抽水蓄能机组模块化设计的探索

2024-01-05张兴宇

上海大中型电机 2023年4期

曲扬,李正,张兴宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

0 引言

抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的绿色低碳清洁能源,可有效补偿风电、太阳能发电的随机性间歇性问题。加快发展抽水蓄能,是构建新型电力系统的迫切要求,也是支持可再生能源大规模发展的重要保障,对于我国“双碳”目标的完成具有十分重要的意义。据国家能源局《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》,到2025年,抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番,达到62 GW以上;到2030年,抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番,达到120 GW左右。抽水蓄能项目的大规模启动,要求机组的设计、制造、安装等有更高效的应对手段。

抽水蓄能机组是一种典型的单件、小批量、大成套、多样化的定制产品,特点是结构形式多样、用户个性化需求强、质量稳定性要求高。国际上多家水轮发电机组制造公司各有自己的特色,导致产品结构呈现多元化的趋势。这种多样化的特点,使得我们有必要考虑以模块化为核心的形式来解决多品种、小批量与周期、质量、成本之间的矛盾。由模块可以直接构成整个机组以至更大的系统,从而在更高层次上实现简化。

模块化可以提高设计、工艺、生产、安装、调试等的工作效率,降低制造成本,稳定产品质量,强化市场(包括备件及改造)竞争力。

1 模块化设计的基本思路

模块化是一种设计方法,它是以模块为基础,综合了通用化、系列化、组合化的特点,解决复杂系统类型多样化、功能多变的一种标准化的高级形式。在蓄能机组的产品设计过程中,应用模块化的方法,把设计对象加以分解、分成若干部分,将复杂问题简单化,这就是模块化的思维。

模块是构成系统的独立单元,可兼容、可互换,且具有特定的功能。它是根据对产品功能的要求分解的功能单元,它既可构成系统,又可以作为系统分解的产物。

1．1 分析模块单元的性质

以水泵水轮机为例,它是一种将水能转换为旋转能量的功能性机器,因此水轮机模块单元应该具有功能性、几何性、材料性、神经性、寿命性等等,各单元的性质、功能不一致,其关联性和与质量的关系就不同,考虑冗余程度也不同。

1．2 模块化的过程是一个多维度分析、解决问题的过程

对于一个企业来讲,降低生产制造成本是最主要的经营方针和产品开发策略,它涉及到生产组织的方方面面。在传统的思维里,对水轮机部件成本的分析是两个维度的,也就是单纯从材质的优劣、结构尺寸的大小等来分析成本。而模块化是多维度分析问题的方法,是将影响成本的因素综合起来通盘考虑,见图1,对产品成本的分析从模块单元的功能、寿命、个性化程度等几个方面综合分析,使部件的生产成本估算更趋合理。

图1 模块的多维度分析

1．3 对模块实现收敛的理解

模块化不仅包括各单元模块(分体模块)的创建,更主要的是模块组合的过程,也就是利用创建的各单元模块组合成水轮机产品的过程。目前,市场竞争的环境发生着显著变化,企业面对的市场有稳定性低、快速多变、高质量要求、多样化和个性化的特点。

模块组合化的特点恰恰就是一种以组合求创新的应变对策。如水泵水轮机是一种定制产品,形式多样,实现模块化,可以把模块化产品的装组特点充分发挥出来。但模块的创建和组合不能无限制,应该有一个收敛的过程,否则虽然满足了个性化的需求,成本却提高了。因此在水泵水轮机单元模块的创建过程中,就应该把多样化、个性化强的东西统一起来、收敛起来,以避免单元模块的种类繁多从而造成组合模块数目庞大、成本增加。收敛是一种分级别的提炼方法,对于水泵水轮机总体型式而言,可以从流道的类型和尺寸相似性对总体模块进行收敛;对于水泵水轮机结构而言,既可以从共有的角度将埋设部件和导水部件的固定部分收敛出支撑单元,又可以从导水部件和转动部件中收敛出旋转和密封单元模块;一级收敛之后还可以根据功能进行二次收敛。

