国产盾构逆袭之路:已连续三年产销量世界第一


用于丹麦轨道交通建设的中国盾构机

  9月29日,在位于河南郑州的中国中铁工程装备集团有限公司(以下简称“中铁装备”)盾构总装车间,一台直径8.64米的土压平衡盾构机正式下线,这是中国中铁自主研制的第1000台盾构机。这一天,车间标语“造中国人自己的盾构,造中国最好的盾构,造世界最好的盾构”显得格外醒目。

  “上天有神舟,下海有蛟龙,入地有盾构”。作为“入地”利器,盾构机在某种程度上代表一国基建实力,是大国建设必不可少的核心装备。从自力更生、自主研发,到走出国门、成为亮眼的中国名片,再到突破关键技术、让民族盾装上“中国芯”,中国盾构人一路走来,着实不易。12载春秋,中铁1号到1000号,见证了以中铁装备为代表的中国企业艰苦攻关的奋斗史,更见证了国产盾构从无到有、从有到优、从优到强的逆袭历程。

  历史和实践证明,技术封锁、产品垄断,只会让我们更强大。只有掌握核心技术和关键零部件,才不会受制于人。



  200年前,法国工程师布鲁诺尔从一种名叫“凿船贝”的软体动物身上获得灵感,提出盾构掘进隧道原理,发明了“开放型手掘盾构”,并应用于世界上第一条水底隧道——泰晤士河水底隧道,成为人类历史上隧道施工的一大技术突破。  随着工业化水平的不断提高,机械力逐渐取代人力开挖。作为最先进的隧道挖掘机械工具,盾构机凭借快速、方便、安全的优势广泛应用于铁路、公路、地铁、市政、水电等多种隧道工程中,被誉为“工程机械之王”。盾构技术也成为衡量一个国家装备制造业水平的重要标志。  就在欧美日大力推动盾构技术升级的20世纪后半叶,基于大量基础设施建设而对盾构机有巨大需求的中国,却没有一台真正属于自己的盾构。  六七十年代,北京、上海等地的研究机构,曾在盾构机研发上取得一定突破。但受当时技术、经济等各方面条件制约,发展一直较为缓慢。  1996年12月18日,西安至安康的西康铁路开始修建,其中经过全长18.46公里的秦岭隧道。为了保障安全、缩短工期,国家以每台3.5亿元的价格从德国采购了两台盾构机。结果挖掘效率大大提升,隧道提前10个月贯通。  “洋盾构”有甜头,但越往后问题越多。买的是旧机器,却要按新设备付钱;机器维修保养时不许中方参加,还拉警戒线;维修进度中方说了不算,完全取决于外方……“有次我们要加工一个简单的拖车钢结构件,发现外方图纸有错误。因为不是设计方,只好催他们派人处理。但人家提出的条件是每天咨询费1万元,还要负责所有的差旅食宿。”中铁装备设计研究总院院长贺飞告诉记者。  没有核心技术就没有话语权,就会永远受制于人。从那时起,“造中国人自己的盾构”便成为中国盾构人的梦想。  时间进入21世纪。为打破西方技术垄断,2002年,“隧道掘进机关键技术研究”被列入“863计划”,成为国家级重点工程。由中铁隧道集团18人组成的盾构机研发项目组也于当年10月成立。  盾构机研发涵盖机械、力学、液压、电气等数十个领域,精密零部件多达3万多个,一个控制系统就有2000多个控制点。“项目组没有技术指导,从零起步,硬是从设计图纸干起。仅是弄清刀盘刀具问题,我国就花了近5年时间。”贺飞说,为了印证数据,他们不断前往施工现场求证,加班熬夜是家常便饭,通宵也是常事。  就这样,啃了6年硬骨头,在无数科研人员与专家学者的共同努力下,2008年,中国首台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构——中国中铁1号成功下线,后应用于天津地铁项目。至此,“洋盾构”一统天下的局面被打破了。


