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二零一七年本人院喜获2项国家手艺发明奖,哈电

6月15日,中国机械工业联合会在沈阳组织召开了由沈阳铸造研究所研制的“大型水轮机电渣熔铸模压叶片”新产品技术鉴定会。原机械工业部陆燕荪副部长、中国科学院李依依院士、中国工程院王国栋院士、机械科学研究总院李新亚院长,三峡办技术装备司、工信部科技司、中国长江三峡集团公司机电工程局领导与专家,东方电机有限公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、阿尔斯通水电设备有限公司、天生桥水力发电总厂、中国科学院金属研究所的领导、专家和用户代表,辽宁省发改委、经信委等地方有关领导参加了本次鉴定会。

5月29日,由哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司研制的世界单机容量最大100万千瓦水电机组首台长短叶片转轮,在白鹤滩工地的哈电电机转轮加工厂制造成功,并顺利通过项目业主中国长江三峡集团有限公司(简称“中国三峡集团”)的验收。验收结果表明,此台转轮各项关键尺寸及技术参数均符合设计图纸和技术规范要求,达到精品标准。这标志着白鹤滩百万机组研发制造取得了关键性、阶段性胜利。哈电电机继成功产出世界首台单机容量最大水电机组精品座环、水轮机导水机构后,此次以“精品转轮”的研制成果,推动中国水电向世界水电“无人区”又迈进了坚实的一步。

2018年1月8日上午,中共中央、国务院在北京人民大会堂隆重举行2017年度国家科学技术奖励大会。党和国家领导人习近平、李克强、张高丽、王沪宁出席大会并为获奖代表颁奖。我集团2项科技成果获得国家技术发明奖。

从共和国第一台立式水电机组的诞生,到世界最大单机容量水轮发电机组的研制;从引进消化吸收国外先进技术,到自主创新、登顶行业技术制高点,哈电集团作为装备制造业“共和国长子”,用一个个骄人的业绩,登顶世界水电之巅。哈电集团与我国水电发展同辙共轨,着力打造“中国水电”名片。

会议由中国机械工业联合会周思刚副主任主持,李依依院士和王国栋院士分别担任鉴定委员会的主任和副主任。鉴定委员会听取了项目组代表做的研制工作总结报告、技术研究报告和检验报告,对制造车间和白鹤滩叶片样件进行了现场考察,认为大型水轮机电渣熔铸模压叶片新产品,取得了“大型叶片电渣熔铸板坯质量控制技术”、“三维曲面叶片型线展开与变形控制技术”等5项关键技术,产品样件符合中国长江三峡集团公司标准要求,质量达到了欧标《水力机械铸钢件检验规范》标准的1-2级,综合技术指标达到了国际领先水平。

当日,在白鹤滩现场哈电电机转轮加工厂,在这台外圆8.87米、高3.79米、总重338吨的转轮旁,哈电电机举行了世界首台长短叶片白鹤滩百万精品转轮验收仪式。三峡机电工程技术有限公司、中国三峡建设管理有限公司、中国长江电力股份有限公司、长江三峡设备物资有限公司、长江三峡技术经济发展有限公司,中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,中国葛洲坝集团机电建设有限公司以及哈电电机等各相关方负责同志出席验收仪式。

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如今,“中国水电”已走出国门,哈电集团承建了厄瓜多尔辛克雷水电站、几内亚苏阿皮蒂水电站、苏丹鲁美水电站、越南宣光水电站、巴基斯坦马兰III水电站等多个水电站,使“中国水电”的名片在世界熠熠生辉。

本叶片是水轮机转轮的核心部件,直接影响着转轮抗磨蚀性能和运行稳定性。目前国内外生产大型水轮机叶片主要采用普通砂型铸造方法,产品内在质量问题难以达到高品质要求。随着全球装备制造业整体水平的提升,特别是大型高水头电站建设需要,如何研制出优质高品质叶片,实现数字化与绿色制造,受到国内外装备制造业的广泛关注。

验收仪式上,三峡机电工程技术有限公司有关负责人代表验收组宣布哈电电机研制的世界首台长短叶片转轮各项技术参数均达到精品标准,全面满合同、设计图纸和技术规范要求。中国三峡建设管理有限公司有关负责人表示,一直以来,哈电集团以精益求精的态度、迎难而上的勇气、自主创新的韧性,不断攀登世界水电装备制造的新高峰。哈电集团与中国三峡集团手挽手、肩并肩,共同实现从跟跑者到引领者的跨越,创造和见证了大国水电繁荣发展。双方要认真贯彻落实习近平总书记考察三峡工程和深入推动长江经济带发展座谈会上的重要讲话精神,努力在核心技术和关键技术领域寻求突破,为建设新时代大国重器再立新功。

