6月28日上午9點(diǎn)36分，白鶴灘水電站首批機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電!
金沙江兩側(cè)的高山深谷地下，左、右岸廠房的機(jī)組人員按下了啟動(dòng)按鈕，左岸的1號(hào)機(jī)、右岸的14號(hào)機(jī)正式投產(chǎn)發(fā)電，其他后續(xù)機(jī)組將陸續(xù)投產(chǎn)，預(yù)計(jì)全部機(jī)組將于明年7月投產(chǎn)，屆時(shí)一天的發(fā)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。
白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界處，是金沙江下游梯級(jí)電站的第二級(jí)，由三峽集團(tuán)開發(fā)建設(shè)和管理。電站總裝機(jī)容量為1600萬千瓦，僅次于三峽，是世界第二大水電站。白鶴灘水電站共有16臺(tái)機(jī)組，左、右岸各8臺(tái)。單機(jī)容量達(dá)100萬千瓦，居世界第一，是世界上僅有的百萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組。
“幾乎每一滴水都為我所用”
一開始，只有微弱的聲響從遙遠(yuǎn)的地下傳來，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，腳下的地開始輕微的震動(dòng)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大，115，130……地面的震動(dòng)感也越來越強(qiáng)，與此同時(shí)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轟鳴聲漸漸充滿整個(gè)空間，并不刺耳，但仿佛和腳下的震動(dòng)形成某種奇特的“場(chǎng)”。
面向下游，北岸為左，南岸為右。6月9日晚8點(diǎn)左右，在白鶴灘水電站左岸的地下廠房里，3號(hào)機(jī)組正在進(jìn)行過速試驗(yàn)。“過速”，即檢驗(yàn)機(jī)組是否能承受得起極端情況下的運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)，3號(hào)機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速是111.1 r/min，但過速測(cè)試要把機(jī)組手動(dòng)升速至額定轉(zhuǎn)速的151%。
白鶴灘水電 霍思伊 攝
東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司(簡(jiǎn)稱東電)總經(jīng)理助理趙永智這天照例出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)。東電負(fù)責(zé)左岸機(jī)組的研發(fā)，而他是這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。這一次，他比前兩次要平靜一些。作為一個(gè)老機(jī)電，中國水電史上的幾個(gè)重大項(xiàng)目趙永智都沒有缺席，從三峽到溪洛渡，他經(jīng)歷過無數(shù)次機(jī)組運(yùn)行前的調(diào)試，但在調(diào)試白鶴灘左岸的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組時(shí)，他仍然感受到巨大的壓力。“因?yàn)檫@個(gè)機(jī)組太大了，不容半點(diǎn)差錯(cuò)。”他說。
百萬千瓦機(jī)組，是世界水電的“無人區(qū)”。三峽工程雖然總裝機(jī)量世界第一，但單機(jī)容量只有70萬千瓦，金沙江下游的溪洛渡和向家壩水電站的單機(jī)容量分別是77萬千瓦和80萬千瓦，下游另一座水電站烏東德則實(shí)現(xiàn)了85萬千瓦，它與白鶴灘屬同期項(xiàng)目，已于今年6月16日先行投入運(yùn)行。因此在白鶴灘水電站進(jìn)行可行性研究時(shí)，擺在工程師們面前的挑戰(zhàn)是：從80萬千瓦直接過渡到100萬千瓦，在技術(shù)上是否有可能實(shí)現(xiàn)?