  虽然有了国产盾构机,但面对国内10%的市场份额,不少人心里打鼓:国产盾构能行吗?  2012年1月,成都地铁2号线、4号线开工建设。当地地质复杂,漂石、砂卵石、涌水突出。在以往的地铁施工中,所有盾构都是国外品牌。“这并不是说进口设备在施工过程中不会出现问题,而是在当时,人们对我们自己研发的盾构机还心存顾虑。”贺飞说。  历经3个多月的交流与沟通,中铁装备团队慢慢打消了设计、施工等单位的疑虑,最终采用“1+1模式”,即国产盾构和进口盾构左右线同时始发。“这其实就给了我们一个同台较量的机会,当然要全力以赴!”此后,每名员工每天都紧张忙碌着,他们明白,这场较量不能输。  10个月后,国产盾构的各项性能指标均优于进口盾构,有力提振了中国盾构人的信心。  类似的较量还有很多。今年8月7日,中国自主研制的15米级超大直径泥水平衡盾构机克服孤石、基岩、8度地震烈度区等复杂施工条件,成功贯通汕头海湾隧道。在与进口盾构东西线两座隧道竞技过程中,国产盾构总掘进用时少了两个月。  近年来,超大断面矩形盾构、世界首台马蹄形盾构、国内最大直径土压平衡盾构、世界首台联络通道专用盾构、世界最大直径硬岩掘进机等新产品不断涌现。在与国外盾构竞争中,国产盾构在国内市场的占有率达90%以上,占全球市场份额2/3,并将同类产品价格拉低40%。  “工欲善其事,必先利其器”。盾构核心零部件关系重大,易被卡脖子。主轴承承担盾构机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件。但由于制造工艺复杂、原材料性能要求高、设计理论不成熟等原因,中国盾构主轴承长期依赖进口。  今年9月26日,在苏州轨道交通6号线10标项目现场,首台采用国产3米级主轴承盾构机“中铁872号”顺利始发,这是中国主轴承首次在轨道交通领域执行地下掘进任务。民族盾装上“中国芯”,得益于盾构/TBM主轴承减速机工业试验平台项目。  2015年7月,中铁装备联合洛阳LYC轴承有限公司和郑州机械研究所,成功申报工业转型升级国家强基工程。项目团队与时间角力,和困难较劲,终于突破主轴承、减速机设计制造关键技术。今年5月,中铁装备对通过试验检测的首批国产化6米级盾构3米主轴承、减速机进行展示,标志着中国盾构核心部件国产化取得新的重大突破,将有效降低对关键部件进口的依赖。


  要不断提升中国盾构的竞争力和影响力,就不能止步于国内搭台比试。  马来西亚,是中铁装备迈出国门第一站。2012年,马来西亚正在推进MRT项目(马来西亚捷运线)。一期工程时,承包该项目的中铁国际集团马来西亚公司主动向马方推荐中铁装备生产的盾构机。  然而,马方对中国盾构并不信任,直言不讳道:“你们在中国做得好,但在海外市场没有经验,我们对你们非常担心。”即便如此,中方团队仍不停地往返于中马两国,向马方介绍中国盾构的发展历程,并邀请他们来华实地考察。  “中国盾构的发展速度令人惊奇!”这是代表团考察后发出的感慨。随后,马方决定购买两台中国盾构机,即“中铁50号”“中铁51号”。  施工中,“中铁50号”曾遇到一块20多米长的孤石,其硬度达到300兆帕,远远超出地质报告所提的砂岩、泥岩不到80兆帕,但它凭借可靠的性能通过了考验。其兄弟“中铁51号”表现也很突出,不仅先后穿越具有百年历史的中央火车站等重要建筑物,将最大累计沉降量控制在3毫米内,还创造了最高日掘进21米的当地盾构施工新纪录。  马来西亚项目的成功,为中铁装备走向世界、迎接更大挑战打下坚实基础。  2015年,黎巴嫩政府实施大贝鲁特供水项目,以解决当地民众饮水难题。与之前大体型的盾构机不同,此次工程要求的TBM直径仅为3.53米。  2016年1月,中铁装备自主研制的两台世界最小直径硬岩掘进机下线。这是黎方首次使用全自动TBM施工,他们还专门为两台机器命名:“丽雅”“雅斯米纳”,代表慷慨、正直、开放和勇敢、果断、活力。  “我们再也不用购买桶装水喝了!”2018年3月2日,随着工程2号隧洞最后一片岩块轰然碎地,在场的当地民众一片欢呼。2019年,整个引水隧洞项目投入使用,基本解决贝鲁特用水问题,约160万人从中受益。  准确满足各国客户需求,是更好走出去的关键。2019年8月,两台由中铁装备研发制造的盾构机出口丹麦,应用于哥本哈根CRSH1地铁项目,实现中国盾构首次进入北欧。  在欧洲,丹麦被公认为标准高、制度严,该项目由两家世界顶级土建承包商承包。“他们有非常丰富的施工经验,对于安全高效施工,有着自己的理解,所以对盾构机的设计方案也有很多细节要求。”中铁装备副总经理张志国谈到,我们坚持以客户关注为焦点,定制化打造盾构机,往往更容易受到海外市场青睐。  目前,中铁装备的盾构机已出口至全球21个国家和地区,连续3年产销量世界第一。“中国盾构已实现从‘跟跑’向‘并跑’和部分‘领跑’的转变,未来要在智能化上更进一步,让整个隧道实现自动化建造,这是我们努力的方向。”贺飞表示。