由北京机科国创轻量化科学研究院有限公司研制的“复杂铸件无模复合成形制造技术”荣获国家技术发明二等奖。该成果在国家及省部级系列重点项目支持下,提出了一种无需刚性模具的无模铸造精密成形方法。历经10年,突破了复杂铸件高效率、高性能、高精度无模成形关键技术,在工艺方法、复合铸型、系统装备等方面取得重大成果。开发出复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形技术、切削净成形技术及其复合成形工艺,实现了复杂铸件无模化、高精度、高效率制造,制造周期缩短50%以上,成本降低30%以上;发明了一种与铸件相匹配的多材质复合铸型及其坎合组装方法,实现了铸件性能主动调控,解决了形性精确控制难题,铸件废品率从5%~10%降至2%~4%,减重10%~20%;开发出数字化控制的柔性阵列触头、高耐磨大长径比切削刀具,提出了刀具冷却与切削排砂一体化方法,研制出砂型/芯柔性挤压成形机、无模铸造精密成形机等7类15种装备,解决了复杂铸件高精度成形制造装备难题,铸件精度提高了2~3个等级,可达CT8。无模铸造精密成形机可用于树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、陶瓷等多种铸型制造,最大成形尺寸为5000mm×3000mm×1000mm。该成果获授权发明专利47件(美、日、欧等19件),软件著作权12项。获2016年中国机械工业科学技术特等奖、2016年中国专利金奖、2012年北京市科学技术一等奖、2011年北京市发明专利一等奖和3项国家重点新产品等。该技术已在航天八院、东安发动机、广西玉柴、一汽铸造、中国一拖等100多家企业推广应用,设备出口西班牙,并在国内建立12个应用示范基地,实现了铸钢/铁、铝/镁合金等铸件制造。该技术对促进高端装备技术创新,维护国防安全,推动绿色发展具有重大意义。

同时,在抽水蓄能领域,哈电集团逐步形成了一套独有的抽水蓄能技术研发设计制造体系,不仅“S区”和“驼峰区”的稳定性,达到了世界领先水平,而且,降低水泵水轮机无叶区压力脉动幅值技术、混流式水泵水轮机长短叶片转轮等独创成果,也为水泵水轮机水力稳定性和效率的双向提高增加砝码,完全掌握了抽水蓄能机组的核心技术,实现了根本性的跨越,达到世界领先水平。哈电集团站在了世界抽水蓄能技术领域的前沿,推动着我国大型抽水蓄能机组研发、制造技术不断向前进。预计到2025年,我国抽水蓄能电站装机容量将从2016年的5032.5万千瓦增加至1亿千瓦,可为国家节省上百亿元资金。承建了响水涧、溧阳等6个抽水蓄能电站成套项目,实现了根本性的跨越。2017年7月,在召开的浙江仙居抽水蓄能电站工程表彰大会上,哈电集团荣获“最佳供应商”、“优秀调试奖”两项集体荣誉奖。浙江仙居抽水蓄能电站是我国国产单机容量最大的抽水蓄能机组,哈电集团在该项目中研制的4台水泵水轮机在2016年实现了“一年四投”。2016年5月,哈电集团首次在与国外企业公开竞争的项目中,签订荒沟4台300兆瓦抽水蓄能机组合同,合同额逾8亿元,其发电电动机绕组对称四支路技术填补国际空白。

该项目为国际首创,具有自主知识产权。所生产的叶片样件将用于目前全球最大单机容量100万千瓦白鹤滩电站机组,既是科研和制造实力的显著提升,也标志着沈阳铸造研究所“大型水轮机电渣熔铸模压叶片”即将进入批量产业化阶段。

转轮是水轮发电机组最关键的部件。哈电电机研制的这台白鹤滩水轮机转采用长短叶片相结合的转轮设计方案,是在综合分析平衡了白鹤滩水轮机稳定性能和综合性能的最优、最高质量的方案,以其“性能最优、结构最优、安全可靠性高”的战绩成功通过此次验收。