水電站的關(guān)鍵在于能量轉(zhuǎn)化。想象一下，當(dāng)金沙江上游的滾滾江水持續(xù)不斷地通過壓力鋼管涌入水輪機(jī)，形成巨大的漩渦，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)，水的勢(shì)能于是被轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這是機(jī)組發(fā)電最關(guān)鍵的一步。接下來，轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)水輪機(jī)上面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。而百萬機(jī)組意味著，單個(gè)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每小時(shí)最多可以發(fā)100萬千瓦的電。以東電所在的四川省德陽市為例，一臺(tái)百萬機(jī)組全力發(fā)電365天，可滿足德陽全市一整年的用電需求。
趙永智解釋說，機(jī)組“變大”后，研發(fā)設(shè)計(jì)的難度系數(shù)指數(shù)倍增加，因?yàn)?00萬帶來的負(fù)荷太大了。在百萬機(jī)組的技術(shù)攻關(guān)清單中，水輪機(jī)設(shè)計(jì)居于首位。一個(gè)水輪機(jī)的研發(fā)，首先要從已有的模型庫中選取一個(gè)最接近白鶴灘水力條件的初始模型，通過大量的仿真計(jì)算不斷優(yōu)化，再將計(jì)算機(jī)里的仿真模型按比例微縮制造出來，拿到試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模擬運(yùn)行。試驗(yàn)臺(tái)將會(huì)模擬出白鶴灘水電站全年的真實(shí)水力情況，在無限接近真機(jī)運(yùn)行環(huán)境的條件下，來檢測(cè)水輪機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足要求。
轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的最核心部件，也是機(jī)組中研發(fā)難度最大、制造難題最多的關(guān)鍵部件之一。水力模型研發(fā)的創(chuàng)新性就體現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化上，其葉片的設(shè)計(jì)直接決定著水輪機(jī)的過流能力、水力效率、空蝕性能及整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，在優(yōu)化時(shí)，葉片的長(zhǎng)短、葉形的幾何參數(shù)、葉片如何扭曲、沖角是多大、葉片的粗糙度等都需要研究。
衡量水輪機(jī)的性能好壞有三個(gè)重要參數(shù)，一是能量轉(zhuǎn)化效率，也就是水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率;二是穩(wěn)定性;三是是空化系數(shù)。
當(dāng)水帶動(dòng)水輪機(jī)做功時(shí)，在局部水流中會(huì)突然短暫地產(chǎn)生氣泡，并很快潰滅，這個(gè)過程就是空化。發(fā)生空化時(shí)，產(chǎn)生氣泡的地方壓力低，周邊的水壓力高，于是它們會(huì)高速射向氣泡潰滅的位點(diǎn)。如果設(shè)計(jì)得不夠好，柔軟的水會(huì)化作最尖利的“矛”，只消半年左右的時(shí)間，就可以把一個(gè)鋼化葉片表面打得坑坑洼洼，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)組的壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成葉片斷裂，釀成重大事故。此外，空化破壞也是影響機(jī)組穩(wěn)定性的一個(gè)重要原因。
東電先后研發(fā)了20多個(gè)水輪機(jī)模型，每個(gè)模型都經(jīng)過計(jì)算、制造成微縮模型，在試驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)歷白鶴灘的春秋冬夏，發(fā)現(xiàn)不行，再推倒重來。每個(gè)模型的投入約20多萬元。
最后通過驗(yàn)收的水力模型實(shí)現(xiàn)了各性能的全方位提高，由此換算成真機(jī)的原型的最高效率達(dá)到96.7%，也就是說，在整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行過程中能量轉(zhuǎn)換最充分的那一點(diǎn)上，其勢(shì)能96.7%都轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能。而加權(quán)平均效率，即水輪機(jī)一年四季運(yùn)轉(zhuǎn)下來的綜合效率，達(dá)到95.92%。“我們?cè)谒娚峡梢哉f做到了極致，幾乎每一滴水都為我所用。”趙永智說。
三峽建工(集團(tuán))有限公司白鶴灘工程建設(shè)部機(jī)電項(xiàng)目部主任康永林對(duì)《中國新聞周刊》表示，水輪機(jī)效率的提升，越接近100%，每提升一個(gè)小數(shù)點(diǎn)都非常困難，中國在這方面的性能優(yōu)化上已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