 

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2019年10月23日~10月26日,“PTC ASIA 2019高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士,国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家,国内知名院校和科研院所的大力支持。在此,我们深表荣幸并衷心感谢!报告会现场观众认真聆听、积极互动,良好的效果让我们倍感欣慰,这一切都激励着我们继续努力,为流体传动与控制技术进步添砖加瓦,为世界流体动力产业发展贡献新的力量!

为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况,我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理,陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号:chpsa-yqm),供学习分享。敬请关注!





PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告(之十七)

液压型风力发电机组基础理论与关键技术研究

——据燕山大学专家孔祥东报告录音整理

研究背景和思路

发展风电意义与潜力。风能作为一种清洁的可再生能源,是我国能源转型的重要支撑。肩负着支撑经济社会可持续发展的历史使命(十九大报告)。我国风能储量丰富(10%),发展潜力巨大。我国风电占比较低(5.2%),存在很多问题(见图1),技术进步潜力巨大。

图1  风电行业的问题

液压型技术优势。传统发电机型是双馈型和直驱型,传统机型存在传动冲击大,电能质量低,电网负担重等问题。液压型风电机组的特点是使用静液流体传动系统(无齿轮箱),使用励磁同步发电机,这样就可以舍弃整流逆变装置。从而带来液压型的技术优势:无级调速,控制灵活;柔性传动,电能优质;功率调控,电网友好。

液压型风力发电机组研究思路。针对风力发电的要求以及传统风电机型存在的以下问题:风能负荷随机波动、发电机并网要求高、传动链可控变量少、多源宽频激励谐振、电网高质电能要求等,提出了五项面临的挑战:发电机转速的高精度控制、功率追踪及平滑高精度控制、故障穿越高响应高精度控制、多源宽频激励机组谐振抑制、调控传输能量具有调频能力。

研究进展

目前,国外有查普驱动公司、阿托斯公司、亚琛工业大学以及美国的明尼苏达大学在这个方面做了一些基础的研究工作。在国内,实际燕山大学从2009年就开始做这方面的工作,浙江大学、兰州理工大学、上海交通大学等一些学校也在做相关工作。

在研究方面,燕山大学主要有5项研究内容。

第一个研究内容是液压型风电机组并网转速高精度控制。研究了流量间接反馈控制方法,解决了发电机准同期并网转速高精度控制难题,实现了发电机柔性并网。流量间接反馈的控制方法(见图2)是利用了闭式泵控的基本原理,同时又解决了它效率低的问题。这样控制的效果,能够实现输出的转速稳定在1500±6r/min,也就是能够满足电网50±0.2Hz的要求;发电机并网冲击转矩能够控制在5%左右,冲击电流控制在9%左右。

图2  流量间接反馈控制方法

在并网转速控制技术方面,我们还提出了双变量联合控制方法(见图3),实现了随机波动风速下,输出转速稳定在1500± 4r/min,也就是能够满足电网50±0.13Hz的要求。

