可再生能源正在全面挑戰(zhàn)傳統(tǒng)能源的產(chǎn)出方式,比如2016年光伏上網(wǎng)價格和風電電價均已出臺下調(diào)方案。雖然趨勢如此,但國家能源局近年來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,發(fā)電量的七成仍源自火電發(fā)電,包括水、風、核電、太陽能等新能源并未對傳統(tǒng)能源形成強勢沖擊。
可是,目前國內(nèi)電力市場已日趨飽和,在國家扶持新能源的政策下,火力發(fā)電等傳統(tǒng)發(fā)電形式“上大壓小”,采用大功率設(shè)備已成為電力行業(yè)的共識。
“大”帶來的挑戰(zhàn)
作為我國制造大型電力設(shè)備的主力廠商,上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠(SEPC)隸屬于上海電氣集團股份有限公司電站集團,是與德國西門子公司合資的企業(yè),主要從事火電、核電、燃機領(lǐng)域的大型發(fā)電機成套產(chǎn)品的研發(fā)和制造。
從2004年開始,上海發(fā)電機廠火力發(fā)電機組的生產(chǎn)、銷售、以及訂單數(shù)量連續(xù)保持世界第一。近幾年公司1000MW等級水氫冷機組每年的訂單量基本穩(wěn)定在9000MW~13000MW范圍內(nèi),國內(nèi)市場占有率約80%,600MW等級水氫冷機組年訂單量本穩(wěn)定在6000MW~9000MW,國內(nèi)市場占有率約60%,產(chǎn)品遠銷多個國家。
我國現(xiàn)有的300MW、600MW、1000MW水氫冷汽輪發(fā)電機效率、年運行小時等參數(shù)均已達到國際先進水平,近年國家規(guī)定國內(nèi)能生產(chǎn)的亞臨界600MW及以下容量機組一般不再進口,這加快了對我國電站建設(shè)制造業(yè)的發(fā)展。電站制造業(yè)是國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一,法國、德國、日本、俄羅斯、美國的大型核電站、火電站的絕大部分機組都是本國制造的。
隨著“上大壓小”政策的實施,SEPC目前已經(jīng)形成完善的空冷50MW~200MW等級、雙水內(nèi)水冷60MW~340MW等級、水氫冷200~1000MW等級等系列產(chǎn)品,在超超臨界1000MW級火電、核電及燃氣輪發(fā)電機等重大項目上實現(xiàn)了歷史性突破,目前正在研發(fā)國際上最大容量的1800MW級核電發(fā)電機、1200MW級火電發(fā)電機等產(chǎn)品,以形成新的發(fā)電機核心技術(shù),不斷提高企業(yè)核心競爭力。走進SEPC的廠房,可看到:主廠房長312米,寬36米,高34米,吊重能力可達500噸,具備了可加工目前世界上最大容量——1800MW四極核電發(fā)電機和年產(chǎn)量3000萬千瓦的生產(chǎn)能力。
隨著等級的提升,發(fā)電設(shè)備尺寸也隨之加大,動輒上百噸、幾十米的大型設(shè)備給加工帶來的不僅僅是不便,加工難度也隨之提升。
由于發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品的特性,對設(shè)備的可靠性有著嚴格的要求。比如轉(zhuǎn)子是大型電力設(shè)備―發(fā)電機中的核心部件,其加工質(zhì)量的好壞影響了發(fā)電機的運行質(zhì)量。且轉(zhuǎn)子胚件尺寸大,成本不菲,供應(yīng)有限,雖加工要求高,但也必須加工零失誤率。
此外發(fā)電設(shè)備中其他一些典型關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)子輪槽以及轉(zhuǎn)子嵌線鳩尾槽等的切削加工,由于被加工材料屬于耐熱高強度合金鋼、不銹鋼等難加工材料,切削量大、切削負荷重,對數(shù)控刀具的切削性能,諸如高溫紅硬性、彎曲剪切強度、抗磨損性、抗粘接性、摩擦系數(shù)等有很高的要求。