在穩(wěn)定性上，左岸機(jī)組運(yùn)行擺度已經(jīng)進(jìn)入“五道時(shí)代”(1 道=0.01 毫米)。試想一個(gè)重8000多噸、高50多米的龐然大物，正以每分鐘111.1圈的速度旋轉(zhuǎn)，但整個(gè)機(jī)組的擺動(dòng)幅度卻比一根頭發(fā)絲的直徑還要小。1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)后，整個(gè)機(jī)組擺度的最大值只有0.05毫米，即“五道”。每個(gè)水頭下，從空載到最大保證負(fù)荷范圍內(nèi)，都實(shí)現(xiàn)了無空化運(yùn)行。
造成機(jī)組不穩(wěn)定的另一個(gè)重要因素是壓力脈動(dòng)。哈電集團(tuán)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱哈電)副總經(jīng)理陶星明對(duì)《中國新聞周刊》解釋，當(dāng)水進(jìn)入一個(gè)混流式水輪機(jī)，在真機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍較窄，由于現(xiàn)實(shí)中的水流千變?nèi)f化，一旦偏離設(shè)計(jì)工況，水流內(nèi)部容易產(chǎn)生紊流或擾動(dòng)，也就是所謂的壓力脈動(dòng)。當(dāng)壓力脈動(dòng)增大到一定程度時(shí)，可能帶來葉片損傷、機(jī)組疲勞、機(jī)組壽命縮短等后果。
歷史上有很多因?yàn)檎駝?dòng)而產(chǎn)生重大安全事故的例子，最典型的是俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故。2009年8月17日，該電站水輪機(jī)頂蓋軸承的振動(dòng)振幅超過了允許值的4倍，造成頂蓋螺栓斷裂，并瞬間爆發(fā)出來。渦輪連同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被強(qiáng)大的能量彈射出運(yùn)轉(zhuǎn)位置，近200米高程的水壓從機(jī)組殘破漏洞中噴射而出，瞬間摧毀了整個(gè)發(fā)電廠廠房，造成75人死亡。
和其他機(jī)組相比，白鶴灘百萬機(jī)組水頭高，最高落差達(dá)243.1米，容量大，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性提出了更大挑戰(zhàn)。哈電負(fù)責(zé)右岸機(jī)組研發(fā)，為了提高水輪機(jī)的穩(wěn)定性，哈電在右岸采用了長(zhǎng)短葉片的創(chuàng)意。常規(guī)的轉(zhuǎn)輪都是15個(gè)葉片，但哈電的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)由15個(gè)長(zhǎng)葉片，15個(gè)短葉片組成，一共是30個(gè)葉片。
陶星明指出，和常規(guī)葉片相比，長(zhǎng)短葉片由于葉片總面積的增加，做功面積增加，整體效率更高，最高效率達(dá)到了96.7%，加權(quán)平均率是96.16%。此外，葉片進(jìn)口適應(yīng)來流的能力增強(qiáng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的水流更平穩(wěn)，轉(zhuǎn)輪出口流速分布更合理，水輪機(jī)穩(wěn)定性會(huì)更好。葉片數(shù)的增多，也降低了無葉區(qū)(導(dǎo)葉出口和轉(zhuǎn)輪進(jìn)口之間的區(qū)域)的壓力脈動(dòng)幅值。
百萬機(jī)組的難度系數(shù)成倍增加，指的是其綜合技術(shù)難度系數(shù)，單機(jī)容量?jī)H僅是一個(gè)最直觀的指標(biāo)，在它的背后，需要把所有性能指標(biāo)全部?jī)?yōu)化提升，成為全能冠軍，這才是最大的挑戰(zhàn)。
白鶴灘水電站右岸地下廠房機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng) 霍思伊攝
從三峽到白鶴灘 技術(shù)的突破并非一蹴而就
巨型水電站涉及的不只是一條江、一個(gè)省或一個(gè)地區(qū)，而是牽涉全國能源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃，因此國家很早就開始了布局。
早在1988年，長(zhǎng)江水利委員會(huì)就提出了金沙江梯級(jí)水電站的開發(fā)規(guī)劃，認(rèn)為金沙江水急坎陡，江勢(shì)驚險(xiǎn)，河床陡峻，流水侵蝕力強(qiáng)，有很大的水電開發(fā)潛力，可以開發(fā)成18級(jí)梯級(jí)水電站，既可西電東送，又兼顧金沙江與長(zhǎng)江干流的防洪。當(dāng)時(shí)，長(zhǎng)江委就建議在金沙江的下游段從上到下依次開發(fā)烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。其中先行開發(fā)溪洛渡與向家壩，然后是白鶴灘和烏東德。白鶴灘是梯級(jí)的第二級(jí)。
