抽水蓄能機(jī)組模塊化設(shè)計(jì)的探索

曲 揚(yáng),李 正,張興宇

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的綠色低碳清潔能源,可有效補(bǔ)償風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的隨機(jī)性間歇性問題。加快發(fā)展抽水蓄能,是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切要求,也是支持可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障,對(duì)于我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的完成具有十分重要的意義。據(jù)國(guó)家能源局《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》,到2025年,抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番,達(dá)到62 GW以上;到2030年,抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”再翻一番,達(dá)到120 GW左右。抽水蓄能項(xiàng)目的大規(guī)模啟動(dòng),要求機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、安裝等有更高效的應(yīng)對(duì)手段。

抽水蓄能機(jī)組是一種典型的單件、小批量、大成套、多樣化的定制產(chǎn)品,特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式多樣、用戶個(gè)性化需求強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定性要求高。國(guó)際上多家水輪發(fā)電機(jī)組制造公司各有自己的特色,導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)。這種多樣化的特點(diǎn),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(zhì)量、成本之間的矛盾。由模塊可以直接構(gòu)成整個(gè)機(jī)組以至更大的系統(tǒng),從而在更高層次上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。

模塊化可以提高設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試等的工作效率,降低制造成本,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,強(qiáng)化市場(chǎng)(包括備件及改造)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本思路

模塊化是一種設(shè)計(jì)方法,它是以模塊為基礎(chǔ),綜合了通用化、系列化、組合化的特點(diǎn),解決復(fù)雜系統(tǒng)類型多樣化、功能多變的一種標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)形式。在蓄能機(jī)組的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)用模塊化的方法,把設(shè)計(jì)對(duì)象加以分解、分成若干部分,將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化,這就是模塊化的思維。

模塊是構(gòu)成系統(tǒng)的獨(dú)立單元,可兼容、可互換,且具有特定的功能。它是根據(jù)對(duì)產(chǎn)品功能的要求分解的功能單元,它既可構(gòu)成系統(tǒng),又可以作為系統(tǒng)分解的產(chǎn)物。

1．1 分析模塊單元的性質(zhì)

以水泵水輪機(jī)為例,它是一種將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量的功能性機(jī)器,因此水輪機(jī)模塊單元應(yīng)該具有功能性、幾何性、材料性、神經(jīng)性、壽命性等等,各單元的性質(zhì)、功能不一致,其關(guān)聯(lián)性和與質(zhì)量的關(guān)系就不同,考慮冗余程度也不同。

1．2 模塊化的過程是一個(gè)多維度分析、解決問題的過程

對(duì)于一個(gè)企業(yè)來講,降低生產(chǎn)制造成本是最主要的經(jīng)營(yíng)方針和產(chǎn)品開發(fā)策略,它涉及到生產(chǎn)組織的方方面面。在傳統(tǒng)的思維里,對(duì)水輪機(jī)部件成本的分析是兩個(gè)維度的,也就是單純從材質(zhì)的優(yōu)劣、結(jié)構(gòu)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(duì)產(chǎn)品成本的分析從模塊單元的功能、壽命、個(gè)性化程度等幾個(gè)方面綜合分析,使部件的生產(chǎn)成本估算更趨合理。

圖1 模塊的多維度分析

1．3 對(duì)模塊實(shí)現(xiàn)收斂的理解

模塊化不僅包括各單元模塊(分體模塊)的創(chuàng)建,更主要的是模塊組合的過程,也就是利用創(chuàng)建的各單元模塊組合成水輪機(jī)產(chǎn)品的過程。目前,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境發(fā)生著顯著變化,企業(yè)面對(duì)的市場(chǎng)有穩(wěn)定性低、快速多變、高質(zhì)量要求、多樣化和個(gè)性化的特點(diǎn)。

模塊組合化的特點(diǎn)恰恰就是一種以組合求創(chuàng)新的應(yīng)變對(duì)策。如水泵水輪機(jī)是一種定制產(chǎn)品,形式多樣,實(shí)現(xiàn)模塊化,可以把模塊化產(chǎn)品的裝組特點(diǎn)充分發(fā)揮出來。但模塊的創(chuàng)建和組合不能無限制,應(yīng)該有一個(gè)收斂的過程,否則雖然滿足了個(gè)性化的需求,成本卻提高了。因此在水泵水輪機(jī)單元模塊的創(chuàng)建過程中,就應(yīng)該把多樣化、個(gè)性化強(qiáng)的東西統(tǒng)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(shù)目龐大、成本增加。收斂是一種分級(jí)別的提煉方法,對(duì)于水泵水輪機(jī)總體型式而言,可以從流道的類型和尺寸相似性對(duì)總體模塊進(jìn)行收斂;對(duì)于水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)而言,既可以從共有的角度將埋設(shè)部件和導(dǎo)水部件的固定部分收斂出支撐單元,又可以從導(dǎo)水部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件中收斂出旋轉(zhuǎn)和密封單元模塊;一級(jí)收斂之后還可以根據(jù)功能進(jìn)行二次收斂。

