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白鶴灘投產發電!建成世界唯一百萬千瓦機組水電站有
添加時間:2021-07-05 來源:珠海浩陽科技

      珠海浩陽科技獲悉: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!


  金沙江兩側的高山深谷地下,左、右岸廠房的機組人員按下了啟動按鈕,左岸的1號機、右岸的14號機正式投產發電,其他后續機組將陸續投產,預計全部機組將于明年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,僅次于三峽,是世界第二大水電站。白鶴灘水電站共有16臺機組,左、右岸各8臺。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。


  “幾乎每一滴水都為我所用”


  一開始,只有微弱的聲響從遙遠的地下傳來,當達到額定轉速后,腳下的地開始輕微的震動,轉速繼續加大,115,130……地面的震動感也越來越強,與此同時,機組運轉產生的轟鳴聲漸漸充滿整個空間,并不刺耳,但仿佛和腳下的震動形成某種奇特的“場”。


  面向下游,北岸為左,南岸為右。6月9日晚8點左右,在白鶴灘水電站左岸的地下廠房里,3號機組正在進行過速試驗!斑^速”,即檢驗機組是否能承受得起極端情況下的運行。根據設計,3號機組的額定轉速是111.1 r/min,但過速測試要把機組手動升速至額定轉速的151%。


  東方電氣集團東方電機有限公司(簡稱東電)總經理助理趙永智這天照例出現在現場。東電負責左岸機組的研發,而他是這個研發團隊的負責人。這一次,他比前兩次要平靜一些。作為一個老機電,中國水電史上的幾個重大項目趙永智都沒有缺席,從三峽到溪洛渡,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,他仍然感受到巨大的壓力!耙驗檫@個機組太大了,不容半點差錯!彼f。


  百萬千瓦機組,是世界水電的“無人區”。三峽工程雖然總裝機量世界第一,但單機容量只有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現了85萬千瓦,它與白鶴灘屬同期項目,已于今年6月16日先行投入運行。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?


  水電站的關鍵在于能量轉化。想象一下,當金沙江上游的滾滾江水持續不斷地通過壓力鋼管涌入水輪機,形成巨大的漩渦,帶動水輪機轉輪高速旋轉,水的勢能于是被轉換成旋轉的機械能,這是機組發電最關鍵的一步。接下來,轉輪帶動水輪機上面的發電機轉子高速旋轉,從而將機械能轉化為電能。而百萬機組意味著,單個機組滿負荷運轉時,每小時最多可以發100萬千瓦的電。以東電所在的四川省德陽市為例,一臺百萬機組全力發電365天,可滿足德陽全市一整年的用電需求。


  趙永智解釋說,機組“變大”后,研發設計的難度系數指數倍增加,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,水輪機設計居于首位。一個水輪機的研發,首先要從已有的模型庫中選取一個最接近白鶴灘水力條件的初始模型,通過大量的仿真計算不斷優化,再將計算機里的仿真模型按比例微縮制造出來,拿到試驗臺上進行模擬運行。試驗臺將會模擬出白鶴灘水電站全年的真實水力情況,在無限接近真機運行環境的條件下,來檢測水輪機的各項性能指標是否滿足要求。


  轉輪是水輪機的最核心部件,也是機組中研發難度最大、制造難題最多的關鍵部件之一。水力模型研發的創新性就體現在對轉輪的優化上,其葉片的設計直接決定著水輪機的過流能力、水力效率、空蝕性能及整個機組的運行穩定性。因此,在優化時,葉片的長短、葉形的幾何參數、葉片如何扭曲、沖角是多大、葉片的粗糙度等都需要研究。


  衡量水輪機的性能好壞有三個重要參數,一是能量轉化效率,也就是水的勢能轉化成機械能的效率;二是穩定性;三是是空化系數。


  當水帶動水輪機做功時,在局部水流中會突然短暫地產生氣泡,并很快潰滅,這個過程就是空化。發生空化時,產生氣泡的地方壓力低,周邊的水壓力高,于是它們會高速射向氣泡潰滅的位點。如果設計得不夠好,柔軟的水會化作最尖利的“矛”,只消半年左右的時間,就可以把一個鋼化葉片表面打得坑坑洼洼,進而影響整個機組的壽命,嚴重時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組穩定性的一個重要原因。