2006年5月底，在白鶴灘預(yù)可行性研究審查會(huì)上，水利工程專家潘家錚院士感慨：“要知道，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，這個(gè)項(xiàng)目似乎遙不可及，要支持它需要領(lǐng)導(dǎo)的高瞻遠(yuǎn)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(fā)大型水電站的實(shí)力。當(dāng)時(shí)，包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)等核心技術(shù)幾乎都掌握在外國公司手中，但在1996年，這一切開始改變。
當(dāng)年6月24日，中國三峽總公司在人民大會(huì)堂舉行了三峽左岸14臺(tái)機(jī)組的國際招標(biāo)發(fā)布會(huì)，當(dāng)時(shí)，來自日本、俄羅斯、加拿大、法國、德國、挪威、瑞士與阿根廷等國的制造商都盯住了這塊“大蛋糕”。為了拿下它，幾家水電巨頭強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，組成“聯(lián)營體”搶標(biāo)。
長(zhǎng)達(dá)2000頁的招標(biāo)文件上明確規(guī)定：投標(biāo)者對(duì)供貨設(shè)備的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)負(fù)全部責(zé)任，必須與中國有資格的制造企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造，中國制造企業(yè)分包份額不低于合同總價(jià)的25%，左岸14臺(tái)機(jī)組的最后2臺(tái)由我方制造、外商監(jiān)造。技術(shù)受讓方分別是哈電和東電。
在三峽之前的魯布革、清江隔河巖、二灘、五強(qiáng)溪等項(xiàng)目，都是直接進(jìn)口機(jī)組，國內(nèi)企業(yè)只能分包制造一些非核心部件，分包中沒有技術(shù)轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目。但在三峽左岸中，第一次有了實(shí)質(zhì)性的核心技術(shù)轉(zhuǎn)讓。技術(shù)轉(zhuǎn)讓的內(nèi)容由國內(nèi)制造企業(yè)提出清單，實(shí)際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)讓了中國所需的出全部技術(shù)。當(dāng)然，中方也為此“大出血”，機(jī)組采購總共花了7.4億美元，還支付了1635萬美元購買設(shè)計(jì)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(lián)營體中標(biāo)6臺(tái)，和東電合作。法國阿爾斯通和瑞士ABB組成的聯(lián)營體中標(biāo)8臺(tái)，和哈電合作。
哈電集團(tuán)電機(jī)公司副總工程師覃大清對(duì)《中國新聞周刊》回憶，當(dāng)時(shí)，一些水電行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)明確意識(shí)到，中國的水電核心技術(shù)必須打破外國壟斷，否則早晚有一天會(huì)被市場(chǎng)淘汰。他們的這套打法后來被總結(jié)為：引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新。
中國能建葛洲壩機(jī)電公司副總經(jīng)理、總工程師陳強(qiáng)參與了三峽左岸建設(shè)。他對(duì)《中國新聞周刊》回憶，當(dāng)時(shí)讓他印象最深的是，西方企業(yè)不僅在技術(shù)上比中國進(jìn)步很多，在設(shè)計(jì)理念上也非常先進(jìn)。
三峽項(xiàng)目分為左岸、右岸和地下電站共三期建設(shè)。左岸項(xiàng)目結(jié)束后，在右岸建設(shè)中，中國已開始嘗試機(jī)組的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)、制造。右岸共12臺(tái)機(jī)組，哈電、東電與阿爾斯通“三分天下”，這是中國企業(yè)首次在同一項(xiàng)目中和外企同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，而且是獨(dú)立設(shè)計(jì)。在投標(biāo)階段進(jìn)行水輪機(jī)模型同臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，哈電和東電的總體性能雖略遜于阿爾斯通，但在一些單項(xiàng)指標(biāo)上，已經(jīng)開始超越，比如機(jī)組的穩(wěn)定性。
左岸的模型驗(yàn)收時(shí)，中方工程師發(fā)現(xiàn)并命名了一種“特殊壓力脈動(dòng)”的獨(dú)特現(xiàn)象，即在高負(fù)荷的局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)突然增強(qiáng)的情況。外國方也不知其成因，認(rèn)為這是機(jī)組的固有特性，難以避免。