對1000MW及以上的二級發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說,其本體嵌線槽由于槽深深度大(100mm以上),槽壁?。?5mm左右)如圖2所示,剛性差,易引起加工變形,加工困難。
但難點正是關(guān)鍵點??刂坪蜏p少二極轉(zhuǎn)子嵌線槽的切削變形,是提高轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)精度、保證發(fā)電機運行品質(zhì)的關(guān)鍵。一般來說嵌線槽在加工中發(fā)生變形,嵌線槽槽口變形量可達到 0.5mm。要減小變形,必須選擇合適的切削力并減小降低殘余應(yīng)力。這不僅對工藝工程師和操作人員提出了高要求,其高精度復雜型面的切削對數(shù)控刀具本身的精度也提出了更高的要求。
難點重重
機加工是發(fā)電機組生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子、機座等部件切削量很大,對機床和刀具要求都很高。汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)軸嵌線槽是采用專用可轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)子槽盤銑刀,在數(shù)控轉(zhuǎn)子槽銑床上加工而成。由于轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為高強度合金鋼,切削槽深、銑刀直徑大、切削速快,對刀具綜合性能要求很高。
以轉(zhuǎn)子加工為例,鍛造出的原材料工件首先要經(jīng)過車削,然后是銑削加工。銑削分粗銑和精銑,每個工序分兩步又分兩步走?!般姴郾仨氁侄危驗闋砍兜睫D(zhuǎn)子的動平衡?!边@是每個工藝操作人員都所熟稔的。
轉(zhuǎn)子本體外圓有一圈軸向方向的嵌線槽,業(yè)內(nèi)也稱之為轉(zhuǎn)子縱樹型輪槽,有時每個轉(zhuǎn)子的嵌線槽會多達30多條。發(fā)電機轉(zhuǎn)子槽形整體加工要求較高:整槽寬度公差要求≤0.2mm、等分度要求≤0.02°、粗糙度要求≤Ra3.2,其次工藝要求的加工效率要高,需要兼顧機床加工性能及刀具切削性能。
要提高產(chǎn)品的性能一般有兩種途徑,一是加大資金投資購買設(shè)備,或者求助外協(xié);還有一種辦法就是對刀具切削工藝進行改進——這是最直接的手段,如果刀具的切削效率能夠提高一倍,就相當于增加了一臺機床,它帶來的效果立竿見影,事半功倍。SEPC的轉(zhuǎn)子槽加工工序中大量使用了各種盤銑刀和鳩尾銑刀,所用刀具以德國瓦爾特公司提供的可轉(zhuǎn)位盤銑刀和可轉(zhuǎn)位鳩尾銑刀為主。
國內(nèi)發(fā)電機制造技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段,制造工藝也從手工、機械、數(shù)顯加工為主,逐步發(fā)展到數(shù)控智能化加工,轉(zhuǎn)子嵌線槽內(nèi)鳩尾槽的加工刀具從之前高速鋼材質(zhì)演變到可轉(zhuǎn)位刀片刀具。起初,SEPC和原來合作的刀具供應(yīng)商也已將部分方案做成了硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片方案。但其中一款刀具從定方案到制造、試加工、修改方案,幾次反復試加工總共花了近兩年的時間,最終仍然不符合技術(shù)要求,最主要的原因在于整體加工性能不好,工件的表面質(zhì)量無法保證。了解到相關(guān)發(fā)電行業(yè)的一些成功案例后,具有較豐富經(jīng)驗的瓦爾特進入了SEPC的備選名單。
