建成国际仅有百万千瓦机组水电站有多难?
白鹤滩水电 霍思伊 摄
6月28日上午9点36分，白鹤滩水电站榜首批机组正式投产发电!
金沙江两边的高山深谷地下，左、右岸厂房的机组人员按下了发动按钮，左岸的1号机、右岸的14号机正式投产发电，其他后续机组将连续投产，估计悉数机组将于下一年7月投产，到时一天的发电量可满意50万人一年的日子用电，未来将成为我国“西电东送”的主力。
白鹤滩水电站坐落四川省宁南县和云南省巧家县交界处，是金沙江下流梯级电站的第二级，由三峡集团开发建造和办理。电站总装机容量为1600万千瓦，仅次于三峡，是国际第二大水电站。白鹤滩水电站共有16台机组，左、右岸各8台。单机容量达100万千瓦，居国际榜首，是国际上仅有的百万千瓦水轮发电机组。
“简直每一滴水都为我所用”
一开端，只要弱小的动静从悠远的地下传来，当到达额外转速后，脚下的地开端细微的轰动，转速持续加大，115，130……地上的轰动感也越来越强，与此一起，机组工作发生的轰鸣声逐渐充溢整个空间，并不尖锐，但好像和脚下的轰动构成某种共同的“场”。
面向下流，北岸为左，南岸为右。6月9日晚8点左右，在白鹤滩水电站左岸的地下厂房里，3号机组正在进行过速实验。“过速”，即查验机组是否能接受得起极点状况下的工作。依据规划，3号机组的额外转速是111.1 r/min，但过速测验要把机组手动升速至额外转速的151%。
东方电气集团东方电机有限公司(简称东电)总经理助理赵永智这天按例呈现在现场。东电担任左岸机组的研制，而他是这个研制团队的担任人。这一次，他比前两非有必要安静一些。作为一个老机电，我国水电史上的几个严峻项目赵永智都没有缺席，从三峡到溪洛渡，他阅历过无数次机组工作前的调试，但在调试白鹤滩左岸的1号、2号机组时，他依然感受到巨大的压力。“由于这个机组太大了，不容半点过失。”他说。
百万千瓦机组，是国际水电的“无人区”。三峡工程尽管总装机量国际榜首，但单机容量只要70万千瓦，金沙江下流的溪洛渡和向家坝水电站的单机容量分别是77万千瓦和80万千瓦，下流另一座水电站乌东德则完成了85万千瓦，它与白鹤滩属同期项目，已于本年6月16日先行投入工作。因而在白鹤滩水电站进行可行性研讨时，摆在工程师们面前的应战是：从80万千瓦直接过渡到100万千瓦，在技能上是否有或许完成?
水电站的要害在于能量转化。幻想一下，当金沙江上游的滚滚江水持续不断地经过压力钢管涌入水轮机，构成巨大的漩涡，带动水轮机转轮高速旋转，水的势能所以被转化成旋转的机械能，这是机组发电最要害的一步。接下来，转轮带动水轮机上面的发电机转子高速旋转，从而将机械能转化为电能。而百万机组意味着，单个机组满负荷工作时，每小时最多能够发100万千瓦的电。以东电地点的四川省德阳市为例，一台百万机组全力发电365天，可满意德阳全市一整年的用电需求。
赵永智解说说，机组“变大”后，研制规划的难度系数指数倍添加，由于100万带来的负荷太大了。在百万机组的技能攻关清单中，水轮机规划居于首位。一个水轮机的研制，首要要从已有的模型库中选取一个最挨近白鹤滩水力条件的初始模型，经过许多的仿真核算不断优化，再将核算机里的仿真模型按比例微缩制作出来，拿到实验台上进行模仿工作。实验台将会模仿出白鹤滩水电站全年的实在水力状况，在无限挨近真机工作环境的条件下，来检测水轮机的各项功能方针是否满意要求。