1．4 分析模块冗余与成本的关系

由于模块具有通用性、兼容性,只有对模块采用冗余设计,也就是预留功能扩展余地,才能提高模块的通用性和兼容性。因此说,冗余的规模和程度,与模块的收敛性、产品成本、产品的个性化和质量稳定性都有着密切的关系,见图2。

图2 模块冗余与成本的关系

(1) 模块冗余度越大,它的收敛性就越差;

(2) 冗余度大,费用就增加,但是通用性强,设计制造管理等的全流程费用将下降;

(3) 设计冗余越大,允差大,产品质量稳定性越高;

(4) 冗余越大,产品的个性化越差。

1．6 确定蓄能机组模块化的突破口

模块化是一个庞大的、系统的、不断完善与提升的工程,所以要实现蓄能机组的模块化,首先应确定突破口。抽水蓄能机组是近期水力发电行业研究最多的一种机型,而且国家在今后相当长一段时期都会有持续性地投入。我们以水泵水轮机作为切入点,它的使用水头和机组容量范围相对集中,但总体结构设计差异较大,近年来吸收和借鉴的新型结构也较多,以它作为突破口,更能突显模块化的优势。

2 模块化设计的规则制定

以已经运行发电的机组为蓝本,分解出各级模块,并按规则编号,编号应便于后续的查询、检索与应用。模块化的对象既可以是水泵水轮机总体,也可以是比较复杂的部分,还可以是一个小部件或一个小结构。水泵水轮机主要由埋入部分、导水机构、转动部分和辅助布置部分构成。水轮机的结构和功能具有层次性,而模块也具有层次性,即高层模块由低层模块组合而成,水轮机模块同样可形成层次结构,即高层的总体模块由低层的分体模块组合而成。

2.1 水泵水轮机模块的划分(见表1)

表1 水泵水轮机总体模块的划分(机组容量/运行水头)

按照水泵水轮机模块的层次结构,可以按照运行水头/扬程、机组容量两个量纲来划分一级模块-总体模块;按结构性能特点划分二级模块-转动模块、导水模块、埋入模块、辅助模块等;各二级模块下又按功能以部件或组件划分三级模块(单元模块)。每个模块都是一个标准或通用的单元,模块单元的结构是从大量的已运行的和在制的机组中总结出来的,具有典型性、通用性、互换性或兼容性。模块化可应用标准化、规范化的现有成果并可以构成系列,例如转动模块中的水导轴承和主轴密封单元就可以按尺寸和线速度实现系列化。

2．2 水泵水轮机模块化的范围

对于水泵水轮机整体而言,并不是每个部件都可以模块化,比如水轮机蜗壳和尾水管,它们根据水力通道的不同而变化,每个机组各有区别,实现模块化较为困难。但是,这两个通流部件的焊接型式、测点型式和支撑布置、固定方式等小的结构却可以作为通用的模块单元。

图3为水泵水轮机模块化范围图,图中虚线部分为水泵水轮机的过流通道,我们暂不把它们列入模块化的范畴,而其它各部件也本着将具有模块化特点的部分归纳出来,不适宜模块化的就不做、可局部模块化的不勉强做整体的原则。图4虚线内为首批确定的模块。

图3 水泵水轮机模块化范围

图4 首批确定的模块

由于各结构单元模块型式各异,在分析各结构形式优缺点的同时,根据经验和技术趋势,并按机组运行效果反馈,将各单元模块的数量减至最少,以便在满足大多数用户需求的前提下使组合模块的数量最少。把各模块之间的接口变为内部接口,从而可提高产品的可靠度、降低产品的成本、缩短设计周期,也为实现标准结构模块工艺、工装、工具的标准化垫定基础。

新产品=不变部分(通用模块)+准通用部分(改型模块)+专用部分(新功能模块)

3 模块化设计的使用方法

构成水轮机模块的部件或组件,是水轮机设计与制造过程中经过长期的经验积累而形成的相对独立的结构单元。以部件或组件为模块单元便于模块的互换,也便于借鉴以往的设计成果。从项目前期开发方案、投标及产品扩初设计开始即采用典型结构模块,可以避免从前期总体结构设计方案到最终施工设计方案过程中的多次变更,而基于反复优化、多处应用的模块平台不仅可实现快速的设计与制造,还可以使产品的质量保持稳定。

