在建規(guī)模全球第一、單機(jī)容量世界第一、裝機(jī)規(guī)模全球第二……今年6月28日，一陣歡呼聲中，金沙江白鶴灘水電站的左右兩岸兩臺(tái)百萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組高速轉(zhuǎn)動(dòng)，首批機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電。
白鶴灘水電站是國家能源戰(zhàn)略布局“西電東送”的骨干電源點(diǎn)，是長江防洪體系的重要組成部分。在工程施工建設(shè)中，工程人員們攻克多項(xiàng)世界級(jí)難題，創(chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄。與此同時(shí)，全球單機(jī)容量最大功率百萬千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了我國高端裝備制造的重大突破。這標(biāo)志著我國大型水電工程建設(shè)完成從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的歷史性跨越。
在建規(guī)模世界最大 300米級(jí)大壩無一毫米級(jí)溫度裂縫
從1991年開始白鶴灘梯級(jí)電站建設(shè)的前期研究，到2004年白鶴灘水電站全面啟動(dòng)可行性研究，從2010年正式籌建，再到今年5月31日大壩全線澆筑到頂，經(jīng)歷三十載艱辛磨礪，白鶴灘水電站終于迎來首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。
作為世界上目前在建規(guī)模最大的水電工程，白鶴灘水電站是金沙江下游四個(gè)水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的第二個(gè)梯級(jí)，在建設(shè)中創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄：地下洞室總長217公里，地下洞室群規(guī)模世界第一；攔河拱壩高289米，相當(dāng)于100層樓高，為世界第三；最大泄洪量達(dá)到每秒42348立方米，6分鐘即可灌滿整個(gè)西湖，樞紐泄洪功率世界第三。
據(jù)三峽集團(tuán)董事長雷鳴山介紹，白鶴灘水電站核心技術(shù)均為自主研制，“2022年7月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電后，白鶴灘水電站將成為僅次于三峽水電站的世界第二大水電站。”
在群山峽谷之中建設(shè)水電站，發(fā)電廠房建在哪？如何讓每臺(tái)高50米、重量超8000噸的水輪發(fā)電機(jī)組安臥其中？對(duì)此，三峽集團(tuán)白鶴灘工程建設(shè)部主任汪志林介紹，水電站的引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備被安置在兩側(cè)山體專門開挖的地下洞室中，地下洞室開挖量達(dá)2500萬立方米，“足夠填滿2個(gè)西湖”。
與此同時(shí)，左右岸的引水發(fā)電系統(tǒng)共布置了超過160條隧洞，由進(jìn)水口、壓力管道、尾水隧洞、尾水出口等建筑物組成，加上各種廊道、管道，從而構(gòu)成一個(gè)龐大的地下洞室群。而左右兩岸的地下廠房長達(dá)438米，高度近90米，相當(dāng)于30層樓高，跨度34米，也是世界之最。這里，正是16臺(tái)百萬千瓦機(jī)組的“棲息之地”。
施工建設(shè)中，工程人員還攻克了300米級(jí)特高拱壩溫控防裂的世界級(jí)難題。
“白鶴灘水電大壩最大壩高289米，整體計(jì)劃澆筑低熱混凝土803萬立方米，規(guī)模巨大。”三峽集團(tuán)白鶴灘工程建設(shè)部黨委書記何煒說，大體積混凝土的溫控防裂一直是工程界的難題。混凝土中的水泥水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，使得混凝土澆筑后溫度上升，之后再緩慢冷卻到環(huán)境溫度。如果不采取有效的溫控措施，任由混凝土熱脹冷縮，難免會(huì)產(chǎn)生裂縫。
而白鶴灘水電站大壩做到了沒有一條毫米級(jí)的溫度裂縫。何煒介紹，這一方面得益于“北斗”系統(tǒng)的助力，另一方面得益于自主研發(fā)的低熱水泥。為實(shí)現(xiàn)“無縫”目標(biāo)，工程人員利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)澆筑階段的實(shí)時(shí)監(jiān)控、全面感知。而為從源頭上解決溫度裂縫問題，白鶴灘特高拱壩采用我國自主研發(fā)的低熱水泥，有效控制混凝土最高溫度，防止混凝土溫度裂縫。
智能建造系統(tǒng) 破解世界超大“泄洪消能”難題
大量混凝土澆筑條件下，如何實(shí)現(xiàn)智能建造，是三峽集團(tuán)白鶴灘工程建設(shè)部工程師劉春風(fēng)一直關(guān)注的重點(diǎn)。得益于長期的水電工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在白鶴灘水電站建設(shè)過程中，智能建造系統(tǒng)給每一倉混凝土原材料配上“身份證”，實(shí)現(xiàn)智能配比和可追溯。
如今，盯著系統(tǒng)，輕點(diǎn)鼠標(biāo)，大壩施工全過程數(shù)據(jù)、科研成果等模塊便依次展開。劉春風(fēng)介紹，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候不間斷，迅速回應(yīng)著動(dòng)態(tài)監(jiān)督、評(píng)價(jià)預(yù)警、終端推送等多方需求，保證最客觀、最直接的數(shù)據(jù)助力現(xiàn)場科學(xué)決策。
在安全穩(wěn)定的地下洞室開挖完成之后，如何保證大體積混凝土澆筑的質(zhì)量則是工程人員考慮的重點(diǎn)。“地下廠房橋機(jī)最大起重量達(dá)1300噸，牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)輪吊裝時(shí)，需要巖壁梁來承擔(dān)這樣巨大的荷載。”汪志林說，如果巖壁梁混凝土澆筑不密實(shí)不緊固，后果難以想象。