转轮是水轮机的最中心部件，也是机组中研制难度最大、制作难题最多的要害部件之一。水力模型研制的立异性就表现在对转轮的优化上，其叶片的规划直接决议着水轮机的过流才干、水力功率、空蚀功能及整个机组的工作安稳性。因而，在优化时，叶片的长短、叶形的几许参数、叶片怎么歪曲、冲角是多大、叶片的粗糙度等都需求研讨。
衡量水轮机的功能好坏有三个重要参数，一是能量转化功率，也便是水的势能转化成机械能的功率;二是安稳性;三是是空化系数。
当水带动水轮机做功时，在部分水流中会忽然时刻短地发生气泡，并很快溃灭，这个进程便是空化。发生空化时，发生气泡的当地压力低，周边的水压力高，所以它们会高速射向气泡溃灭的位点。假如规划得不够好，柔软的水会化作最尖锐的“矛”，只消半年左右的时刻，就能够把一个钢化叶片外表打得坑坑洼洼，从而影响整个机组的寿数，严峻时乃至或许构成叶片开裂，变成严峻事端。此外，空化损坏也是影响机组安稳性的一个重要原因。
东电先后研制了20多个水轮机模型，每个模型都经过核算、制作成微缩模型，在实验台上阅历白鹤滩的春秋冬夏，发现不行，再推倒重来。每个模型的投入约20多万元。
终究经过检验的水力模型完成了各功能的全方位前进，由此换算成真机的原型的最高功率到达96.7%，也便是说，在整个水轮机工作进程中能量转化最充沛的那一点上，其势能96.7%都转化成了机械能。而加权均匀功率，即水轮机一年四季工作下来的归纳功率，到达95.92%。“咱们在水电上能够说做到了极致，简直每一滴水都为我所用。”赵永智说。
三峡建工(集团)有限公司白鹤滩工程建造部机电项目部主任康永林对《我国新闻周刊》表明，水轮机功率的前进，越挨近100%，每前进一个小数点都十分困难，我国在这方面的功能优化上现已到达了国际领先水平。
在安稳性上，左岸机组工作摆度现已进入“五道年代”(1 道=0.01 毫米)。试想一个重8000多吨、高50多米的庞然大物，正以每分钟111.1圈的速度旋转，但整个机组的摇摆起伏却比一根头发丝的直径还要小。1号机组并网后，整个机组摆度的最大值只要0.05毫米，即“五道”。每个水头下，从空载到最大确保负荷规划内，都完成了无空化工作。
构成机组不安稳的另一个重要因素是压力脉动。哈电集团哈尔滨电机厂有限职责公司(简称哈电)副总经理陶星明对《我国新闻周刊》解说，当水进入一个混流式水轮机，在真机工作时安稳工作的规划较窄，由于实际中的水流千变万化，一旦违背规划工况，水流内部简单发生紊流或扰动，也便是所谓的压力脉动。当压力脉动增大到必定程度时，或许带来叶片损害、机组疲惫、机组寿数缩短等结果。
前史上有许多由于振荡而发生严峻安全事端的比方，最典型的是俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事端。2009年8月17日，该电站水轮机顶盖轴承的振荡振幅超越了答应值的4倍，构成顶盖螺栓开裂，并瞬间迸发出来。涡轮连同发电机转子被强壮的能量弹射出工作方位，近200米高程的水压从机组残缺缝隙中喷发而出，瞬间摧毁了整个发电厂厂房，构成75人逝世。
和其他机组比较，白鹤滩百万机组水头高，最高落差达243.1米，容量大，对机组的安稳性提出了更大应战。哈电担任右岸机组研制，为了前进水轮机的安稳性，哈电在右岸选用了长短叶片的构思。惯例的转轮都是15个叶片，但哈电的转轮结构由15个长叶片，15个短叶片组成，总共是30个叶片。