水轮机各单元模块的创建是构成模块化水轮机的基础,由各模块组合成满足用户要求、适应市场需求的产品是重要的模块组装过程,但更主要的是模块间的“接口规则”。模块需要通过接口组成系统,而这个规则是对各模块间的接口作的详细的规定,以使各模块相对独立。

在进行水轮机项目前期论证、投标或合同执行过程中,可以按相应量纲首先在一级模块(总体模块)中选取该机组的总体结构,若招标文件或合同文件中有特殊要求,再按各部分的具体要求,分别在二级模块、三级模块中选取最能满足要求的结构单元模块,最终组合成满足标书或合同要求的水轮机总装结构。与模块化结构密切配合的设计规则、对界面和接口所做的规定,既保证了总体模块的稳定,又为它的拓展留下了空间。

4 影响模块化设计的因素

4．1 建立修正制度

实现设计模块化是各项工作的基础,通过模块化设计,可以实现模块化工艺来指导生产,进而实现模块化生产、控制质量,最终固化流程实现安装的模块化。图5为模块化进阶流程。

图5 模块流程

水轮机的结构模块不是固定不变的,在模块的使用过程中需要根据模块工艺工装的可行性、综合成本、技术进步等因素对模块不断进行修正、优化、完善,以适应市场需求,淘汰过时模块,补充改型模块。在模块修正过程中,应注意已固化的接口特征,使得一个模块的改型不会影响到其它模块。

4.2 严格流程控制

模块化是复杂的系统,干扰因素较多,只有对过程进行有效管理,才能使模块标准应用通畅,并尽快达到预定的目标。在模块化系统的形成和运用过程中,接口的规则确定是模块化的关键。结构模块一旦确定,就应固化为规范标准,强制执行,采用规定编号,将模块化、标准化的原则渗透于技术工作中。因此,从前期方案和投标开始,就应建立非模块使用审批制度,即非约定审批。在项目合同签订后到施工设计阶段,也同样需要建立非模块使用审批制度,以模块为基础组织生产。在模块化设计中,模块是有独立功能的个体,是生产和库存的单元,模块相对稳定。以各模块为单位,不仅可以缩短制造周期、保证质量可靠,而且易于专业化生产和外包协作。

随着技术进步、市场信息的收集与反馈,应及时通过评审对模块进行填充和改进,使之不断优化、完善。

4.3 扩展模块化范围

模块化应是企业内部一种有组织、有计划的技术活动过程,对组织管理有一系列的要求,并不是一开始就能达到理想状态的,要分块处理。通过对水泵水轮机这个纵向的产品族的分析,把其中相同或相似的功能单元分离出来,经过归纳合并、集成,统一为一系列的标准模块,用不同模块的组合构成多样化的水泵水轮机产品。模块化是一种设计方法,我们可以在其它水轮机如混流式、轴流式、贯流式、冲击式水轮机及发电机等产品中推行模块化设计思路。在水泵水轮机中已成功应用的模块,如主轴、轴承、密封等等,可以在其它形式的产品中作为通用模块横向使用,这是模块跨产品族的应用特色(见图6)。实现跨产品族的模块的通用化才能摆脱现有产品构成模式的束缚、真正体现模块化运用的技巧和水平。

图6 模块跨产品族的应用特色

4.4 构建技术平台

技术平台是企业产品设计、制造、管理中实际应用的或必须遵循的、综合性的技术体系。技术平台的构建是一个逐步积累、逐步完善的过程。构建以模块化为核心的技术平台,通过产品族的分解和综合,建立起产品通用部件(模块)体系,不但可以实现技术共享,减少低层次、低水平重复劳动;还可高起点开展工作、提高工作可靠性、保证工作质量。使各项工作做到有章可循、工作有序、规范;更可实现水泵水轮机模块跨产品族的应用。从图7中可以看出模块化技术平台的优势。