應(yīng)用在300MW等級上的粗齒型粗銑盤銑刀是瓦爾特和SEPC的首個合作成果。因為轉(zhuǎn)子槽粗加工加工余量大,要求良好的排屑功能,此外關(guān)鍵還不能出現(xiàn)拉鐵圈、磨痕。300MW的嵌線槽槽寬38mm,粗銑刀選用的切寬是36mm,單邊留1個毫米左右精銑余量。常規(guī)的加工工藝是:第一步盤銑刀粗銑后鳩尾槽粗銑,接著盤銑刀第二、三…刀粗銑,結(jié)束后再進行盤銑刀精銑,一般都是整槽形一刀到底,然后再進行鳩尾精銑。這其中所使用的粗銑盤銑刀就是瓦爾特牌號為WF341-6092000的盤銑刀,它采用卡口式刀座設(shè)計,極適合用于電機轉(zhuǎn)子槽粗/精加工,刀體剛性極好,加工效率高,特別是在精加工時,表面無明顯刀痕,粗糙度非常好。
改變看得見
現(xiàn)在看起來一切都很順利,但實際上雙方在設(shè)計這款刀具時,也是一波三折。
由于轉(zhuǎn)子槽底比較大,因此刀具加工時受到的阻力比較大,刀盤的抗震性也會差一點。瓦爾特定制的刀具最初被設(shè)計成波浪形,效果并不理想,前后實驗了3次:第一次把刀座做了調(diào)整,第二次是把刀具運回到德國改進,但還有小缺陷,第三次又重新訂做了一套新的刀座。但是雙方都有著“不達目的不罷休的勁頭”,數(shù)次在加工現(xiàn)場商討試驗,最終提供出幾近完美的解決方案。現(xiàn)在瓦爾特刀具在SEPC的應(yīng)用已經(jīng)越來越多,只要有新的產(chǎn)品設(shè)計都會在第一時間看到瓦爾特資深技術(shù)人員的參與。
同時,降本增效也是SEPC選擇刀具的重要條件。比如600MW鳩尾槽由高速鋼刀具更換為瓦爾特的刀具后粗糙度由原先的Ra6.3提高至不大于Ra3.2,加工效率由原先使用高速鋼刀具加工每個槽需90分鐘,提高到使用硬質(zhì)合金刀具后只需30分鐘。雖然刀片消耗成本略高于高速鋼刀具方案,但由于加工工時減少,且加工進給量由于比原先提高不少:可以從原來的不足100mm/min提高到240~280mm/min,綜合計算下來,實際加工成本的降低依然可觀。
目前,1000MW水氫冷、600MW水氫冷III型、300MW水氫冷是SEPC訂單最多的拳頭產(chǎn)品,年產(chǎn)臺份數(shù)在25~35臺,每年總的產(chǎn)品制造容量穩(wěn)定在2000~3000萬千瓦(3000萬千瓦機組一年發(fā)電量可達2400億度)。此外水冷機組也是SEPC另一項引以為傲的自主開發(fā)產(chǎn)品,至今已累積制造的水冷機組臺份數(shù)超過650臺。目前,SEPC也已經(jīng)在研發(fā)世界660MW最大水冷發(fā)電機組及1200MW等級世界最大二極發(fā)電機機組。
隨著中國裝備制造業(yè)的發(fā)展,未來生產(chǎn)企業(yè)對機床和刀具的要求也越來越高。金屬切削機床和刀具作為切削加工的基礎(chǔ)工藝裝備,被稱為 “孿生兄弟”,機床依靠優(yōu)良的“牙齒”才能發(fā)揮最佳作用??梢哉f刀具性能和質(zhì)量直接影響到整體生產(chǎn)效率的高低、加工質(zhì)量的好壞,以及生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益,所以國外企業(yè)才有“企業(yè)的紅利在刀刃上”的說法。SEPC正致力于此。
圖1. 發(fā)電設(shè)備中典型關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)子輪槽以及轉(zhuǎn)子嵌線鳩尾槽,屬于耐熱高強度合金鋼、不銹鋼等難加工材料,切削量大、切削負荷重,對數(shù)控刀具的切削性能有很高的要求
圖2. 對1000MW及以上的二級發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說,整體靜態(tài)撓度大,其本體嵌線槽由于槽深深度大,槽壁薄,剛性差,易引起加工變形,加工困難
圖3. 典型轉(zhuǎn)子槽型加工步驟
圖4. 衛(wèi)潔忠,上海發(fā)電機廠工藝處主任工程師
圖5. 應(yīng)用在300MW等級轉(zhuǎn)子上的粗齒型粗銑盤銑刀是瓦爾特和SEPC的首個合作成果
圖6. 現(xiàn)在瓦爾特刀具在SEPC的應(yīng)用已經(jīng)越來越多,只要有新的產(chǎn)品設(shè)計,都會在第一時間看到瓦爾特資深技術(shù)人員的參與