1．4 分析模塊冗余與成本的關(guān)系

由于模塊具有通用性、兼容性,只有對(duì)模塊采用冗余設(shè)計(jì),也就是預(yù)留功能擴(kuò)展余地,才能提高模塊的通用性和兼容性。因此說,冗余的規(guī)模和程度,與模塊的收斂性、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品的個(gè)性化和質(zhì)量穩(wěn)定性都有著密切的關(guān)系,見圖2。

圖2 模塊冗余與成本的關(guān)系

(1) 模塊冗余度越大,它的收斂性就越差;

(2) 冗余度大,費(fèi)用就增加,但是通用性強(qiáng),設(shè)計(jì)制造管理等的全流程費(fèi)用將下降;

(3) 設(shè)計(jì)冗余越大,允差大,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性越高;

(4) 冗余越大,產(chǎn)品的個(gè)性化越差。

1．6 確定蓄能機(jī)組模塊化的突破口

模塊化是一個(gè)龐大的、系統(tǒng)的、不斷完善與提升的工程,所以要實(shí)現(xiàn)蓄能機(jī)組的模塊化,首先應(yīng)確定突破口。抽水蓄能機(jī)組是近期水力發(fā)電行業(yè)研究最多的一種機(jī)型,而且國(guó)家在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期都會(huì)有持續(xù)性地投入。我們以水泵水輪機(jī)作為切入點(diǎn),它的使用水頭和機(jī)組容量范圍相對(duì)集中,但總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異較大,近年來吸收和借鑒的新型結(jié)構(gòu)也較多,以它作為突破口,更能突顯模塊化的優(yōu)勢(shì)。

2 模塊化設(shè)計(jì)的規(guī)則制定

以已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電的機(jī)組為藍(lán)本,分解出各級(jí)模塊,并按規(guī)則編號(hào),編號(hào)應(yīng)便于后續(xù)的查詢、檢索與應(yīng)用。模塊化的對(duì)象既可以是水泵水輪機(jī)總體,也可以是比較復(fù)雜的部分,還可以是一個(gè)小部件或一個(gè)小結(jié)構(gòu)。水泵水輪機(jī)主要由埋入部分、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)部分和輔助布置部分構(gòu)成。水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)模塊同樣可形成層次結(jié)構(gòu),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(jī)模塊的劃分(見表1)

表1 水泵水輪機(jī)總體模塊的劃分(機(jī)組容量/運(yùn)行水頭)

按照水泵水輪機(jī)模塊的層次結(jié)構(gòu),可以按照運(yùn)行水頭/揚(yáng)程、機(jī)組容量?jī)蓚€(gè)量綱來劃分一級(jí)模塊-總體模塊;按結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)劃分二級(jí)模塊-轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、導(dǎo)水模塊、埋入模塊、輔助模塊等;各二級(jí)模塊下又按功能以部件或組件劃分三級(jí)模塊(單元模塊)。每個(gè)模塊都是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或通用的單元,模塊單元的結(jié)構(gòu)是從大量的已運(yùn)行的和在制的機(jī)組中總結(jié)出來的,具有典型性、通用性、互換性或兼容性。模塊化可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的現(xiàn)有成果并可以構(gòu)成系列,例如轉(zhuǎn)動(dòng)模塊中的水導(dǎo)軸承和主軸密封單元就可以按尺寸和線速度實(shí)現(xiàn)系列化。

2．2 水泵水輪機(jī)模塊化的范圍

對(duì)于水泵水輪機(jī)整體而言,并不是每個(gè)部件都可以模塊化,比如水輪機(jī)蝸殼和尾水管,它們根據(jù)水力通道的不同而變化,每個(gè)機(jī)組各有區(qū)別,實(shí)現(xiàn)模塊化較為困難。但是,這兩個(gè)通流部件的焊接型式、測(cè)點(diǎn)型式和支撐布置、固定方式等小的結(jié)構(gòu)卻可以作為通用的模塊單元。