1996年，覃大清剛從日本回國，正好參與了三峽左岸項(xiàng)目。他回憶，當(dāng)時(shí)大家對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)還很粗淺，國內(nèi)剛起步的水電行業(yè)還在主攻效率和空化。但左岸發(fā)現(xiàn)“特殊壓力脈動(dòng)”后，哈電和東電立刻投入對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的研究，并很快調(diào)整思路，轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)也旨在擴(kuò)大機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，同時(shí)兼顧其他性能。后來證明，這個(gè)思路是正確的，也為白鶴灘機(jī)組打下了基礎(chǔ)。
康永林指出，對(duì)百萬機(jī)組而言，和效率相比，更重要的是穩(wěn)定性。“發(fā)100萬的電的確是我們的目標(biāo)，但這個(gè)電的品質(zhì)要高，機(jī)組越穩(wěn)定，輸出的電壓和頻率也更穩(wěn)定。電能品質(zhì)的高低會(huì)影響到科研、工業(yè)等關(guān)乎中國發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。因此，電能質(zhì)量的好與壞是影響一個(gè)國家工業(yè)化實(shí)力的重要指標(biāo)。”他說。
從三峽左岸到右岸，中企在消化吸收外國先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也在跨越式追趕，進(jìn)行再創(chuàng)新。右岸時(shí)，哈電不再采用國外企業(yè)給發(fā)電機(jī)定子線圈通水冷卻的辦法，改為空氣冷卻，徹底消除了原有的漏水問題，使運(yùn)行更加安全。后來在白鶴灘上的技術(shù)審查會(huì)上，由于百萬機(jī)組的負(fù)荷巨大，冷卻是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難關(guān)，專家在技術(shù)審查會(huì)上多次提到，不能用水冷，可靠性太低，必須使用空冷。
趙永智表示，在三峽右岸建設(shè)時(shí)期，和三四年前相比，中國水電的研發(fā)實(shí)力已經(jīng)有了顯著進(jìn)步，但和西方的水電研發(fā)水平相比，在水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率，以及制造、質(zhì)量控制等一系列流程上，仍有一定差距。當(dāng)時(shí)，幾家老牌外國企業(yè)處于第一梯隊(duì)，實(shí)力相當(dāng)。但從左岸到右岸，既是我國自主研發(fā)的起點(diǎn)，也是中國水電騰飛的起點(diǎn)，這個(gè)階段持續(xù)了好幾年，中國水電在此時(shí)期開始積累實(shí)力，蓄勢(shì)待發(fā)。
溪洛渡與向家壩水電站在建設(shè)時(shí)，已進(jìn)入21世紀(jì)的頭十年。和三峽時(shí)相比，此時(shí)中國在機(jī)組核心技術(shù)的研發(fā)能力已經(jīng)追上西方，同處于世界領(lǐng)先水平。接下來，就是烏東德和白鶴灘項(xiàng)目。以穩(wěn)定性指標(biāo)為例，據(jù)趙永智介紹，和三峽右岸時(shí)相比，白鶴灘機(jī)組的壓力脈動(dòng)幅值總體上降低了約30%。
在三峽集團(tuán)機(jī)電技術(shù)中心負(fù)責(zé)人劉潔看來，中國現(xiàn)在的水電技術(shù)，尤其是在混流式水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)上，已經(jīng)超越西方，最好的例證就是白鶴灘的招標(biāo)。當(dāng)時(shí)，哈電、東電和GE(阿爾斯通已被其收購)、福伊特同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，在試驗(yàn)臺(tái)上將各自設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，哈電和東電機(jī)組的性能略勝一籌，因此，最后是兩家中國企業(yè)中標(biāo)。
在溪洛渡、向家壩和烏東德項(xiàng)目中，中標(biāo)方仍有外國企業(yè)的身影，但在白鶴灘上，首次徹底實(shí)現(xiàn)了全國產(chǎn)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(yùn)的70萬千瓦以上機(jī)組有127臺(tái)，其中中國有104臺(tái)。
對(duì)于白鶴灘水電站100萬千瓦的單機(jī)容量，最初有一些猶豫和爭(zhēng)議。中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院白鶴灘項(xiàng)目副經(jīng)理何明杰對(duì)《中國新聞周刊》回憶，設(shè)計(jì)院一直在比較90萬千瓦、95萬千瓦和100萬千瓦三種方案，召開了多次專題會(huì)討論。在2006年可研階段的一次討論會(huì)上，有專家提出疑問，我國雖然在大型機(jī)組上已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但要想實(shí)現(xiàn)100萬千瓦，有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要突破原有的極限。