图3  双变量联合控制方法第二个研究内容是液压型机组的功率追踪及平滑高精度控制。研究了复杂工况下多目标寻优的功率追踪控制策略,提高了风能利用效率,实现了功率高精度平滑控制。一定风速下,风轮的转速对应某一个转速下,它才能够吸收最大的风能,这是一个功率追踪的要求。再有就是发电的时候怎么能保证输出的电能最平稳,以克服风的波动,这也是一个要求。我们做了两项工作:一个是发电机组功率追踪优化控制技术,我们提出了功率追踪的控制方法(见图4),风能利用效率较传统机型提高了4%;另一个是提出了功率平滑的控制方法(见图5),功率平衡的因子较传统机型可以提高2~3倍。

图4  功率追踪控制方法

图5  功率平滑控制方法第三个研究内容是液压型风电机组低电压穿越控制。研究了低电压穿越分层控制方法,解决了电网故障工况下发电机脱网的难题,实现了机组故障穿越高响应高精度控制。一旦电网出现故障,电压跌落了以后,剩余的发电功率要能够要耗散或者存储,同时要求发电机不能脱网。所以我们提出了低电压穿越分层控制方法(见图6):有功功率响应时间较传统机型提升1倍;电流冲击抑制能力较传动机型提升1倍。

图6  分层控制方法第四个研究内容是落地式液压机型谐振机理及主动抑制。研究了机组谐振参数设计准则和系统模态主动调控策略,解决了多源宽频激励下机组谐振的难题,提高了机组运行可靠性。采用液压长管路,实现变量马达、发电机的落地安装,进一步降低了机舱重量,使设备便于安装维护,落地式液压机型构型(见图7)。但落地机型在随机风宽频激励下容易引起谐振。针对此问题,采用阻抗匹配理论,揭示了机组模态与可控参量之间的映射规律。提出宽频激励下机组谐振主动抑制方法(见图8),实现对系统模态的动态调整,避开即时激励频率。解决了宽频激励下,落地机型谐振抑制的难题。谐振峰值衰减50%以上。

图7  落地式新构型及谐振机理

图8  谐振主动抑制方法第五个研究内容是储能式液压型风电机组调频控制。研究了虚拟惯性补偿控制和自适应调频控制方法,解决了风电机组能量储放和调配难题,支撑电网稳定运行。三相电不能存储,电网频率稳定的本质是发电量和用电量的实时动态平衡。为了提高液压型风电机组的调频能力,在变量马达和发电机中间串联液压储能子系统,提高机组整体惯量。通过调整液压储能子系统能量的储放,使风电机组参与电网调频。提出了基于虚拟惯性补偿的调频控制方法(见图9),实现了风电机组调频控制。

图9  储能式新构型及调频控制方法基于这种构型,在功率闭环的基础上,增加储能子系统调频控制器。通过BP神经网络动态调整PID控制参数(见图10),实现了液压型风电机组调频能力优于国标要求。

图10  自适应调频控制方法

研究规划

经过十年的刻苦攻关,完成了上面一些基础研究工作。主要核心内容就是通过控制变量马达摆角,实现对系统流量的控制,进而实现对变量马达转速(发电机转速)的控制。完成这些基本工作以后,我们就要和电网去匹配,期望通过液压的方式,实现电网友好,为风电摘掉“垃圾电”的帽子。

下一步我们研究思路是向着智能风电迈进,期望风电机组满足智能电网的需求。智能电网是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成新型电网,来实现高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动、减小对环境的影响、为用户提供增值服务、高能源效率。我们的研究目标是将闭式液压传动系统、液压储能子系统引入风力发电装备,将人工智能控制技术和数字液压技术相结合,设计研发高电能质量、高寿命和高可靠性的风力发电装备,实现风力发电装备和机组集群的智能化。 研究内容为:①源网侧多源信息智能预测与感知;②液压型风电机组输出功率智能调控;③液压型风电机组负荷频率智能调控;④多发电机组之间集群多时间尺度协调控制。 

通过上述的研究,期望实现单一液压型风电机组智能化,进一步实现群网,以支撑智能电网建设。这里面核心内容是液压系统控制,那么如何把液压控制和智能电网充分地结合起来开发智能电源,也是我们要考虑的问题。


