□文/攝 王學(xué)善 魏子添 本報(bào)記者 李愛民
7月2日，凝聚中國水電裝備頂尖智慧的全球首臺(tái)單機(jī)容量最大500兆瓦、轉(zhuǎn)輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機(jī)核心部件——轉(zhuǎn)輪，由哈電集團(tuán)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（簡稱哈電電機(jī)）自主研制成功并發(fā)運(yùn)，標(biāo)志著我國在高水頭、大容量沖擊式水輪機(jī)組核心裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)歷史性突破。
這一“大國重器”的誕生，不僅刷新了沖擊式水輪機(jī)單機(jī)容量與轉(zhuǎn)輪尺寸的世界紀(jì)錄，更如利刃破冰，即將一舉突破高水頭、大容量沖擊式機(jī)組技術(shù)的長期“封印”，實(shí)現(xiàn)我國沖擊式水電機(jī)組從跟跑到領(lǐng)跑跨越，并使我國水電裝備制造站上新“世界高度”，去迎接即將全面領(lǐng)先世界這一歷史性時(shí)刻的到來。
全球首臺(tái)單機(jī)容量最大沖擊式轉(zhuǎn)輪。
深耕創(chuàng)新 傳承與突破“雙向奔赴”
采訪中記者了解到，該轉(zhuǎn)輪將應(yīng)用于西藏扎拉水電站。扎拉水電站由大唐西藏能源開發(fā)有限公司建設(shè)，是國家“藏電外送”骨干工程和世界在建綜合難度最大的沖擊式水電項(xiàng)目，電站裝機(jī)兩臺(tái)全球單機(jī)容量最大、技術(shù)難度最高的500兆瓦沖擊式機(jī)組。該機(jī)組作為國家能源局能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目，具有高海拔、高水頭、大容量等技術(shù)特點(diǎn)，是服務(wù)國家“加快西南水電基地建設(shè)”戰(zhàn)略的主力機(jī)型。
“四年來，我們?cè)诎Q灘水電站的技術(shù)基礎(chǔ)上持續(xù)深耕水電領(lǐng)域，不斷探索創(chuàng)新，今天成功研制扎拉水電站機(jī)組就是最好的實(shí)證?！惫娂瘓F(tuán)首席科學(xué)家覃大清表示，隨著我國水能開發(fā)戰(zhàn)略逐步西移，水電站建設(shè)將面臨前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。
“扎拉機(jī)組單機(jī)容量為500兆瓦，被行業(yè)稱為沖擊式的‘白鶴灘’，但與白鶴灘反擊式機(jī)組相比，扎拉的落差更大，需要采用沖擊式這種特殊機(jī)型，開發(fā)難度更高。該項(xiàng)目首先面臨的是極限制造問題。如轉(zhuǎn)輪厚度達(dá)1.1米，鍛件制造均達(dá)到行業(yè)極限。運(yùn)輸也是一大難題。最初的設(shè)計(jì)方案無法直接將重80噸、直徑6.23米的轉(zhuǎn)輪從哈爾濱運(yùn)至扎拉電站。我們創(chuàng)新性地調(diào)整了運(yùn)輸策略，使轉(zhuǎn)輪在運(yùn)輸過程中可變換姿態(tài)，巧妙地避開了運(yùn)輸中的極限‘卡脖子’位置，從而省去在項(xiàng)目地建設(shè)廠房進(jìn)行加工制造的成本，同時(shí)保證了工期和質(zhì)量?！瘪笄甯锌?，扎拉機(jī)組的設(shè)計(jì)與研發(fā)、制造均屬前所未有，其成功不僅創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，更為未來我國重大水電工程的開發(fā)建設(shè)和水電裝備制造業(yè)水平的提升準(zhǔn)備好了攀登的“天梯”，在高端化、智能化的加持下，我國水電事業(yè)即將迎來一個(gè)高質(zhì)量高速發(fā)展的新時(shí)代。
操作者裝焊轉(zhuǎn)輪水斗。
自主攻堅(jiān) 尺寸與性能“雙突破”
沖擊式水輪機(jī)的水斗式轉(zhuǎn)輪作為機(jī)組核心部件，承擔(dān)著將水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵作用，堪稱水電機(jī)組的“心臟”。哈電電機(jī)黨委書記、董事長王貴介紹，作為國內(nèi)沖擊式機(jī)組研制的開拓者，哈電電機(jī)憑借數(shù)十年的技術(shù)積淀，先后參與研制了東川電站、秘魯圣加旺等國內(nèi)外30座電站67臺(tái)套機(jī)組，形成了獨(dú)具特色的研發(fā)制造體系。從水力開發(fā)到模型試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到加工制造，哈電在沖擊式機(jī)組各環(huán)節(jié)積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
