“長高”近300毫米，總體增材將達(dá)6.2噸。
而這整個(gè)過程都可遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人無人值守作業(yè)。金寶打開重型加工協(xié)同控制中心的機(jī)器人增材制造遠(yuǎn)程發(fā)送系統(tǒng)，記者看到，焊接速度、焊接姿態(tài)角等參數(shù)均可在系統(tǒng)中完成設(shè)置，并發(fā)送操作指令。
“焊接技術(shù)與5G、自動(dòng)化控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，高度適用于沖擊式轉(zhuǎn)輪外部水斗復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)部件的制造，能夠?qū)崿F(xiàn)定制化設(shè)計(jì)和制造的‘近凈成形’，也就是‘所焊即所得’?！苯饘毟嬖V記者，使用這一技術(shù)，不僅降低了鍛坯制造難度，還提高了材料利用率，開創(chuàng)了行業(yè)先例。
不僅是沖擊式轉(zhuǎn)輪的制造，在“中華第一跨”的不同生產(chǎn)模塊，都能看到機(jī)器人的身影。
“在這里，我們打造了一個(gè)機(jī)器人智能焊接集群，實(shí)現(xiàn)了焊接過程中的集群控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?！苯饘毥榻B。目前，該車間的機(jī)器人智能焊接集群已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，完成了白鶴灘等重大項(xiàng)目核心部件的焊接，且焊接質(zhì)量優(yōu)異。
不僅如此，該車間的重型機(jī)加控制還實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生功能，機(jī)臺(tái)操作者可以通過現(xiàn)場(chǎng)終端完成開工、報(bào)工、質(zhì)檢、圖紙技術(shù)資料查閱、起吊呼叫、刀具配送呼叫等作業(yè)環(huán)節(jié)。水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，上面掉一根頭發(fā)絲都能被識(shí)別出來，裝配效率提升了4倍……而這些技術(shù)后期也將應(yīng)用于500兆瓦沖擊式水電機(jī)組的加工裝配。
2精雕細(xì)琢，確保轉(zhuǎn)輪循環(huán)疲勞壽命不低于150億次
從制造到智造，數(shù)字化改造升級(jí)不僅大幅改善了工人的工作環(huán)境，還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，將制造水平推向了新的高度。
數(shù)據(jù)最具說服力。以500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪的加工精度為例，記者了解到，常規(guī)情況下，加工如此大尺寸的轉(zhuǎn)輪，精度可能達(dá)到8毫米；而機(jī)器人電弧增材的加工精度提高到了2毫米，激光增材的加工精度更高，可小于1毫米。精益求精，轉(zhuǎn)輪經(jīng)納米化處理后，其表面加工光潔度則可達(dá)到0.2微米，而一根頭發(fā)絲的直徑就有六七十微米。
“這樣的加工精度是機(jī)械制造行業(yè)的最優(yōu)水平?！睒I(yè)內(nèi)人士介紹。在500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪中心體鍛件的一旁，記者看到了一組“花瓣”——沖擊式轉(zhuǎn)輪的水斗，表面光潔度達(dá)到了鏡面效果。
不過，于世界首臺(tái)500兆瓦沖擊式水電機(jī)組而言，其“精”不僅僅體現(xiàn)在制造工藝上，更體現(xiàn)在核心技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。
熊建軍，東方電機(jī)水輪機(jī)設(shè)計(jì)工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作20年，一大半時(shí)間都在研究沖擊式水輪機(jī)，深知其難。雖然500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪目前已經(jīng)進(jìn)入進(jìn)一步制造加工階段，但他和同事們針對(duì)該機(jī)組各部件的驗(yàn)證優(yōu)化仍在進(jìn)行中。在智能沖擊式水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)，記者看到工作人員正在開展相關(guān)試驗(yàn)。
“不到最后一刻，優(yōu)化就不會(huì)止步。”熊建軍告訴記者，扎拉水電站項(xiàng)目是藏東南清潔能源一體化基地核心電站，也是現(xiàn)階段國內(nèi)唯一可開展500兆瓦級(jí)高水頭大容量沖擊式機(jī)組研制及應(yīng)用示范的水電項(xiàng)目，對(duì)實(shí)現(xiàn)國家能源安全和“藏電外送”能源發(fā)展戰(zhàn)略意義重大。但扎拉水電站水頭高、海拔高、溫差高、地震帶和斷裂帶多，這些特點(diǎn)對(duì)水輪機(jī)尤其是轉(zhuǎn)輪的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝，提出極高的要求。
記者了解到，沖擊式水輪機(jī)是通過高速射流沖擊水斗帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪發(fā)電，轉(zhuǎn)輪內(nèi)，類似“導(dǎo)水機(jī)構(gòu)”的部件被幾個(gè)“噴嘴”代替。由于水頭高，從“噴嘴”噴出的水流流速大，對(duì)轉(zhuǎn)輪的沖擊力也大。加之水流流速多變、泥沙沖擊等因素，對(duì)轉(zhuǎn)輪的要求更高。