由沈阳铸造研究所有限公司研发的“电渣熔铸大型变曲面异形件关键技术”荣获国家技术发明二等奖。自九十年代以来,在国家及省部级系列重点项目支持下,研发了电渣熔铸大型变曲面异形件制造成套技术,发明了一种新的大型铸锻件制造方法,替代了传统砂型铸造工艺,突破了不锈钢冶金纯净化和异形件精密模压成形等关键技术难点,内部组织致密,表面质量好、尺寸精度高,无废砂等固废排放,是一种优质、高效的绿色制造技术。在工艺、技术、装备等方面取得了6项科技创新成果:首次采用T型交流变压器双回路供电和六自由度传动方式,在80吨电渣炉设备上实现了单极熔化和双极熔化两种功能互换、电极熔化和充型可控,解决了电渣熔铸用三相交流变压器平衡供电问题;通过复杂异形结晶器新材料和制造技术攻关,实现均匀冷却,解决了大型变曲面类铸件的缩孔缩松以及应力开裂和组织细化等核心技术问题,创造性地将电渣熔铸与模锻工艺复合应用,实现了大型变曲面复杂构件的精密成形。所研制的优质电渣熔铸大型变曲面异形件的各项力学性能指标已达到国际同类产品最高等级水平。制造了世界上单机容量最大的百万千瓦水轮机不锈钢叶片,单件重量14.5吨。项目共获得10项国家授权发明专利,4项省部级以上科技奖励,形成了具有自主知识产权的成套技术,研究成果已达到国际领先水平。研究成果已推广到国内10余家企业,项目产品已被国内外100余家单位使用。产品已在3类典型材料(水轮机不锈钢、高强钢、高硼钢)、5种典型铸件(水轮机铸件、阀体、曲轴、连杆、环形件)实现了应用。主导产品水轮机铸件已在天生桥、向家坝、三峡等国内40余个电站、约160台机组得到应用,并且出口到法国、美国、巴西、日本、印度、加拿大等国家的20余个电站的约60台机组。

梦想从这里开始:百万千瓦水电机组“萌芽”

据了解,哈电电机在白鹤滩水轮机转轮研制过程中遇到了许多难题。白鹤滩水电站是中国三峡集团开发的金沙江下游河段梯级的第二级电站,电站装机16台总计1600万千瓦水轮发电机组。哈电电机为其提供右岸电站全部8台水轮发电机组及其附属设备。

1958年12月,在“全国科学规划会”上,哈电集团将编写好的《三峡枢纽水利机组容量论证初步意见》同与会专家分享,提出了研制30万千瓦、45万千瓦、60万千瓦、80万千瓦、100万千瓦水电机组等5个方案的构想,以及相应的设计参数、结构、尺寸和装配图,这便是“百万水电机组”的逐梦过程的起点。

白鹤滩电站机组为中高水头、中低转速、巨型混流式水轮发电机组。机组运行水头高、变幅范围广,且结构外形尺寸巨大。因此,要对水轮机、发电机参数进行单独及整体匹配优化研究,对机组总体结构型式选择、重大部件结构优化、动力响应及机械稳定性进行预估研究,既要考虑改善机组高水头运行的稳定性,又要兼顾低水头超额定出力发电的要求。

但由于当时的技术水平所限和历史原因,具体的研发工作并没有进一步展开。可是,研制100万千瓦水电机组,助力国家经济建设、助推中国科技进步这一宏伟的梦想,却深深地植入了哈电人的心中。

针对上述难题,哈电电机抽丝剥茧,根据机组运行水头高、承载应力大、含泥沙颗粒细、硬度高等特点,因地制宜地对水轮机转轮进行多轮次优化设计,先后研制了11个转轮模型,经过几十次试验,成功研发出使水轮机飞逸转速及无叶区压力脉动大幅降低,且既能满足高水头稳定性能要求,又在低水头段具有较大超发能力的水轮机转轮。最终,水轮机转轮的同台对比结果表明:哈电电机研发的模型转轮最优效率和加权平均效率均达到了世界先进水平。

从1951年成功制造容量仅0.8兆瓦的下硐水轮发电机组、实现我国立式水电机组自行设计制造“零”突破,到安徽响洪甸水电站1万千瓦、浙江新安江水电站7.25万千瓦、甘肃刘家峡30万千瓦双水内冷水电机组的研制成功,再到四川二滩55万千瓦水轮发电机组投入运行,哈电集团在水电装备制造过程中直面艰难险阻,领跑中国水电装备的创造,为研发更大容量水轮发电机组积累了技术储备,进行了充分的实战演练。

