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發電一天滿足50萬人一年 四川白鶴灘水電站多項第1

圖為俯瞰白鶴灘水電站。(中新社)
圖為俯瞰白鶴灘水電站。(中新社)

6月28日上午9點36分,白鶴灘水電站首批機組正式投產發電。預計全部機組將於明年7月投產,屆時一天的發電量可滿足50萬人一年的生活用電,未來將成為中國「西電東送」的主力。

白鶴灘水電站位於四川省寧南縣和雲南省巧家縣交界處,是金沙江下游梯級電站的第二級,由三峽集團開發建設和管理。電站總裝機容量為1600萬千瓦,僅次於三峽,是世界第二大水電站。白鶴灘水電站共有16台機組。單機容量達100萬千瓦,居世界第一,是世界上僅有的百萬千瓦水輪發電機組。

世上僅有 百萬千瓦發電機組

投產發電這天,東方電氣集團東方電機有限公司(簡稱東電)總經理助理趙永智照例出現在現場。東電負責左岸機組的研發,而他是這個研發團隊的負責人。作為一個老機電,他經歷過無數次機組運行前的調試,但在調試白鶴灘左岸的1號、2號機組時,他仍感受到巨大的壓力。

金沙江下游的溪洛渡和向家壩水電站的單機容量分別是77萬千瓦和80萬千瓦,因此在白鶴灘水電站進行可行性研究時,擺在工程師們面前的挑戰是:從80萬千瓦直接過渡到100萬千瓦,在技術上是否有可能實現?

趙永智解釋,機組「變大」後,研發設計的難度係數指數倍增加,因為100萬帶來的負荷太大了。在百萬機組的技術攻關清單中,水輪機設計居於首位。而轉輪是水輪機的最核心部件,也是機組中研發難度最大、製造難題最多的關鍵部件之一。

東電先後研發了20多個水輪機模型,每個模型的投入約20多萬元。

最後通過驗收的水力模型實現了各性能的全方位提高,由此換算成真機的原型的最高效率達到96.7%,「我們在水電上可以說做到了極致,幾乎每一滴水都為我所用。」趙永智說。

白鶴灘水電站大壩氣勢磅礡。(新華社)
白鶴灘水電站大壩氣勢磅礡。(新華社)

造成機組不穩定的另一個重要因素是壓力脈動。哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司(簡稱哈電)副總經理陶星明解釋,當水進入一個混流式水輪機,在真機運行時穩定運行的範圍較窄,由於現實中的水流千變萬化,一旦偏離設計工況,水流內部容易產生紊流或擾動,也就是所謂的壓力脈動。當壓力脈動增大到一定程度時,可能帶來葉片損傷、機組疲勞、機組壽命縮短等後果。

和其他機組相比,白鶴灘百萬機組水頭高,最高落差達243.1米,容量大,對機組的穩定性提出了更大挑戰。

百萬機組的難度係數成倍增加,指的是其綜合技術難度係數,單機容量僅僅是一個最直觀的指標,在它的背後,需要把所有性能指標全部優化提升,成為全能冠軍,這才是最大的挑戰。

白鶴灘水電站大壩計畫於2021年7月首批機組投產發電,2022年7月全部機組投產...
白鶴灘水電站大壩計畫於2021年7月首批機組投產發電,2022年7月全部機組投產發電。 (新華社)

技術的突破並非一蹴而就。

巨型水電站涉及的不只是一條江、一個省或一個地區,而是牽涉全國能源規畫和電網規畫,因此布局很早就開始了。

早在1988年,長江水利委員會就提出了金沙江梯級水電站的開發規畫。

2006年5月底,在白鶴灘預可行性研究審查會上,水利工程專家潘家錚院士感慨:「要知道,在相當長的時期內,這個項目似乎遙不可及,要支持它需要領導的高瞻遠矚和果斷決策。」在潘家錚說這話之前的十年,中國還沒有自主研發大型水電站的實力。但在1996年,這一切開始改變。

當年6月24日,中國三峽總公司在人民大會堂舉行了三峽左岸14台機組的國際招標發布會,當時,來自日、俄、加、法、德、挪威、瑞士與阿根廷等國的製造商都盯住了這塊「大蛋糕」。