圖3為水泵水輪機(jī)模塊化范圍圖,圖中虛線部分為水泵水輪機(jī)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(diǎn)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(qiáng)做整體的原則。圖4虛線內(nèi)為首批確定的模塊。

圖3 水泵水輪機(jī)模塊化范圍

圖4 首批確定的模塊

由于各結(jié)構(gòu)單元模塊型式各異,在分析各結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)趨勢(shì),并按機(jī)組運(yùn)行效果反饋,將各單元模塊的數(shù)量減至最少,以便在滿足大多數(shù)用戶需求的前提下使組合模塊的數(shù)量最少。把各模塊之間的接口變?yōu)閮?nèi)部接口,從而可提高產(chǎn)品的可靠度、降低產(chǎn)品的成本、縮短設(shè)計(jì)周期,也為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊工藝、工裝、工具的標(biāo)準(zhǔn)化墊定基礎(chǔ)。

新產(chǎn)品=不變部分(通用模塊)+準(zhǔn)通用部分(改型模塊)+專用部分(新功能模塊)

3 模塊化設(shè)計(jì)的使用方法

構(gòu)成水輪機(jī)模塊的部件或組件,是水輪機(jī)設(shè)計(jì)與制造過程中經(jīng)過長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累而形成的相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成果。從項(xiàng)目前期開發(fā)方案、投標(biāo)及產(chǎn)品擴(kuò)初設(shè)計(jì)開始即采用典型結(jié)構(gòu)模塊,可以避免從前期總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案到最終施工設(shè)計(jì)方案過程中的多次變更,而基于反復(fù)優(yōu)化、多處應(yīng)用的模塊平臺(tái)不僅可實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)與制造,還可以使產(chǎn)品的質(zhì)量保持穩(wěn)定。

水輪機(jī)各單元模塊的創(chuàng)建是構(gòu)成模塊化水輪機(jī)的基礎(chǔ),由各模塊組合成滿足用戶要求、適應(yīng)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品是重要的模塊組裝過程,但更主要的是模塊間的“接口規(guī)則”。模塊需要通過接口組成系統(tǒng),而這個(gè)規(guī)則是對(duì)各模塊間的接口作的詳細(xì)的規(guī)定,以使各模塊相對(duì)獨(dú)立。

在進(jìn)行水輪機(jī)項(xiàng)目前期論證、投標(biāo)或合同執(zhí)行過程中,可以按相應(yīng)量綱首先在一級(jí)模塊(總體模塊)中選取該機(jī)組的總體結(jié)構(gòu),若招標(biāo)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(jí)模塊、三級(jí)模塊中選取最能滿足要求的結(jié)構(gòu)單元模塊,最終組合成滿足標(biāo)書或合同要求的水輪機(jī)總裝結(jié)構(gòu)。與模塊化結(jié)構(gòu)密切配合的設(shè)計(jì)規(guī)則、對(duì)界面和接口所做的規(guī)定,既保證了總體模塊的穩(wěn)定,又為它的拓展留下了空間。

4 影響模塊化設(shè)計(jì)的因素

4．1 建立修正制度

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊化是各項(xiàng)工作的基礎(chǔ),通過模塊化設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)模塊化工藝來指導(dǎo)生產(chǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)、控制質(zhì)量,最終固化流程實(shí)現(xiàn)安裝的模塊化。圖5為模塊化進(jìn)階流程。

圖5 模塊流程

水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)模塊不是固定不變的,在模塊的使用過程中需要根據(jù)模塊工藝工裝的可行性、綜合成本、技術(shù)進(jìn)步等因素對(duì)模塊不斷進(jìn)行修正、優(yōu)化、完善,以適應(yīng)市場(chǎng)需求,淘汰過時(shí)模塊,補(bǔ)充改型模塊。在模塊修正過程中,應(yīng)注意已固化的接口特征,使得一個(gè)模塊的改型不會(huì)影響到其它模塊。