  東電先后研發了20多個水輪機模型,每個模型都經過計算、制造成微縮模型,在試驗臺上經歷白鶴灘的春秋冬夏,發現不行,再推倒重來。每個模型的投入約20多萬元。


  最后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%,也就是說,在整個水輪機運行過程中能量轉換最充分的那一點上,其勢能96.7%都轉換成了機械能。而加權平均效率,即水輪機一年四季運轉下來的綜合效率,達到95.92%!拔覀冊谒娚峡梢哉f做到了極致,幾乎每一滴水都為我所用!壁w永智說。


  三峽建工(集團)有限公司白鶴灘工程建設部機電項目部主任康永林對《中國新聞周刊》表示,水輪機效率的提升,越接近100%,每提升一個小數點都非常困難,中國在這方面的性能優化上已經達到了世界領先水平。


  在穩定性上,左岸機組運行擺度已經進入“五道時代”(1 道=0.01 毫米)。試想一個重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,但整個機組的擺動幅度卻比一根頭發絲的直徑還要小。1號機組并網后,整個機組擺度的最大值只有0.05毫米,即“五道”。每個水頭下,從空載到最大保證負荷范圍內,都實現了無空化運行。


  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)副總經理陶星明對《中國新聞周刊》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范圍較窄,由于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、機組壽命縮短等后果。


  歷史上有很多因為振動而產生重大安全事故的例子,最典型的是俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站事故。2009年8月17日,該電站水輪機頂蓋軸承的振動振幅超過了允許值的4倍,造成頂蓋螺栓斷裂,并瞬間爆發出來。渦輪連同發電機轉子被強大的能量彈射出運轉位置,近200米高程的水壓從機組殘破漏洞中噴射而出,瞬間摧毀了整個發電廠廠房,造成75人死亡。


  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。哈電負責右岸機組研發,為了提高水輪機的穩定性,哈電在右岸采用了長短葉片的創意。常規的轉輪都是15個葉片,但哈電的轉輪結構由15個長葉片,15個短葉片組成,一共是30個葉片。


  陶星明指出,和常規葉片相比,長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,最高效率達到了96.7%,加權平均率是96.16%。此外,葉片進口適應來流的能力增強,經過轉輪的水流更平穩,轉輪出口流速分布更合理,水輪機穩定性會更好。葉片數的增多,也降低了無葉區(導葉出口和轉輪進口之間的區域)的壓力脈動幅值。


  百萬機組的難度系數成倍增加,指的是其綜合技術難度系數,單機容量僅僅是一個最直觀的指標,在它的背后,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。


  從三峽到白鶴灘 技術的突破并非一蹴而就


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


  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劃,認為金沙江水急坎陡,江勢驚險,河床陡峻,流水侵蝕力強,有很大的水電開發潛力,可以開發成18級梯級水電站,既可西電東送,又兼顧金沙江與長江干流的防洪。當時,長江委就建議在金沙江的下游段從上到下依次開發烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。其中先行開發溪洛渡與向家壩,然后是白鶴灘和烏東德。白鶴灘是梯級的第二級。


  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!痹谂思义P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。當時,包括水輪機、發電機設計等核心技術幾乎都掌握在外國公司手中,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臺機組的國際招標發布會,當時,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,幾家水電巨頭強強聯合,組成“聯營體”搶標。


  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制造企業聯合設計、合作制造,中國制造企業分包份額不低于合同總價的25%,左岸14臺機組的最后2臺由我方制造、外商監造。技術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、五強溪等項目,都是直接進口機組,國內企業只能分包制造一些非核心部件,分包中沒有技術轉讓項目。但在三峽左岸中,第一次有了實質性的核心技術轉讓。技術轉讓的內容由國內制造企業提出清單,實際上相當于轉讓了中國所需的出全部技術。當然,中方也為此“大出血”,機組采購總共花了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臺,和東電合作。法國阿爾斯通和瑞士ABB組成的聯營體中標8臺,和哈電合作。


  哈電集團電機公司副總工程師覃大清對《中國新聞周刊》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。他們的這套打法后來被總結為:引進、消化吸收、再創新。


  中國能建葛洲壩機電公司副總經理、總工程師陳強參與了三峽左岸建設。他對《中國新聞周刊》回憶,當時讓他印象最深的是,西方企業不僅在技術上比中國進步很多,在設計理念上也非常先進。


