抽水蓄能機組模塊化設計的探索

曲 揚,李 正,張興宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優、最具大規模開發條件的綠色低碳清潔能源,可有效補償風電、太陽能發電的隨機性間歇性問題。加快發展抽水蓄能,是構建新型電力系統的迫切要求,也是支持可再生能源大規模發展的重要保障,對于我國“雙碳”目標的完成具有十分重要的意義。據國家能源局《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》,到2025年,抽水蓄能投產總規模較“十三五”翻一番,達到62 GW以上;到2030年,抽水蓄能投產總規模較“十四五”再翻一番,達到120 GW左右。抽水蓄能項目的大規模啟動,要求機組的設計、制造、安裝等有更高效的應對手段。

抽水蓄能機組是一種典型的單件、小批量、大成套、多樣化的定制產品,特點是結構形式多樣、用戶個性化需求強、質量穩定性要求高。國際上多家水輪發電機組制造公司各有自己的特色,導致產品結構呈現多元化的趨勢。這種多樣化的特點,使得我們有必要考慮以模塊化為核心的形式來解決多品種、小批量與周期、質量、成本之間的矛盾。由模塊可以直接構成整個機組以至更大的系統,從而在更高層次上實現簡化。

模塊化可以提高設計、工藝、生產、安裝、調試等的工作效率,降低制造成本,穩定產品質量,強化市場(包括備件及改造)競爭力。

1 模塊化設計的基本思路

模塊化是一種設計方法,它是以模塊為基礎,綜合了通用化、系列化、組合化的特點,解決復雜系統類型多樣化、功能多變的一種標準化的高級形式。在蓄能機組的產品設計過程中,應用模塊化的方法,把設計對象加以分解、分成若干部分,將復雜問題簡單化,這就是模塊化的思維。

模塊是構成系統的獨立單元,可兼容、可互換,且具有特定的功能。它是根據對產品功能的要求分解的功能單元,它既可構成系統,又可以作為系統分解的產物。

1．1 分析模塊單元的性質

以水泵水輪機為例,它是一種將水能轉換為旋轉能量的功能性機器,因此水輪機模塊單元應該具有功能性、幾何性、材料性、神經性、壽命性等等,各單元的性質、功能不一致,其關聯性和與質量的關系就不同,考慮冗余程度也不同。

1．2 模塊化的過程是一個多維度分析、解決問題的過程

對于一個企業來講,降低生產制造成本是最主要的經營方針和產品開發策略,它涉及到生產組織的方方面面。在傳統的思維里,對水輪機部件成本的分析是兩個維度的,也就是單純從材質的優劣、結構尺寸的大小等來分析成本。而模塊化是多維度分析問題的方法,是將影響成本的因素綜合起來通盤考慮,見圖1,對產品成本的分析從模塊單元的功能、壽命、個性化程度等幾個方面綜合分析,使部件的生產成本估算更趨合理。

圖1 模塊的多維度分析

1．3 對模塊實現收斂的理解

模塊化不僅包括各單元模塊(分體模塊)的創建,更主要的是模塊組合的過程,也就是利用創建的各單元模塊組合成水輪機產品的過程。目前,市場競爭的環境發生著顯著變化,企業面對的市場有穩定性低、快速多變、高質量要求、多樣化和個性化的特點。

模塊組合化的特點恰恰就是一種以組合求創新的應變對策。如水泵水輪機是一種定制產品,形式多樣,實現模塊化,可以把模塊化產品的裝組特點充分發揮出來。但模塊的創建和組合不能無限制,應該有一個收斂的過程,否則雖然滿足了個性化的需求,成本卻提高了。因此在水泵水輪機單元模塊的創建過程中,就應該把多樣化、個性化強的東西統一起來、收斂起來,以避免單元模塊的種類繁多從而造成組合模塊數目龐大、成本增加。收斂是一種分級別的提煉方法,對于水泵水輪機總體型式而言,可以從流道的類型和尺寸相似性對總體模塊進行收斂;對于水泵水輪機結構而言,既可以從共有的角度將埋設部件和導水部件的固定部分收斂出支撐單元,又可以從導水部件和轉動部件中收斂出旋轉和密封單元模塊;一級收斂之后還可以根據功能進行二次收斂。

1．4 分析模塊冗余與成本的關系

由于模塊具有通用性、兼容性,只有對模塊采用冗余設計,也就是預留功能擴展余地,才能提高模塊的通用性和兼容性。因此說,冗余的規模和程度,與模塊的收斂性、產品成本、產品的個性化和質量穩定性都有著密切的關系,見圖2。

圖2 模塊冗余與成本的關系

(1) 模塊冗余度越大,它的收斂性就越差;