陶星明指出，和惯例叶片比较，长短叶片由于叶片总面积的添加，做功面积添加，全体功率更高，最高功率到达了96.7%，加权均匀率是96.16%。此外，叶片进口习惯来流的才干增强，经过转轮的水流更平稳，转轮出口流速散布更合理，水轮机安稳性会更好。叶片数的增多，也下降了无叶区(导叶出口和转轮进口之间的区域)的压力脉动幅值。
百万机组的难度系数成倍添加，指的是其归纳技能难度系数，单机容量仅仅是一个最直观的方针，在它的背面，需求把一切功能方针悉数优化前进，成为全能冠军，这才是最大的应战。
白鹤滩水电站右岸地下厂房机组装置现场 霍思伊摄
从三峡到白鹤滩 技能的打破并非一蹴即至
巨型水电站触及的不只是一条江、一个省或一个区域，而是牵涉全国动力规划和电网规划，因而国家很早就开端了布局。
早在1988年，长江水利委员会就提出了金沙江梯级水电站的开发规划，以为金沙江水急坎陡，江势惊险，河槽陡峻，流水腐蚀力强，有很大的水电开发潜力，能够开发成18级梯级水电站，既可西电东送，又统筹金沙江与长江干流的防洪。其时，长江委就建议在金沙江的下流段从上到下顺次开发乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝。其间先行开发溪洛渡与向家坝，然后是白鹤滩和乌东德。白鹤滩是梯级的第二级。
2006年5月底，在白鹤滩预可行性研讨查看会上，水利工程专家潘家铮院士慨叹：“要知道，在适当长的时期内，这个项目好像遥不行及，要支撑它需求领导的登高望远和决断决议计划。”在潘家铮说这话之前的十年，我国还没有自主研制大型水电站的实力。其时，包含水轮机、发电机规划等中心技能简直都把握在外国公司手中，但在1996年，这一切开端改动。
当年6月24日，我国三峡总公司在人民大会堂举行了三峡左岸14台机组的国际投标发布会，其时，来自日本、俄罗斯、加拿大、法国、德国、挪威、瑞士与阿根廷等国的制作商都盯住了这块“大蛋糕”。为了拿下它，几家水电巨子强强联合，组成“联营体”抢标。
长达2000页的投标文件上清晰规定：投标者对供货设备的经济和技能负悉数职责，有必要与我国有资历的制作企业联合规划、协作制作，我国制作企业分包比例不低于合同总价的25%，左岸14台机组的终究2台由我方制作、外商监造。技能受让方分别是哈电和东电。
在三峡之前的鲁布革、清江隔河岩、二滩、五强溪等项目，都是直接进口机组，国内企业只能分包制作一些非中心部件，分包中没有技能转让项目。但在三峡左岸中，榜初次有了实质性的中心技能转让。技能转让的内容由国内制作企业提出清单，实际上适当于转让了我国所需的出悉数技能。当然，中方也为此“大出血”，机组收买总共花了7.4亿美元，还支付了1635万美元购买规划软件。
终究，德国福伊特、加拿大GE水电公司与西门子组成的VGS联营体中标6台，和东电协作。法国阿尔斯通和瑞士ABB组成的联营体中标8台，和哈电协作。
哈电集团电机公司副总工程师覃大清对《我国新闻周刊》回想，其时，一些水电职业的领导现已清晰意识到，我国的水电中心技能有必要打破外国独占，不然迟早有一天会被商场筛选。他们的这套打法后来被总结为：引入、消化吸收、再立异。
我国能建葛洲坝机电公司副总经理、总工程师陈强参加了三峡左岸建造。他对《我国新闻周刊》回想，其时让他形象最深的是，西方企业不只在技能上比我国前进许多，在规划理念上也十分先进。