“扎拉水電站水頭近700米，水流轉(zhuǎn)換速度約120米/秒?！毙芙ㄜ娬f。這意味著，每一次水流沖擊水斗產(chǎn)生的能量，大約相當(dāng)于一輛1.5噸的汽車以450公里的時(shí)速撞擊產(chǎn)生的能量，而每個(gè)水斗至少要承受150億次這樣的撞擊。任何細(xì)微的內(nèi)部型線調(diào)整，都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪的抗變形、抗斷裂、抗泥沙磨蝕性能帶來影響。
如何在如此高強(qiáng)度的水流沖擊下保持穩(wěn)定？攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)之初就創(chuàng)新應(yīng)用了由東方電機(jī)自主開發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水斗三維造型設(shè)計(jì)軟件，采用先進(jìn)的仿真分析方法，并通過高精度智能化的模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，大大推進(jìn)了水力設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)程。
“對(duì)比驗(yàn)證了100多個(gè)方案，終于造就了500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪的‘鋼筋鐵骨’。”熊建軍介紹。轉(zhuǎn)輪采用基于低應(yīng)力分布的分瓣方式，同時(shí)優(yōu)化了轉(zhuǎn)輪三維高階復(fù)雜曲面造型，加上高質(zhì)量焊接和高精度數(shù)控加工工藝、激光熔覆、表面納米化改性技術(shù)的應(yīng)用，有效提升了轉(zhuǎn)輪抗泥沙磨蝕性能，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)輪抗變形、抗斷裂的能力，可確保轉(zhuǎn)輪循環(huán)疲勞壽命不低于150億次。
3探索創(chuàng)新，給大型沖擊式水電機(jī)組裝上“中國心”
最近，金寶和同事們一起來到四川雅安田灣河流域金窩水電站。今年6月初，500兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪的“縮小版”——國內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的單機(jī)容量最大功率150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪正式在這里投用，給150兆瓦級(jí)大型沖擊式水電機(jī)組裝上了“中國心”。
他們此行的目的就是去看看這臺(tái)“中國心”的水力效率、泥沙磨蝕情況等，為高水頭大容量巨型沖擊式水電機(jī)組的研制提供數(shù)據(jù)參考。
記者了解到，水電機(jī)組種類很多，包括混流式、軸流式、抽水蓄能式、貫流式、沖擊式等。其中，混流式水輪機(jī)最為常見，我國著名的三峽、白鶴灘、溪洛渡水電站使用的都是混流式水輪機(jī)，最大單機(jī)容量高達(dá)百萬千瓦（1000兆瓦）。沖擊式水電機(jī)組是服務(wù)國家“加快西南水電基地建設(shè)”重大戰(zhàn)略需求的主力機(jī)型，但受應(yīng)用市場(chǎng)缺乏等因素影響，我國沖擊式水電機(jī)組一些關(guān)鍵核心技術(shù)還存在“卡脖子”問題。
“轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)是第一個(gè)需要攻克的難題?！毙芙ㄜ娬f，轉(zhuǎn)輪是水電機(jī)組最核心的部件，被譽(yù)為水電機(jī)組的“心臟”。
關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。如何在沖擊式領(lǐng)域闖出一片天？我國科研人員一直在探索攻關(guān)。針對(duì)高水頭大容量巨型沖擊式水輪機(jī)研制，東方電機(jī)聯(lián)合科研院所、上下游企業(yè)，針對(duì)涉及水力、電機(jī)、工藝等方面的70多項(xiàng)課題開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，踏上了攀登沖擊式水電裝備技術(shù)新高峰的征程。
記者了解到，150兆瓦級(jí)大型沖擊式轉(zhuǎn)輪在金窩水電站實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，為接續(xù)開展更高水頭更大容量沖擊式轉(zhuǎn)輪的研制工作奠定了良好基礎(chǔ)。500兆瓦級(jí)巨型沖擊式轉(zhuǎn)輪研制當(dāng)前也已取得重大階段性成果。
不過，容量的增加，帶來的并不是簡(jiǎn)單的等比例難度遞增?！拔覀儚?50兆瓦到500兆瓦，再到更高水頭更大容量，是‘越級(jí)跳’，每一‘跳’的難度都非常大?！毙芙ㄜ娊榻B。以鍛件的體積和重量為例，150兆瓦沖擊式轉(zhuǎn)輪整體只有20多噸，而500兆瓦的沖擊式轉(zhuǎn)輪將達(dá)約90噸，更大容量的沖擊式轉(zhuǎn)輪也將更大更重?！斑@對(duì)材料的選用和鍛造工藝制定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提出了挑戰(zhàn)，最好的辦法就是繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新?！?/p>
“路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成。我們有信心！”從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強(qiáng)……中國水電人用實(shí)際行動(dòng)推動(dòng)更多關(guān)鍵核心技術(shù)取得新突破，不斷攀登水電裝備技術(shù)新高峰，持續(xù)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型助力賦能。