在转轮制造过程中,哈电电机秉承“严、细、实”的工作态度,以中国三峡集团“七个零”和“三个一流”工作要求为标准,精细过程、精品结果,将精益化的生产组织覆盖到白鹤滩主件的生产制造全过程。由于白鹤滩机组的部件尺寸大,不便于长途运输,水轮机转轮需在工地现场制造,哈电电机抽调来自各生产单位、技术部门、质量管理部门等近20个单位逾百人的制造团队赶赴白鹤滩转轮加工厂进行工地制造,将公司内部生产组织模式、质量管理系统完全复制到工地现场。经过100余道工序、430天的连续奋战,最终,转轮焊接探伤、加工尺寸和外观、静平衡等全面满足精品标准。

上世纪90年代起,哈电集团开启了“三峡时代”新模式。当时,在三峡左岸,哈电集团还只能做一个寂寂无闻的分包商,而在三峡右岸机组的制造中,哈电集团便以其“独门绝技”,实现技术上的两大突破:一是开发的优质新型转轮为机组带来最好的稳定性,攻克了水轮机高部分负荷压力脉动带的难题;二是全空冷技术的应用,打破了国外水电强国对全空冷水轮发电机极限出力为60万千瓦的设计理念,开创了大容量全空冷发电机运行的新时代。

据悉,白鹤滩水电站首批机组发电时间与建党一百周年这一重大时间节点高度契合,确保2021年7月1日按期发电具有十分重大的意义。哈电电机将深入贯彻落实习近平总书记在考察三峡工程时提出“大国重器必须掌握在我们自己手里”的重要指示精神,在雄厚的技术实力、完备的管理体系和顶级的人才梯队支撑下,在哈电集团的正确领导下,与中国三峡集团一道,将白鹤滩水电站建设成新时代的精品工程典范,推动中国水电装备制造业高质量发展,勇攀世界水电“珠穆朗玛峰”!

2008年,哈电集团承接了向家坝4台套80万千瓦和溪洛渡6台套77万千瓦全空冷水轮发电机组研制合同。其中,向家坝机组是当今世界已运行单机容量最大的机组,也是国内首个80万千瓦等级机组。在研制期间,哈电集团采用了多项“百万水电机组”的研究成果,使“百万水电机组”的研究得到工程实际的进一步验证。溪洛渡、向家坝机组投运后,相关专家得出的结论是:哈电集团研制的机组主要指标比最初确定的“精品机组”要求还要好,机组的稳定性超乎最初的想象。

哈电集团研制的世界单机容量最大100万千瓦水电机组首台长短叶片转轮图片 2

凭着先进的技术和领先的制造,哈电集团成为全国巨型水轮发电机组市场的最大赢家。三峡工程全部发电机组共32台,而短时间内哈电集团承揽的50多台巨型水轮发电机组制造合同,相当于再造了两个新三峡,对国家装备制造业的贡献无可取代。

梦想向这里进发:百万千瓦水电机组“攻关”

2007年,受中国水电水利规划设计总院委托,哈电集团承接了《100万千瓦级水电机组制造可行性分析》专题研究,踏上了百万千瓦水电机组科研攻关的征途。同年,在向国家科技部提交可行性研究报告之后,哈电集团又联合国内知名研究院、所、高等院校和企业组成攻关团队,承接了7个国家科技支撑项目课题的研究工作,产、学、研、用相结合,获得了一大批新理论、新技术、新测试分析方法及发明专利。

时间快步行走至2012年,国家科技支撑计划攻关的重任依旧落在哈电人的肩上,不同的是,有了白鹤滩项目为依托。根据白鹤滩、乌东德工程的实际特点,三峡集团公司先后委托哈电集团开展了6个关于100万千瓦水轮发电机组专项技术的研究,使哈电集团的研究开发工作更具针对性,更接近工程实际。

白鹤滩水电站是中国长江三峡集团公司开发的金沙江下游河段梯级的第二级电站。电站装机16台总计1600万千瓦水轮发电机组。电站建成后,将仅次于三峡水电站,成为世界第二大水电站。

白鹤滩电站机组为中高水头、中低转速、巨型混流式水轮发电机组。机组不仅运行水头高、变幅范围广,而且结构外形尺寸巨大。因此,要对水轮机、发电机参数进行单独及整体匹配优化研究;对机组总体结构型式选择、重大部件结构优化、动力响应及机械稳定性进行预估研究,不仅要考虑改善机组高水头运行的稳定性,而且要兼顾低水头超额定出力发电的要求。