三峡项目分为左岸、右岸和地下电站共三期建造。左岸项目完毕后，在右岸建造中，我国已开端测验机组的国产化规划、制作。右岸共12台机组，哈电、东电与阿尔斯通“三分全国”，这是我国企业初次在同一项目中和外企同台竞赛，并且是独立规划。在投标阶段进行水轮机模型同台实验时，哈电和东电的全体功能虽略逊于阿尔斯通，但在一些单项方针上，现已开端逾越，比方机组的安稳性。
左岸的模型检验时，中方工程师发现并命名了一种“特别压力脉动”的共同现象，即在高负荷的部分区域会呈现压力脉动忽然增强的状况。外国方也不知其成因，以为这是机组的固有特性，难以防止。
1996年，覃大清刚从日本回国，正好参加了三峡左岸项目。他回想，其时咱们对机组安稳性的知道还很浅显，国内刚起步的水电职业还在主攻功率和空化。但左岸发现“特别压力脉动”后，哈电和东电马上投入对机组安稳性的研讨，并很快调整思路，转轮的规划也旨在扩展机组的安稳工作规划，一起统筹其他功能。后来证明，这个思路是正确的，也为白鹤滩机组打下了根底。
康永林指出，对百万机组而言，和功率比较，更重要的是安稳性。“发100万的电的确是咱们的方针，但这个电的质量要高，机组越安稳，输出的电压和频率也更安稳。电能质量的凹凸会影响到科研、工业等关乎我国开展的要害范畴。因而，电能质量的好与坏是影响一个国家工业化实力的重要方针。”他说。
从三峡左岸到右岸，中企在消化吸收外国先进技能的一起，也在跨越式追逐，进行再立异。右岸时，哈电不再选用国外企业给发电机定子线圈通水冷却的方法，改为空气冷却，完全消除了原有的漏水问题，使工作愈加安全。后来在白鹤滩上的技能查看会上，由于百万机组的负荷巨大，冷却是一个要害的技能难关，专家在技能查看会上屡次说到，不能用水冷，可靠性太低，有必要运用空冷。
赵永智表明，在三峡右岸建造时期，和三四年前比较，我国水电的研制实力现已有了明显前进，但和西方的水电研制水平比较，在水轮机和发电机的能量转化功率，以及制作、质量操控等一系列流程上，仍有必定距离。其时，几家老牌外国企业处于榜首队伍，实力适当。但从左岸到右岸，既是我国自主研制的起点，也是我国水电腾飞的起点，这个阶段持续了好几年，我国水电在此刻期开端堆集实力，蓄势待发。
溪洛渡与向家坝水电站在建造时，已进入21世纪的头十年。和三峡时比较，此刻我国在机组中心技能的研制才干现已追上西方，同处于国际领先水平。接下来，便是乌东德和白鹤滩项目。以安稳性方针为例，据赵永智介绍，和三峡右岸时比较，白鹤滩机组的压力脉动幅值全体上下降了约30%。
在三峡集团机电技能中心担任人刘洁看来，我国现在的水电技能，尤其是在混流式水轮发电机的规划研制上，现已逾越西方，最好的例子便是白鹤滩的投标。其时，哈电、东电和GE(阿尔斯通已被其收买)、福伊特同台竞赛，在实验台大将各自规划的模型进行数据比对，哈电和东电机组的功能技高一筹，因而，终究是两家我国企业中标。
在溪洛渡、向家坝和乌东德项目中，中标方仍有外国企业的身影，但在白鹤滩上，初次完全完成了全国产化。
现在，国际前五大水电站中，我国就有四座。刘洁指出，全球在建和投运的70万千瓦以上机组有127台，其间我国有104台。