覃大清舉例說，首先，白鶴灘之前的發(fā)電機(jī)電壓最高也只有20千伏，如三峽電站，但白鶴灘要求額定電壓是24千伏，電壓升高以后，就給高壓絕緣系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。其次是冷卻問題，因?yàn)榘偃f機(jī)組負(fù)荷過大，對(duì)冷卻的要求極高，我國原本擅長(zhǎng)的空冷技術(shù)需要進(jìn)一步升級(jí)。一開始，專家們擔(dān)心直接進(jìn)入“百萬時(shí)代”風(fēng)險(xiǎn)太大，主張留出2臺(tái)100萬機(jī)組做技術(shù)試驗(yàn)，其余機(jī)組仍采用技術(shù)成熟的80萬。但后來，這些技術(shù)障礙先后被攻克。
到了2011年4月，在一次重要的研討會(huì)上，大部分專家基本同意全部采用100萬千瓦。時(shí)任三峽集團(tuán)三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司黨委副書記兼總經(jīng)理胡偉明在會(huì)上明確指出，百萬機(jī)組在科研上已經(jīng)論證充分，技術(shù)上不存在大問題。
2011年10月27日～29日，白鶴灘單機(jī)容量審查會(huì)一共持續(xù)了三天，最終，“百萬方案”被正式通過，與會(huì)專家一致認(rèn)為，100萬千瓦有難度、有挑戰(zhàn)，但是可以實(shí)現(xiàn)。
百萬機(jī)組背后的中國制造
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。前一天剛下過雨，水氣混合著因湍急猛浪而翻卷上來的水霧，讓纜機(jī)仿佛在云層中穿行。七臺(tái)纜機(jī)使用七種顏色，這是世界上最大的纜機(jī)群，白鶴灘人稱它們?yōu)?ldquo;七仙女”。
此前，“七仙女”已經(jīng)將803萬方混凝土、約12.6萬噸材料和設(shè)備吊裝入壩體，歷經(jīng)50多個(gè)月，最終建成了300米級(jí)特高混凝土雙曲拱壩。拱壩289米，相當(dāng)于100層樓高，為世界第三，壩頂高程834米，如果大壩的泄洪孔全開，奔涌而過的江水6分鐘即可灌滿整個(gè)杭州西湖。
5月31日，在將最后一罐混凝土落入16號(hào)壩段倉面后，白鶴灘大壩全線澆筑到頂。目前，壩身主體土建工程基本完成。壩頂仍有工人的身影在水霧中若隱若現(xiàn)，他們正在進(jìn)行最后的壩頂裝修。世界壩工界有“無壩不裂”的說法，但白鶴灘項(xiàng)目自2017年4月開始澆筑以來，整個(gè)大壩未產(chǎn)生一條溫度裂縫。
中國三峽建工(集團(tuán))有限公司白鶴灘工程建設(shè)部技術(shù)管理部副主任周孟夏對(duì)《中國新聞周刊》解釋說，混凝土的主要組分是水泥，將它澆筑到倉面后，水泥會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，放出大量熱量，溫度先上升再下降，熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致變形，倉面體積越大、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，熱脹冷縮積累的變形就越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂縫。因此對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，溫控防裂是關(guān)鍵，也是世界級(jí)難題。
歐美和前蘇聯(lián)在建設(shè)200米級(jí)高壩時(shí)都發(fā)生過嚴(yán)重開裂事故，損失巨大。如1977年建成的奧地利柯恩布萊因壩，在1978年發(fā)現(xiàn)大裂縫，排水孔漏水量達(dá)200升/秒，經(jīng)過幾次較大規(guī)模的加固后，被迫在老壩下游新修建了一座拱壩支撐。
中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院白鶴灘項(xiàng)目副經(jīng)理何明杰分析說，白鶴灘和三峽大壩不同，三峽是重力壩，體積大，內(nèi)部應(yīng)力小，所以使用的混凝土強(qiáng)度也相對(duì)低;但白鶴灘是拱壩，其支撐主要是靠把荷載傳遞到兩側(cè)壩肩，如果施工時(shí)就出現(xiàn)裂縫，后期擋水后，內(nèi)部應(yīng)力會(huì)繼續(xù)升高，裂縫會(huì)進(jìn)一步蔓延，發(fā)展成貫通性大裂縫?？露鞑既R因壩就是如此。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要求抗裂安全系數(shù)最低必須達(dá)到1.8，最好提高到2.0，而一般大壩的安全系數(shù)為1.3～1.8。在如此嚴(yán)苛的限制下，原有的水泥已不能滿足要求。
周孟夏指出，溫控可以分解為兩個(gè)核心問題，一是控制水化反應(yīng)升溫后的最高溫度;二是讓整個(gè)降溫過程更加可控，在這個(gè)環(huán)節(jié)，需要輔助智能通水系統(tǒng)。
在白鶴灘之前，大壩主要采用的是中熱水泥，但低熱水泥會(huì)讓水化后的升溫降低3～5℃，可以滿足白鶴灘更高的設(shè)計(jì)要求，整個(gè)壩體在施工時(shí)最高溫度低于27℃，在岸坡等強(qiáng)約束范圍，也就是最容易產(chǎn)生裂縫的地方，不能超過25℃。