為了戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)，工程人員將白鶴灘地下洞室的建筑物外立面做到了“免裝修”水平。汪志林介紹，“免裝修”就是外立面光滑細(xì)膩，混凝土直接澆出，后期不用裝修就已有陶瓷般的觸摸感。這得益于工程人員在澆筑模板選型、結(jié)構(gòu)布置等方面的精益求精。“比如模板的選擇，常規(guī)的鋼模板可以重復(fù)利用，可一旦模板變形，便會(huì)導(dǎo)致澆出的混凝土坑坑洼洼。”為此，建設(shè)者們選用了只可使用兩次的模板，以此保證澆筑的平整與光滑。
金沙江流域降水年內(nèi)分配極不均勻，年降水主要集中在5至10月，可占到年降水量的80%以上。白鶴灘拱壩位于金沙江上的河谷狹窄處，汛期來勢(shì)兇猛的強(qiáng)降雨匯入金沙江后，洪水向大壩奔涌而來。最大泄洪量每秒42348立方米，下泄落差高達(dá)190米，9萬兆瓦的能量需要消剎。如此大的“泄洪消能”，在世界上難度也最大。
為解決窄河谷、大泄量條件下泄洪消能等問題，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的華東勘測設(shè)計(jì)研究院采用壩身孔口和岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式進(jìn)行泄洪。工程師們通過對(duì)壩身最大泄量的深入研究，合理確定了壩身與岸邊泄洪洞之間的泄量分配比例。針對(duì)壩身泄洪消能，工程師們?cè)诰C合分析下游河床承受能力、壩身孔口布置方式、壩身開孔對(duì)壩體結(jié)構(gòu)影響等因素的基礎(chǔ)上，通過大量水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，決定采用“壩身兩層孔口”的布置方案，將壩身孔口的最大泄量控制在30000立方米每秒，泄洪建筑物超泄能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高，有效解決了超大泄洪規(guī)模不對(duì)稱拱壩壩身泄洪消能的技術(shù)難題。
“零配重”百萬千瓦機(jī)組 助力碳達(dá)峰碳中和
據(jù)了解，白鶴灘水電站裝機(jī)總?cè)萘?600萬千瓦，左右兩岸分別安裝8臺(tái)100萬千瓦水電機(jī)組。6月28日，首批2臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。
據(jù)研制發(fā)電機(jī)組的東方電機(jī)有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，白鶴灘水電站單機(jī)容量為百萬千瓦，是世界上單機(jī)容量最大的水電機(jī)組。水輪機(jī)最優(yōu)效率達(dá)到96.7%，發(fā)電機(jī)額定效率超過99%，是世界效率指標(biāo)最高的水輪發(fā)電機(jī)組。
同時(shí)，機(jī)組定子繞組溫升不超過63K，轉(zhuǎn)子繞組溫升不超過58K，為水電行業(yè)最嚴(yán)格的溫升控制水平；額定電壓24千伏，為水電行業(yè)最高電壓等級(jí)。
發(fā)電機(jī)組核心部件實(shí)現(xiàn)了智能制造。東方電機(jī)有限公司工藝部相關(guān)負(fù)責(zé)人鄒應(yīng)冬介紹，白鶴灘發(fā)電機(jī)核心部件定子線棒、轉(zhuǎn)子線圈、定子沖片的生產(chǎn)制造，采用了數(shù)字化車間生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大幅提高，運(yùn)營成本大幅降低 ，產(chǎn)品研制周期大幅縮短，產(chǎn)品不良品率和能耗大幅降低。
與以往不同，此次運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件由上萬個(gè)零部件構(gòu)成，重達(dá)2600噸，但在總裝后卻實(shí)現(xiàn)了“零配重”，成為全球首個(gè)巨型水輪發(fā)電機(jī)組不需試運(yùn)行配重即滿足精品指標(biāo)的案例，也是水電史上首個(gè)“零配重”機(jī)組。
東方電機(jī)白鶴灘項(xiàng)目部現(xiàn)場負(fù)責(zé)人冷建華介紹，百萬千瓦機(jī)組由轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子、主軸等組成，上萬個(gè)零部件組裝。“這些零部件如果不是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)的，可能都會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的重量差別，那么轉(zhuǎn)起來就會(huì)出現(xiàn)力矩不平衡偏差，需要‘配重’之后才能進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。”冷建華說，但白鶴灘百萬千瓦機(jī)組實(shí)現(xiàn)了“零配重”，幾乎沒有力矩不平衡，說明在研發(fā)設(shè)計(jì)、制造加工、安裝偏差控制上均做到了極致。
值得注意的是，水電站的水輪發(fā)電機(jī)組零部件已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。據(jù)介紹，東方電機(jī)充分總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，形成了包括機(jī)組總體設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)輪研發(fā)、核心部件制造、磁極繞組空內(nèi)冷技術(shù)、低損耗軸承技術(shù)、24千伏絕緣系統(tǒng)、平衡受力新型轉(zhuǎn)子支架開發(fā)等一系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)。
“水電站完全建成后，年均發(fā)電量約624億千瓦時(shí)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1968萬噸，減排二氧化碳5160萬噸。”汪志林說，這對(duì)于我國按期實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)將發(fā)揮重要作用。