扎拉轉(zhuǎn)輪對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、水力性能及制造工藝的要求極高，代表著當(dāng)前沖擊式水電機(jī)組的最前沿技術(shù)水平。哈電電機(jī)為扎拉沖擊式機(jī)組量身定制了高性能水斗式轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪由21個(gè)精密水斗構(gòu)成，外徑達(dá)6.23米、整輪高度1.34米、重量約80噸。其核心部件——輪轂鍛件，是目前世界最大的馬氏體不銹鋼鍛件。這些突破性參數(shù)標(biāo)志著該轉(zhuǎn)輪在水力性能、高效運(yùn)行區(qū)間和承壓能力方面均實(shí)現(xiàn)行業(yè)顛覆性提升。
作為世界水電技術(shù)的巔峰之作，該轉(zhuǎn)輪的研發(fā)過程堪稱系統(tǒng)工程創(chuàng)新的典范。哈電電機(jī)科研團(tuán)隊(duì)從機(jī)組安全與性能等維度出發(fā)，綜合考量水斗與噴嘴的精密匹配、射流直徑與效率的一致性、射流與水斗的相互作用、多噴嘴相鄰射流的干涉效應(yīng)，以及水斗的剛強(qiáng)度指標(biāo)等，依托水力發(fā)電設(shè)備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的沖擊式水力試驗(yàn)臺(tái)，創(chuàng)新性地將計(jì)算流體力學(xué)流動(dòng)分析、高速攝影與流態(tài)觀測(cè)技術(shù)融合，通過持續(xù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了過流參數(shù)的極致化設(shè)計(jì)。
整個(gè)研發(fā)過程歷時(shí)4年，經(jīng)歷5次評(píng)審。研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)百余種方案進(jìn)行系統(tǒng)論證，制造了6個(gè)不同設(shè)計(jì)方向的觀測(cè)轉(zhuǎn)輪和6個(gè)性能試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)輪，經(jīng)高精度沖擊試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證，其最優(yōu)效率和加權(quán)平均效率均刷新世界紀(jì)錄，為機(jī)組安全高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。
制造登峰 科技與智造“雙驅(qū)動(dòng)”
哈電電機(jī)針對(duì)扎拉轉(zhuǎn)輪500兆瓦級(jí)大型鍛焊結(jié)構(gòu)的特殊要求，統(tǒng)籌最優(yōu)資源，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管控體系，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備、焊接工藝及精密加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全面突破。
哈電電機(jī)組織聯(lián)合攻關(guān)，采取“化整為零、分散式加工”策略，優(yōu)化數(shù)控程序，從38萬條精簡至27萬條，并提升車序效率21%、鏜序效率27%。面對(duì)超大尺寸帶來的應(yīng)力挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用數(shù)字仿真技術(shù)指導(dǎo)模鍛研究，創(chuàng)新采用鍛焊結(jié)合結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)分瓣位置以避開水斗高應(yīng)力區(qū)。
焊接環(huán)節(jié)采用三維檢測(cè)模擬、焊機(jī)群控系統(tǒng)等數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，優(yōu)化工藝參數(shù)，提升接頭沖擊韌性及耐疲勞性能。同時(shí)，構(gòu)建“7序14檢”全生命周期檢測(cè)體系，形成“實(shí)體檢測(cè)+數(shù)字仿真”雙保障體系，實(shí)現(xiàn)焊后尺寸、應(yīng)力、硬度測(cè)試一次合格，探傷合格率達(dá)98.04%，確保長期運(yùn)行可靠性。
加工團(tuán)隊(duì)利用多軸數(shù)控機(jī)床，在狹小空間內(nèi)攻克大深度、多曲面的復(fù)雜加工難題，確保轉(zhuǎn)輪的水斗內(nèi)型面加工符合精品標(biāo)準(zhǔn)。通過數(shù)字編程、三維掃描儀與攝影測(cè)量系統(tǒng)、大型水斗在位檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，為全球最大容量、最大尺寸沖擊式轉(zhuǎn)輪的研制提供加工保障。
哈電電機(jī)成功突破水力設(shè)計(jì)、材料制備、巨型鍛件、復(fù)雜焊接、精密加工、質(zhì)量管控等全鏈條上的世界級(jí)難題，不僅標(biāo)志著我國水電裝備研制站穩(wěn)世界之巔，更打破了高水頭大容量沖擊式機(jī)組的“卡脖子”困境，為世界能源裝備技術(shù)發(fā)展注入了強(qiáng)勁的“中國動(dòng)力”。