(2) 冗余度大,費用就增加,但是通用性強,設計制造管理等的全流程費用將下降;

(3) 設計冗余越大,允差大,產品質量穩定性越高;

(4) 冗余越大,產品的個性化越差。

1．6 確定蓄能機組模塊化的突破口

模塊化是一個龐大的、系統的、不斷完善與提升的工程,所以要實現蓄能機組的模塊化,首先應確定突破口。抽水蓄能機組是近期水力發電行業研究最多的一種機型,而且國家在今后相當長一段時期都會有持續性地投入。我們以水泵水輪機作為切入點,它的使用水頭和機組容量范圍相對集中,但總體結構設計差異較大,近年來吸收和借鑒的新型結構也較多,以它作為突破口,更能突顯模塊化的優勢。

2 模塊化設計的規則制定

以已經運行發電的機組為藍本,分解出各級模塊,并按規則編號,編號應便于后續的查詢、檢索與應用。模塊化的對象既可以是水泵水輪機總體,也可以是比較復雜的部分,還可以是一個小部件或一個小結構。水泵水輪機主要由埋入部分、導水機構、轉動部分和輔助布置部分構成。水輪機的結構和功能具有層次性,而模塊也具有層次性,即高層模塊由低層模塊組合而成,水輪機模塊同樣可形成層次結構,即高層的總體模塊由低層的分體模塊組合而成。

2.1 水泵水輪機模塊的劃分(見表1)

表1 水泵水輪機總體模塊的劃分(機組容量/運行水頭)

按照水泵水輪機模塊的層次結構,可以按照運行水頭/揚程、機組容量兩個量綱來劃分一級模塊-總體模塊;按結構性能特點劃分二級模塊-轉動模塊、導水模塊、埋入模塊、輔助模塊等;各二級模塊下又按功能以部件或組件劃分三級模塊(單元模塊)。每個模塊都是一個標準或通用的單元,模塊單元的結構是從大量的已運行的和在制的機組中總結出來的,具有典型性、通用性、互換性或兼容性。模塊化可應用標準化、規范化的現有成果并可以構成系列,例如轉動模塊中的水導軸承和主軸密封單元就可以按尺寸和線速度實現系列化。

2．2 水泵水輪機模塊化的范圍

對于水泵水輪機整體而言,并不是每個部件都可以模塊化,比如水輪機蝸殼和尾水管,它們根據水力通道的不同而變化,每個機組各有區別,實現模塊化較為困難。但是,這兩個通流部件的焊接型式、測點型式和支撐布置、固定方式等小的結構卻可以作為通用的模塊單元。

圖3為水泵水輪機模塊化范圍圖,圖中虛線部分為水泵水輪機的過流通道,我們暫不把它們列入模塊化的范疇,而其它各部件也本著將具有模塊化特點的部分歸納出來,不適宜模塊化的就不做、可局部模塊化的不勉強做整體的原則。圖4虛線內為首批確定的模塊。

圖3 水泵水輪機模塊化范圍

圖4 首批確定的模塊

由于各結構單元模塊型式各異,在分析各結構形式優缺點的同時,根據經驗和技術趨勢,并按機組運行效果反饋,將各單元模塊的數量減至最少,以便在滿足大多數用戶需求的前提下使組合模塊的數量最少。把各模塊之間的接口變為內部接口,從而可提高產品的可靠度、降低產品的成本、縮短設計周期,也為實現標準結構模塊工藝、工裝、工具的標準化墊定基礎。

新產品=不變部分(通用模塊)+準通用部分(改型模塊)+專用部分(新功能模塊)

3 模塊化設計的使用方法

構成水輪機模塊的部件或組件,是水輪機設計與制造過程中經過長期的經驗積累而形成的相對獨立的結構單元。以部件或組件為模塊單元便于模塊的互換,也便于借鑒以往的設計成果。從項目前期開發方案、投標及產品擴初設計開始即采用典型結構模塊,可以避免從前期總體結構設計方案到最終施工設計方案過程中的多次變更,而基于反復優化、多處應用的模塊平臺不僅可實現快速的設計與制造,還可以使產品的質量保持穩定。

水輪機各單元模塊的創建是構成模塊化水輪機的基礎,由各模塊組合成滿足用戶要求、適應市場需求的產品是重要的模塊組裝過程,但更主要的是模塊間的“接口規則”。模塊需要通過接口組成系統,而這個規則是對各模塊間的接口作的詳細的規定,以使各模塊相對獨立。