关于白鹤滩水电站100万千瓦的单机容量，开端有一些犹疑和争议。我国电建集团华东勘察规划研讨院白鹤滩项目副经理何明杰对《我国新闻周刊》回想，规划院一直在比较90万千瓦、95万千瓦和100万千瓦三种计划，召开了屡次专题会评论。在2006年可研阶段的一次评论会上，有专家提出疑问，我国尽管在大型机组上现已堆集了必定的经历，但要想完成100万千瓦，有几个要害技能需求打破原有的极限。
覃大清举例说，首要，白鹤滩之前的发电机电压最高也只要20千伏，如三峡电站，但白鹤滩要求额外电压是24千伏，电压升高往后，就给高压绝缘系统带来了巨大应战。其次是冷却问题，由于百万机组负荷过大，对冷却的要求极高，我国本来拿手的空冷技能需求进一步晋级。一开端，专家们忧虑直接进入“百万年代”危险太大，建议留出2台100万机组做技能实验，其他机组仍选用技能老练的80万。但后来，这些技能妨碍先后被霸占。
到了2011年4月，在一次重要的研讨会上，大部分专家根本赞同悉数选用100万千瓦。时任三峡集团三峡机电工程技能有限公司党委副书记兼总经理胡伟明在会上清晰指出，百万机组在科研上现已证明充沛，技能上不存在大问题。
2011年10月27日～29日，白鹤滩单机容量查看会总共持续了三天，终究，“百万计划”被正式经过，与会专家共同以为，100万千瓦有难度、有应战，可是能够完成。
百万机组背面的我国制作
站在白鹤滩水电站坝顶昂首看去，有七条跨度超越1000米的缆索横贯金沙江。前一天刚下过雨，水气混合着因湍急猛浪而翻卷上来的水雾，让缆机好像在云层中穿行。七台缆机运用七种色彩，这是国际上最大的缆机群，白鹤滩人称它们为“七仙女”。
此前，“七仙女”现已将803万方混凝土、约12.6万吨资料和设备吊装入坝体，历经50多个月，终究建成了300米级特高混凝土双曲拱坝。拱坝289米，适当于100层楼高，为国际第三，坝顶高程834米，假如大坝的泄洪孔全开，奔涌而过的江水6分钟即可灌满整个杭州西湖。
5月31日，在将终究一罐混凝土落入16号坝段仓面后，白鹤滩大坝全线浇筑到顶。现在，坝身主体土建工程根本完成。坝顶仍有工人的身影在水雾中若有若无，他们正在进行终究的坝顶装饰。国际坝工界有“无坝不裂”的说法，但白鹤滩项目自2017年4月开端浇筑以来，整个大坝未发生一条温度裂缝。
我国三峡建工(集团)有限公司白鹤滩工程建造部技能办理部副主任周孟夏对《我国新闻周刊》解说说，混凝土的首要组分是水泥，将它浇筑到仓面后，水泥会发生水化反响，放出许多热量，温度先上升再下降，热胀冷缩会导致变形，仓面体积越大、结构越杂乱，热胀冷缩堆集的变形就越大，严峻时会构成裂缝。因而对大体积混凝土结构而言，温控防裂是要害，也是国际级难题。
欧美和前苏联在建造200米级高坝时都发生过严峻开裂事端，丢失巨大。如1977年建成的奥地利柯恩布莱因坝，在1978年发现大裂缝，排水孔漏水量达200升/秒，经过几回较大规划的加固后，被迫在老坝下流新建筑了一座拱坝支撑。
我国电建集团华东勘察规划研讨院白鹤滩项目副经理何明杰剖析说，白鹤滩和三峡大坝不同，三峡是重力坝，体积大，内部应力小，所以运用的混凝土强度也相对低;但白鹤滩是拱坝，其支撑首要是靠把荷载传递到两边坝肩，假如施工时就呈现裂缝，后期挡水后，内部应力会持续升高，裂缝会进一步延伸，开展成贯通性大裂缝。柯恩布莱因坝便是如此。因而在规划时，要求抗裂安全系数最低有必要到达1.8，最好前进到2.0，而一般大坝的安全系数为1.3～1.8。在如此苛刻的束缚下，原有的水泥已不能满意要求。