  三峽項目分為左岸、右岸和地下電站共三期建設。左岸項目結束后,在右岸建設中,中國已開始嘗試機組的國產化設計、制造。右岸共12臺機組,哈電、東電與阿爾斯通“三分天下”,這是中國企業首次在同一項目中和外企同臺競爭,而且是獨立設計。在投標階段進行水輪機模型同臺試驗時,哈電和東電的總體性能雖略遜于阿爾斯通,但在一些單項指標上,已經開始超越,比如機組的穩定性。


  左岸的模型驗收時,中方工程師發現并命名了一種“特殊壓力脈動”的獨特現象,即在高負荷的局部區域會出現壓力脈動突然增強的情況。外國方也不知其成因,認為這是機組的固有特性,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目。他回憶,當時大家對機組穩定性的認識還很粗淺,國內剛起步的水電行業還在主攻效率和空化。但左岸發現“特殊壓力脈動”后,哈電和東電立刻投入對機組穩定性的研究,并很快調整思路,轉輪的設計也旨在擴大機組的穩定運行范圍,同時兼顧其他性能。后來證明,這個思路是正確的,也為白鶴灘機組打下了基礎。


  康永林指出,對百萬機組而言,和效率相比,更重要的是穩定性!鞍l100萬的電的確是我們的目標,但這個電的品質要高,機組越穩定,輸出的電壓和頻率也更穩定。電能品質的高低會影響到科研、工業等關乎中國發展的關鍵領域。因此,電能質量的好與壞是影響一個國家工業化實力的重要指標!彼f。


  從三峽左岸到右岸,中企在消化吸收外國先進技術的同時,也在跨越式追趕,進行再創新。右岸時,哈電不再采用國外企業給發電機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,使運行更加安全。后來在白鶴灘上的技術審查會上,由于百萬機組的負荷巨大,冷卻是一個關鍵的技術難關,專家在技術審查會上多次提到,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,在水輪機和發電機的能量轉化效率,以及制造、質量控制等一系列流程上,仍有一定差距。當時,幾家老牌外國企業處于第一梯隊,實力相當。但從左岸到右岸,既是我國自主研發的起點,也是中國水電騰飛的起點,這個階段持續了好幾年,中國水電在此時期開始積累實力,蓄勢待發。


  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,同處于世界領先水平。接下來,就是烏東德和白鶴灘項目。以穩定性指標為例,據趙永智介紹,和三峽右岸時相比,白鶴灘機組的壓力脈動幅值總體上降低了約30%。


  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。當時,哈電、東電和GE(阿爾斯通已被其收購)、福伊特同臺競爭,在試驗臺上將各自設計的模型進行數據比對,哈電和東電機組的性能略勝一籌,因此,最后是兩家中國企業中標。


  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臺,其中中國有104臺。


  對于白鶴灘水電站100萬千瓦的單機容量,最初有一些猶豫和爭議。中國電建集團華東勘測設計研究院白鶴灘項目副經理何明杰對《中國新聞周刊》回憶,設計院一直在比較90萬千瓦、95萬千瓦和100萬千瓦三種方案,召開了多次專題會討論。在2006年可研階段的一次討論會上,有專家提出疑問,我國雖然在大型機組上已經積累了一定的經驗,但要想實現100萬千瓦,有幾個關鍵技術需要突破原有的極限。


  覃大清舉例說,首先,白鶴灘之前的發電機電壓最高也只有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,就給高壓絕緣系統帶來了巨大挑戰。其次是冷卻問題,因為百萬機組負荷過大,對冷卻的要求極高,我國原本擅長的空冷技術需要進一步升級。一開始,專家們擔心直接進入“百萬時代”風險太大,主張留出2臺100萬機組做技術試驗,其余機組仍采用技術成熟的80萬。但后來,這些技術障礙先后被攻克。


  到了2011年4月,在一次重要的研討會上,大部分專家基本同意全部采用100萬千瓦。時任三峽集團三峽機電工程技術有限公司黨委副書記兼總經理胡偉明在會上明確指出,百萬機組在科研上已經論證充分,技術上不存在大問題。


  2011年10月27日~29日,白鶴灘單機容量審查會一共持續了三天,最終,“百萬方案”被正式通過,與會專家一致認為,100萬千瓦有難度、有挑戰,但是可以實現。


  百萬機組背后的中國制造


  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,讓纜機仿佛在云層中穿行。七臺纜機使用七種顏色,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分鐘即可灌滿整個杭州西湖。


  5月31日,在將最后一罐混凝土落入16號壩段倉面后,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,他們正在進行最后的壩頂裝修。世界壩工界有“無壩不裂”的說法,但白鶴灘項目自2017年4月開始澆筑以來,整個大壩未產生一條溫度裂縫。