低熱水泥最早被用于美國1936年修建的胡佛大壩上，但由于早期強(qiáng)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(jīng)積累了十多年的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)。專家經(jīng)評(píng)估認(rèn)為，大范圍推廣低熱水泥的條件已經(jīng)成熟，因此決定在烏東德和白鶴灘項(xiàng)目上全壩使用。
“混凝土比人還要嬌貴。”周孟夏這樣形容。在拌合樓里，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(yùn)出的混凝土溫度也不能超過7℃，然后要在四小時(shí)內(nèi)運(yùn)到倉面，澆筑時(shí)溫度不能超過12℃。倉內(nèi)的混凝土很快會(huì)開始升溫，此時(shí)，需要通過調(diào)節(jié)通水的時(shí)間、流量來控制整個(gè)升降溫過程。
以前，大壩中的通水系統(tǒng)靠人工操控，工人每4小時(shí)就要到倉內(nèi)用溫度計(jì)測(cè)溫。在白鶴灘，6000多支溫度傳感器、8萬米長(zhǎng)的測(cè)溫光纖構(gòu)建出的點(diǎn)、線溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)被傳回系統(tǒng)后，后臺(tái)算法會(huì)結(jié)合大數(shù)據(jù)自動(dòng)算出需要通多少水，繼而將命令實(shí)時(shí)發(fā)送到控制柜，自動(dòng)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)過程都不需要人工干預(yù)，工程師在后臺(tái)只需要按時(shí)檢查系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)異常后再判斷是否出現(xiàn)故障。
周孟夏表示，智能溫控不是新生事物，但從溪洛渡到白鶴灘，代表從自動(dòng)控制變成了智能控制，這是水電行業(yè)智能化趨勢(shì)的一大步，其基礎(chǔ)是5G通訊網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)近幾年的快速迭代。
溫控不只關(guān)注一個(gè)倉面，300米級(jí)拱壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，31個(gè)壩段澆筑的順序不同，溫度之間形成梯度，溫控時(shí)，必須要把拱壩作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體系來管理，保證大壩協(xié)調(diào)冷卻，其內(nèi)部應(yīng)力的變化也在可控范圍內(nèi)。
這是白鶴灘技術(shù)創(chuàng)新之外留下的更重要資產(chǎn)——工程建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)。
中國能建葛洲壩機(jī)電公司(簡(jiǎn)稱葛機(jī)電)負(fù)責(zé)白鶴灘右岸機(jī)組的安裝和調(diào)試。葛機(jī)電副總經(jīng)理陳強(qiáng)告訴《中國新聞周刊》，百萬機(jī)組對(duì)安裝精度的要求更高，葛機(jī)電想了很多辦法改進(jìn)工藝。比如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架焊接時(shí)，如何在機(jī)組“放大”后，避免變形帶來的破壞。解決這些問題，需要觀念上的革新。“在白鶴灘上積累的工藝經(jīng)驗(yàn)，今后有很好的推廣價(jià)值。”陳強(qiáng)說。
實(shí)際上，受水利資源條件所限，百萬機(jī)組不僅前無古人，而且還可能后無來者?？涤懒种赋?，水電站建設(shè)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。在百萬機(jī)組研發(fā)、落地過程中，從材料、焊接、安裝工藝，到整體的流程優(yōu)化、工程管理，都得到了全方位提升，帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)步。因此，白鶴灘工程的建成，影響不僅在水電行業(yè)，而且輻射到整個(gè)中國制造。
據(jù)了解，全球在建和投運(yùn)的70萬千瓦以上機(jī)組有127臺(tái)，其中104臺(tái)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(jī)組單機(jī)容量還是70萬千瓦量級(jí)。綜合來看，中國有合適的條件和需求，未來一段時(shí)間，巨型水電站建設(shè)仍有較大的潛力和空間。
專家指出，水電項(xiàng)目未來的方向不再是追求單機(jī)容量，而是進(jìn)一步拓寬機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。“只有這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)水電在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的適應(yīng)性變革。”覃大清說，在向雙碳目標(biāo)邁進(jìn)的過程中，需要水電更好地發(fā)揮調(diào)能作用，白鶴灘這種輸出穩(wěn)定的傳統(tǒng)水電站無疑是重要的解決之道。
評(píng)論