周孟夏指出，温控能够分解为两个中心问题，一是操控水化反响升温后的最高温度;二是让整个降温进程愈加可控，在这个环节，需求辅佐智能通水系统。
在白鹤滩之前，大坝首要选用的是中热水泥，但低热水泥会让水化后的升温下降3～5℃，能够满意白鹤滩更高的规划要求，整个坝体在施工时最高温度低于27℃，在岸坡等强束缚规划，也便是最简单发生裂缝的当地，不能超越25℃。
低热水泥最早被用于美国1936年建筑的胡佛大坝上，但由于前期强度太低、本钱高、影响工期等原因，没有得到推行。我国在白鹤滩之前，现已堆集了十多年的经历与数据。专家经评价以为，大规划推行低热水泥的条件现已老练，因而决议在乌东德和白鹤滩项目上全坝运用。
“混凝土比人还要娇贵。”周孟夏这样描述。在拌合楼里，水泥、石头和沙子被不断加冰拌和，即便在高温40℃的夏日，从拌合楼运出的混凝土温度也不能超越7℃，然后要在四小时内运到仓面，浇筑时温度不能超越12℃。仓内的混凝土很快会开端升温，此刻，需求经过调理通水的时刻、流量来操控整个升降温进程。
曾经，大坝中的通水系统靠人工操控，工人每4小时就要到仓内用温度计测温。在白鹤滩，6000多支温度传感器、8万米长的测温光纤构建出的点、线温度场数据被传回系统后，后台算法会结合大数据主动算出需求通多少水，继而将指令实时发送到操控柜，主动对流量进行调整，整个进程都不需求人工干预，工程师在后台只需求准时查看系统，发现异常后再判别是否呈现毛病。
周孟夏表明，智能温控不是新生事物，但从溪洛渡到白鹤滩，代表从主动操控变成了智能操控，这是水电职业智能化趋势的一大步，其根底是5G通讯网络、大数据、云核算等技能近几年的快速迭代。
温控不只重视一个仓面，300米级拱坝结构杂乱，31个坝段浇筑的次序不同，温度之间构成梯度，温控时，有必要要把拱坝作为一个全体结构系统来办理，确保大坝和谐冷却，其内部应力的改变也在可控规划内。
这是白鹤滩技能立异之外留下的更重要财物——工程建造办理经历。
我国能建葛洲坝机电公司(简称葛机电)担任白鹤滩右岸机组的装置和调试。葛机电副总经理陈强告知《我国新闻周刊》，百万机组对装置精度的要求更高，葛机电想了许多方法改善工艺。比方发电机转子支架焊接时，怎么在机组“扩大”后，防止变形带来的损坏。处理这些问题，需求观念上的改造。“在白鹤滩上堆集的工艺经历，往后有很好的推行价值。”陈强说。
实际上，受水利资源条件所限，百万机组不只前无古人，并且还或许后无来者。康永林指出，水电站建造是一个巨大的系统工程。在百万机组研制、落地进程中，从资料、焊接、装置工艺，到全体的流程优化、工程办理，都得到了全方位前进，带动了整个产业链的前进。因而，白鹤滩工程的建成，影响不只在水电职业，并且辐射到整个我国制作。
据了解，全球在建和投运的70万千瓦以上机组有127台，其间104台在我国。国际前五大水电站中，我国就有4座，现在，欧美最大的机组单机容量仍是70万千瓦量级。归纳来看，我国有适宜的条件和需求，未来一段时刻，巨型水电站建造仍有较大的潜力和空间。
专家指出，水电项目未来的方向不再是寻求单机容量，而是进一步拓展机组的安稳工作规划。“只要这样才干更好地完成水电在动力结构调整中的习惯性革新。”覃大清说，在向双碳方针跨进的进程中，需求水电更好地发挥调能效果，白鹤滩这种输出安稳的传统水电站无疑是重要的处理之道。