4.2 嚴(yán)格流程控制

模塊化是復(fù)雜的系統(tǒng),干擾因素較多,只有對(duì)過程進(jìn)行有效管理,才能使模塊標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用通暢,并盡快達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。在模塊化系統(tǒng)的形成和運(yùn)用過程中,接口的規(guī)則確定是模塊化的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)模塊一旦確定,就應(yīng)固化為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)制執(zhí)行,采用規(guī)定編號(hào),將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則滲透于技術(shù)工作中。因此,從前期方案和投標(biāo)開始,就應(yīng)建立非模塊使用審批制度,即非約定審批。在項(xiàng)目合同簽訂后到施工設(shè)計(jì)階段,也同樣需要建立非模塊使用審批制度,以模塊為基礎(chǔ)組織生產(chǎn)。在模塊化設(shè)計(jì)中,模塊是有獨(dú)立功能的個(gè)體,是生產(chǎn)和庫(kù)存的單元,模塊相對(duì)穩(wěn)定。以各模塊為單位,不僅可以縮短制造周期、保證質(zhì)量可靠,而且易于專業(yè)化生產(chǎn)和外包協(xié)作。

隨著技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)信息的收集與反饋,應(yīng)及時(shí)通過評(píng)審對(duì)模塊進(jìn)行填充和改進(jìn),使之不斷優(yōu)化、完善。

4.3 擴(kuò)展模塊化范圍

模塊化應(yīng)是企業(yè)內(nèi)部一種有組織、有計(jì)劃的技術(shù)活動(dòng)過程,對(duì)組織管理有一系列的要求,并不是一開始就能達(dá)到理想狀態(tài)的,要分塊處理。通過對(duì)水泵水輪機(jī)這個(gè)縱向的產(chǎn)品族的分析,把其中相同或相似的功能單元分離出來,經(jīng)過歸納合并、集成,統(tǒng)一為一系列的標(biāo)準(zhǔn)模塊,用不同模塊的組合構(gòu)成多樣化的水泵水輪機(jī)產(chǎn)品。模塊化是一種設(shè)計(jì)方法,我們可以在其它水輪機(jī)如混流式、軸流式、貫流式、沖擊式水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品中推行模塊化設(shè)計(jì)思路。在水泵水輪機(jī)中已成功應(yīng)用的模塊,如主軸、軸承、密封等等,可以在其它形式的產(chǎn)品中作為通用模塊橫向使用,這是模塊跨產(chǎn)品族的應(yīng)用特色(見圖6)。實(shí)現(xiàn)跨產(chǎn)品族的模塊的通用化才能擺脫現(xiàn)有產(chǎn)品構(gòu)成模式的束縛、真正體現(xiàn)模塊化運(yùn)用的技巧和水平。

圖6 模塊跨產(chǎn)品族的應(yīng)用特色

4.4 構(gòu)建技術(shù)平臺(tái)

技術(shù)平臺(tái)是企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理中實(shí)際應(yīng)用的或必須遵循的、綜合性的技術(shù)體系。技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)建是一個(gè)逐步積累、逐步完善的過程。構(gòu)建以模塊化為核心的技術(shù)平臺(tái),通過產(chǎn)品族的分解和綜合,建立起產(chǎn)品通用部件(模塊)體系,不但可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)共享,減少低層次、低水平重復(fù)勞動(dòng);還可高起點(diǎn)開展工作、提高工作可靠性、保證工作質(zhì)量。使各項(xiàng)工作做到有章可循、工作有序、規(guī)范;更可實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)模塊跨產(chǎn)品族的應(yīng)用。從圖7中可以看出模塊化技術(shù)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

圖7 模塊化技術(shù)平臺(tái)

固化的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)模塊,不僅可以使我們從復(fù)雜的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來、提供成熟技術(shù),使水輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)潔、條理分明、便于組裝和維護(hù)。基于模塊平臺(tái),可提高工作效率、加快技術(shù)進(jìn)步,可在“高水平繼承的前提下,有重點(diǎn)地進(jìn)行創(chuàng)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(gè)性化定制需求。

5 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模塊化,無論對(duì)提高設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、安裝等的工作效率、降低制造成本、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,還是對(duì)強(qiáng)化市場(chǎng)(特別是備件及改造)競(jìng)爭(zhēng)力都具有非常重要的意義。

模塊化是對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)展思路、設(shè)計(jì)思想、管理模式的一種沖擊,更是一種改革,它在應(yīng)對(duì)高復(fù)雜性、不確定性(顧客需求、市場(chǎng)形勢(shì)的變化,新技術(shù)、新產(chǎn)品出現(xiàn)等)、環(huán)境變化等所帶來的一系列影響中,有著不可估量的價(jià)值。將產(chǎn)品模塊化,繼而將企業(yè)轉(zhuǎn)向模塊化的企業(yè),是企業(yè)的戰(zhàn)略行為,它必將推動(dòng)設(shè)計(jì)制造的進(jìn)步和發(fā)展。