  中國三峽建工(集團)有限公司白鶴灘工程建設部技術管理部副主任周孟夏對《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,水泥會發生水化反應,放出大量熱量,溫度先上升再下降,熱脹冷縮會導致變形,倉面體積越大、結構越復雜,熱脹冷縮積累的變形就越大,嚴重時會造成裂縫。因此對大體積混凝土結構而言,溫控防裂是關鍵,也是世界級難題。


  歐美和前蘇聯在建設200米級高壩時都發生過嚴重開裂事故,損失巨大。如1977年建成的奧地利柯恩布萊因壩,在1978年發現大裂縫,排水孔漏水量達200升/秒,經過幾次較大規模的加固后,被迫在老壩下游新修建了一座拱壩支撐。


  中國電建集團華東勘測設計研究院白鶴灘項目副經理何明杰分析說,白鶴灘和三峽大壩不同,三峽是重力壩,體積大,內部應力小,所以使用的混凝土強度也相對低;但白鶴灘是拱壩,其支撐主要是靠把荷載傳遞到兩側壩肩,如果施工時就出現裂縫,后期擋水后,內部應力會繼續升高,裂縫會進一步蔓延,發展成貫通性大裂縫?露鞑既R因壩就是如此。因此在設計時,要求抗裂安全系數最低必須達到1.8,最好提高到2.0,而一般大壩的安全系數為1.3~1.8。在如此嚴苛的限制下,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核心問題,一是控制水化反應升溫后的最高溫度;二是讓整個降溫過程更加可控,在這個環節,需要輔助智能通水系統。


  在白鶴灘之前,大壩主要采用的是中熱水泥,但低熱水泥會讓水化后的升溫降低3~5℃,可以滿足白鶴灘更高的設計要求,整個壩體在施工時最高溫度低于27℃,在岸坡等強約束范圍,也就是最容易產生裂縫的地方,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。專家經評估認為,大范圍推廣低熱水泥的條件已經成熟,因此決定在烏東德和白鶴灘項目上全壩使用。


  “混凝土比人還要嬌貴!敝苊舷倪@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,從拌合樓運出的混凝土溫度也不能超過7℃,然后要在四小時內運到倉面,澆筑時溫度不能超過12℃。倉內的混凝土很快會開始升溫,此時,需要通過調節通水的時間、流量來控制整個升降溫過程。


  以前,大壩中的通水系統靠人工操控,工人每4小時就要到倉內用溫度計測溫。在白鶴灘,6000多支溫度傳感器、8萬米長的測溫光纖構建出的點、線溫度場數據被傳回系統后,后臺算法會結合大數據自動算出需要通多少水,繼而將命令實時發送到控制柜,自動對流量進行調整,整個過程都不需要人工干預,工程師在后臺只需要按時檢查系統,發現異常后再判斷是否出現故障。


  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、云計算等技術近幾年的快速迭代。


  溫控不只關注一個倉面,300米級拱壩結構復雜,31個壩段澆筑的順序不同,溫度之間形成梯度,溫控時,必須要把拱壩作為一個整體結構體系來管理,保證大壩協調冷卻,其內部應力的變化也在可控范圍內。


  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。


  中國能建葛洲壩機電公司(簡稱葛機電)負責白鶴灘右岸機組的安裝和調試。葛機電副總經理陳強告訴《中國新聞周刊》,百萬機組對安裝精度的要求更高,葛機電想了很多辦法改進工藝。比如發電機轉子支架焊接時,如何在機組“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!霸诎Q灘上積累的工藝經驗,今后有很好的推廣價值!标悘娬f。


  實際上,受水利資源條件所限,百萬機組不僅前無古人,而且還可能后無來者?涤懒种赋,水電站建設是一個龐大的系統工程。在百萬機組研發、落地過程中,從材料、焊接、安裝工藝,到整體的流程優化、工程管理,都得到了全方位提升,帶動了整個產業鏈的進步。因此,白鶴灘工程的建成,影響不僅在水電行業,而且輻射到整個中國制造。


  據了解,全球在建和投運的70萬千瓦以上機組有127臺,其中104臺在中國。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范圍!爸挥羞@樣才能更好地實現水電在能源結構調整中的適應性變革!瘪笄逭f,在向雙碳目標邁進的過程中,需要水電更好地發揮調能作用,白鶴灘這種輸出穩定的傳統水電站無疑是重要的解決之道。


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