在進行水輪機項目前期論證、投標或合同執行過程中,可以按相應量綱首先在一級模塊(總體模塊)中選取該機組的總體結構,若招標文件或合同文件中有特殊要求,再按各部分的具體要求,分別在二級模塊、三級模塊中選取最能滿足要求的結構單元模塊,最終組合成滿足標書或合同要求的水輪機總裝結構。與模塊化結構密切配合的設計規則、對界面和接口所做的規定,既保證了總體模塊的穩定,又為它的拓展留下了空間。

4 影響模塊化設計的因素

4．1 建立修正制度

實現設計模塊化是各項工作的基礎,通過模塊化設計,可以實現模塊化工藝來指導生產,進而實現模塊化生產、控制質量,最終固化流程實現安裝的模塊化。圖5為模塊化進階流程。

圖5 模塊流程

水輪機的結構模塊不是固定不變的,在模塊的使用過程中需要根據模塊工藝工裝的可行性、綜合成本、技術進步等因素對模塊不斷進行修正、優化、完善,以適應市場需求,淘汰過時模塊,補充改型模塊。在模塊修正過程中,應注意已固化的接口特征,使得一個模塊的改型不會影響到其它模塊。

4.2 嚴格流程控制

模塊化是復雜的系統,干擾因素較多,只有對過程進行有效管理,才能使模塊標準應用通暢,并盡快達到預定的目標。在模塊化系統的形成和運用過程中,接口的規則確定是模塊化的關鍵。結構模塊一旦確定,就應固化為規范標準,強制執行,采用規定編號,將模塊化、標準化的原則滲透于技術工作中。因此,從前期方案和投標開始,就應建立非模塊使用審批制度,即非約定審批。在項目合同簽訂后到施工設計階段,也同樣需要建立非模塊使用審批制度,以模塊為基礎組織生產。在模塊化設計中,模塊是有獨立功能的個體,是生產和庫存的單元,模塊相對穩定。以各模塊為單位,不僅可以縮短制造周期、保證質量可靠,而且易于專業化生產和外包協作。

隨著技術進步、市場信息的收集與反饋,應及時通過評審對模塊進行填充和改進,使之不斷優化、完善。

4.3 擴展模塊化范圍

模塊化應是企業內部一種有組織、有計劃的技術活動過程,對組織管理有一系列的要求,并不是一開始就能達到理想狀態的,要分塊處理。通過對水泵水輪機這個縱向的產品族的分析,把其中相同或相似的功能單元分離出來,經過歸納合并、集成,統一為一系列的標準模塊,用不同模塊的組合構成多樣化的水泵水輪機產品。模塊化是一種設計方法,我們可以在其它水輪機如混流式、軸流式、貫流式、沖擊式水輪機及發電機等產品中推行模塊化設計思路。在水泵水輪機中已成功應用的模塊,如主軸、軸承、密封等等,可以在其它形式的產品中作為通用模塊橫向使用,這是模塊跨產品族的應用特色(見圖6)。實現跨產品族的模塊的通用化才能擺脫現有產品構成模式的束縛、真正體現模塊化運用的技巧和水平。

圖6 模塊跨產品族的應用特色

4.4 構建技術平臺

技術平臺是企業產品設計、制造、管理中實際應用的或必須遵循的、綜合性的技術體系。技術平臺的構建是一個逐步積累、逐步完善的過程。構建以模塊化為核心的技術平臺,通過產品族的分解和綜合,建立起產品通用部件(模塊)體系,不但可以實現技術共享,減少低層次、低水平重復勞動;還可高起點開展工作、提高工作可靠性、保證工作質量。使各項工作做到有章可循、工作有序、規范;更可實現水泵水輪機模塊跨產品族的應用。從圖7中可以看出模塊化技術平臺的優勢。

圖7 模塊化技術平臺

固化的水輪機結構模塊,不僅可以使我們從復雜的重復勞動中解脫出來、提供成熟技術,使水輪機整體結構布局簡潔、條理分明、便于組裝和維護?；谀K平臺,可提高工作效率、加快技術進步,可在“高水平繼承的前提下,有重點地進行創新”,并可有效降低成本,各模塊的多種組合,又可滿足用戶的個性化定制需求。

5 結論

實現水泵水輪機產品設計的模塊化,無論對提高設計、工藝、生產、安裝等的工作效率、降低制造成本、穩定產品質量,還是對強化市場(特別是備件及改造)競爭力都具有非常重要的意義。

模塊化是對傳統的發展思路、設計思想、管理模式的一種沖擊,更是一種改革,它在應對高復雜性、不確定性(顧客需求、市場形勢的變化,新技術、新產品出現等)、環境變化等所帶來的一系列影響中,有著不可估量的價值。將產品模塊化,繼而將企業轉向模塊化的企業,是企業的戰略行為,它必將推動設計制造的進步和發展。