長達2000頁的招標文件上明確規定:投標者對供貨設備的經濟和技術負全部責任,必須與中國有資格的製造企業聯合設計、合作製造,技術受讓方分別是哈電和東電。

在三峽左岸中,第一次有了實質性的核心技術轉讓。當然,中方也為此「大出血」,機組採購總共花了7.4億美元,還支付了1635萬美元購買設計軟件。

最終,德國福伊特、加拿大GE水電公司與西門子組成的VGS聯營體中標6台,和東電合作。法國阿爾斯通和瑞士ABB組成的聯營體中標8台,和哈電合作。

位於金沙江兩岸山體深處的地下廠房,是水電站的「心臟」、16台單機容量100萬千瓦...
位於金沙江兩岸山體深處的地下廠房,是水電站的「心臟」、16台單機容量100萬千瓦水輪發電機組的「家」。(中新社)

水電核心技術 打破外國壟斷

哈電集團電機公司副總工程師覃大清回憶,當時,一些水電行業的領導已經明確意識到,中國的水電核心技術必須打破外國壟斷,否則早晚有一天會被市場淘汰。他們的這套打法後來被總結為:引進、消化吸收、再創新。

趙永智表示,在三峽右岸建設時期,和三四年前相比,中國水電的研發實力已經有了顯著進步,但和西方的水電研發水平相比,仍有一定差距。

溪洛渡與向家壩水電站在建設時,已進入21世紀的頭十年。和三峽時相比,此時中國在機組核心技術的研發能力已經追上西方,同處於世界領先水平。

在三峽集團機電技術中心負責人劉潔看來,中國現在的水電技術,尤其是在混流式水輪發電機的設計研發上,已經超越西方,最好的例證就是白鶴灘的招標。最後是哈電和東電兩家中國企業中標。

在溪洛渡、向家壩和烏東德項目中,中標方仍有外國企業的身影,但在白鶴灘上,首次徹底實現了全國產化。

目前,世界前五大水電站中,中國就有四座。劉潔指出,全球在建和投運的70萬千瓦以上機組有127台,其中中國有104台。

百萬機組背後的中國製造

站在白鶴灘水電站壩頂抬頭看去,有七條跨度超過1000米的纜索橫貫金沙江。七台纜機使用七種顏色,這是世界上最大的纜機群,白鶴灘人稱它們為「七仙女」。

此前,「七仙女」已經將803萬方混凝土、約12.6萬噸材料和設備吊裝入壩體,歷經50多個月,最終建成了300米級特高混凝土雙曲拱壩。拱壩289米,相當於100層樓高,為世界第三,壩頂高程834米,如果大壩的洩洪孔全開,奔湧而過的江水6分鐘即可灌滿整個杭州西湖。

5月31日,在將最後一罐混凝土落入16號壩段倉面後,白鶴灘大壩全線澆築到頂。目前,壩身主體土建工程基本完成。

世界壩工界有「無壩不裂」的說法,但白鶴灘項目自2017年4月開始澆築以來,整個大壩未產生一條溫度裂縫。

白鶴灘水電站14號機組。 (中新社)
白鶴灘水電站14號機組。 (中新社)

在白鶴灘之前,大壩主要採用的是中熱水泥,但低熱水泥會讓水化後的升溫降低3~5℃,可以滿足白鶴灘更高的設計要求。

低熱水泥最早被用於美國1936年修建的胡佛大壩上,但由於早期強度太低、成本高、影響工期等原因,沒有得到推廣。中國在白鶴灘之前,已經積累了十多年的經驗與數據。

「混凝土比人還要嬌貴。」在拌合樓裡,水泥、石頭和沙子被不停加冰攪拌,即便在高溫40℃的夏季,從拌合樓運出的混凝土溫度也不能超過7℃,然後要在四小時內運到倉面,澆築時溫度不能超過12℃。

從溪洛渡到白鶴灘,代表從自動控制變成了智能控制,這是水電行業智能化趨勢的一大步,其基礎是5G通訊網絡、大數據、雲計算等技術近幾年的快速迭代。

這是白鶴灘技術創新之外留下的更重要資產——工程建設管理經驗。

據了解,全球在建和投運的70萬千瓦以上機組有127台,其中104台在中國。世界前五大水電站中,中國就有4座,目前,歐美最大的機組單機容量還是70萬千瓦量級。綜合來看,中國有合適的條件和需求,未來一段時間,巨型水電站建設仍有較大的潛力和空間。

專家指出,水電項目未來的方向不再是追求單機容量,而是進一步拓寬機組的穩定運行範圍。「只有這樣才能更好地實現水電在能源結構調整中的適應性變革。」

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