哈电集团从100万千瓦水轮发电机组的安全高效运行角度出发,重点针对巨型机组稳定性、水力开发、电磁、结构、绝缘技术、疲劳破坏和过渡过程、通风冷却试验及测试方法等方面进行科研攻关,攻克了多项世界性技术壁垒,实现了历史性的跨越,推动着我国巨型水轮发电机组制造技术进一步走向成熟。

在项目的研究过程中,哈电集团发表了47篇论文,获得国内专利授权49项,其中发明专利16项。课题验收专家组认为,哈电集团研究的成果在某些方面达到世界领先水平,各项科研成果足可以支撑工程设计制造的各项需求。

梦想在这里实现:百万千瓦水电机组“蜕变”

针对白鹤滩电站对机组运行的要求,哈电集团多轮次地优化设计水轮机转轮,大幅度降低了水轮机飞逸转速及无叶区压力脉动,提高了机组过速和甩负荷时的稳定性和安全性,既能满足高水头稳定性能的要求,又在低水头段具有较大的超发能力。同台对比最终结果表明:哈电集团研发的模型转轮最优效率和加权平均效率均达到了世界先进水平。

随着单机容量的增加,电机的冷却难度也越来越大。经过分析得出,采用空气冷却方式的机组,结构布置简单、安装维护方便、运行更加可靠。然而,首次在这样大容量的机组上采用空气冷却,不仅是一个新的技术飞跃,更是一个巨大的挑战。

为了获得有效的试验数据,哈电集团冷却团队设计制造了专用的模型装置,真实模拟真机的通风状态,验证了100万千瓦机组采用全空冷的方式是完全可行的。相关专家认为,哈电集团掌握了一套独有的全空冷技术。这一科研成果荣获了黑龙江省科学技术一等奖,该模拟试验装置也获得了国家发明专利。

白鹤滩电站的尾水系统为“三机一洞”的布置方式,具有明满流交替的现象,对过渡过程的品质要求更苛刻,致使机组过渡过程的计算尤为复杂。为了攻下这一难题,哈电集团开发出了先进的软件,详细模拟白鹤滩左岸1号和右岸8号水力单元的管路系统,对机组运行中的各种过渡工况进行仿真计算,获得了一系列详实、有效的数据,为后续进一步优化设计奠定了坚实的基础。

由于机组单机容量大,无论是电力系统扰动引起的振荡,亦或是系统的误操作,都有可能对电机或电网造成影响,甚至会带来巨大损失。避免此问题的唯一办法,就是对机组各个瞬态运行性能进行预估,找准应对方案。

哈电集团电磁分析科研团队责无旁贷地承担了这一国家重点科研课题。无数次地计算,无数次地试验,100万千瓦水轮发电机最佳的电磁方案终于被成功地开发出来。在此基础上,电磁分析科研团队还针对三峡、溪洛渡、向家坝等巨型机组调试中出现的各种振动问题进行了跟踪测试,在白鹤滩机组的设计中,尤其是在定子低频振动方面,研究出了更加可靠的解决方案。

哈电集团经过不断探索,将水导轴承设计为自泵外循环结构,冷却器外置式,这不仅减小了水导油箱的尺寸,而且保证了足够的维护检修空间;通过对主轴密封的研发,将静压自平衡式端面水压密封作为首选方案,这种结构能够保证密封环和转环之间形成润滑水膜,密封效果更稳定,工作寿命更长,维护和检修更方便。

白鹤滩水电机组将继承三峡等项目的研制成果,水轮机转轮的上冠、下环、叶片,均采用精炼不锈钢材质铸造,再分别数控加工后进行焊接热处理,由于模型转轮设计优秀、材质好、型线准确、按设计区域运行,破解了以往转轮产生裂纹的难题。

由于机组的部件尺寸大,转轮和下机架均需采用工地制造,工艺人员详细分析和研究大型部件厂内和工地制造方案,先后对工地制造方案、所需设备、工艺流程、厂房布局、质量控制计划、吊装方案等工作进行了详细研究和讨论,更是首次对工地制造厂房进行了3D绘制,并在标书编制中进行应用和展示,为实现关键大型部件在工地的成功制造提供了保障。

今年8月,世界单机容量最大的白鹤滩水电站主体工程全面建设,标志着我国将开启世界水电百万千瓦级机组的新时代。潜心钻研多年100万千瓦水电机组关键技术的哈电集团,又要继续冲击新的行业制高点。

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