产业化推广

针对液压型风电机组的产业化推广,我们希望通过政府主导,与企业合作来推进液压型风电机组产业化。目前我们跟秦皇岛市的正时乐液压技术有限公司正在建设一个样机。目前已经把地基做完了,下面要进一步把装置做出来。依托燕山大学提供的技术支持和解决方案,利用液压型风能-液压能装置进行风力发电、海水淡化,以期达到创造良好的社会效益和经济效益,进而推进产业化,实现产品的推广。

通常海水淡化是通过电网为海水淡化装置提供电能,那如果不用电网而用风能来做呢?就是直接用风能去驱动海水泵等装置,有风就有能量,所以用风能做海水淡化就可以节约能源(见图11)。有助于绿色可再生能源的进一步开发和利用。

图11  风力发电和海水淡化框架



知识产权情况

我们在“液压型风力发电机组”这方面申请了十几项专利,授权9项,其中转化2项,发表了60余篇高水平论文,参与液压型风电机组相关研究的博士、硕士研究生共20余人。这里面我们也承担了很多企业的项目和国家自然科学基金、青年科学基金等。而且关于液压型风电机组的控制技术也得到了国家科学技术学术出版基金的资助,2019年底就可以由机械出版社出版,希望大家能够在阅读的过程当中,给我们提出宝贵的意见。



客观评价

在客观评价方面,浙江大学杨华勇院士、哈尔滨工业大学姜继海教授和南京理工大学李小宁教授都给出了很高的评价。一致认为“该成果代表了我国液压型风力发电领域的最新研究成果,达到了国际领先水平。对推动我国科学技术的进步具有重要作用,对打破国外技术垄断,形成自主知识产权意义重大”

应用和效益情况

针对液压型风电机组的应用效益方面,2010年与上海财宇投资有限公司开展了合作,然后在燕山大学实验室里面做了试验台,并跟正时乐液压设备有限公司进行产业化推广,我们也跟南京工程学院合作,所以,我们基础工作一直在往前走,希望能够有更好的转化成果展现给大家。这是经济效益(见图12)。

图12  经济效益

下面介绍一下这项技术的社会效益。第一、液压型的风电机组的环境适应性还是很强的,适用于海上、孤岛或偏远地区。我们现在在做样机,小的可以做到20kW、50kW,100kW、150kW,然后往大里做,大功率等级的液压型风电机组的优势是可以做模块化组合。当然这里关键的问题就是液压元件的效率和可靠性,在海洋、在高山,元件的寿命能否适应恶劣的环境。如果这些问题解决了,应该能够为当地的社会建设做贡献,改善人民的生活,尤其在偏远的农村、孤岛,可以就地取材,就地发电。第二、液压型风电机组的电网适应性好,电能质量高,有利于提高可再生能源的渗透率来保护生态环境。由于采用液压传动系统取代齿轮箱,不用整流的逆变装置,这就使得我们这个机舱重量大大减轻,实际机舱重量减轻以后使整个塔架的重量也减轻、地基的重量减轻、安装成本降低,尤其可以使电能质量提高,这是其他机型不可替代的。第三、液压型的风力发电机组易于推广和应用,我们想先在海水淡化方面做一些工作,可以有效降低能源消耗,降低成本,缓解水资源紧张。第四、促进上下游产业发展,在这个方面我们也在努力。开始我们实验室是选用了赫格隆的马达当泵使,后面选择了力士乐的变量泵当马达用,我们也希望国内企业能跟我们一起合作,完成关键元件的研制。当液压型风电机组真正变成产品的时候,一定要有我们国产元器件在这个系统当中,否则会受制于进口,所以在这个方面,我们希望能够跟有志于液压风力发电的高校、企业进行合作,来推进这项技术成果的应用。应该讲这项技术在促进行业进步和提高行业竞争力的作用和意义是很明显的,这项成果应该说解决了行业关键技术难题,达到了国际领先水平,支撑国家电网建设、国防建设、环境保护和经济建设,能够促进和引领行业产业与学科的发展。实际上我们有很多学科是可以相互渗透的,在这个方面我们希望再进一步地把这个工作做得更好。

该文刊登于我刊2020年第9期

本刊编辑  张婷婷整理

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