在建規模全球第一、單機容量世界第一、裝機規模全球第二……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百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機組高速轉動(dòng)，首批機組正式投產(chǎn)發(fā)電。
白鶴灘水電站是國家能源戰略布局“西電東送”的骨干電源點(diǎn)，是長(cháng)江防洪體系的重要組成部分。在工程施工建設中，工程人員們攻克多項世界級難題，創(chuàng )造了多項紀錄。與此同時(shí)，全球單機容量最大功率百萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機組，實(shí)現了我國高端裝備制造的重大突破。這標志著(zhù)我國大型水電工程建設完成從“中國制造”到“中國創(chuàng )造”的歷史性跨越。
在建規模世界最大 300米級大壩無(wú)一毫米級溫度裂縫
從1991年開(kāi)始白鶴灘梯級電站建設的前期研究，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(xiàn)澆筑到頂，經(jīng)歷三十載艱辛磨礪，白鶴灘水電站終于迎來(lái)首批機組投產(chǎn)發(fā)電。
作為世界上目前在建規模最大的水電工程，白鶴灘水電站是金沙江下游四個(gè)水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的第二個(gè)梯級，在建設中創(chuàng )造了多項世界紀錄：地下洞室總長(cháng)217公里，地下洞室群規模世界第一；攔河拱壩高289米，相當于100層樓高，為世界第三；最大泄洪量達到每秒42348立方米，6分鐘即可灌滿(mǎn)整個(gè)西湖，樞紐泄洪功率世界第三。
據三峽集團董事長(cháng)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水電站，發(fā)電廠(chǎng)房建在哪？如何讓每臺高50米、重量超8000噸的水輪發(fā)電機組安臥其中？對此，三峽集團白鶴灘工程建設部主任汪志林介紹，水電站的引水發(fā)電系統設備被安置在兩側山體專(zhuān)門(mén)開(kāi)挖的地下洞室中，地下洞室開(kāi)挖量達2500萬(wàn)立方米，“足夠填滿(mǎn)2個(gè)西湖”。
與此同時(shí)，左右岸的引水發(fā)電系統共布置了超過(guò)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，從而構成一個(gè)龐大的地下洞室群。而左右兩岸的地下廠(chǎng)房長(cháng)達438米，高度近90米，相當于30層樓高，跨度34米，也是世界之最。這里，正是16臺百萬(wàn)千瓦機組的“棲息之地”。
施工建設中，工程人員還攻克了300米級特高拱壩溫控防裂的世界級難題。
“白鶴灘水電大壩最大壩高289米，整體計劃澆筑低熱混凝土803萬(wàn)立方米，規模巨大?！比龒{集團白鶴灘工程建設部黨委書(shū)記何煒說(shuō)，大體積混凝土的溫控防裂一直是工程界的難題?；炷林械乃嗨磻獣?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(méi)有一條毫米級的溫度裂縫。何煒介紹，這一方面得益于“北斗”系統的助力，另一方面得益于自主研發(fā)的低熱水泥。為實(shí)現“無(wú)縫”目標，工程人員利用北斗導航系統實(shí)現對澆筑階段的實(shí)時(shí)監控、全面感知。而為從源頭上解決溫度裂縫問(wèn)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 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)現智能建造，是三峽集團白鶴灘工程建設部工程師劉春風(fēng)一直關(guān)注的重點(diǎn)。得益于長(cháng)期的水電工程建設經(jīng)驗，在白鶴灘水電站建設過(guò)程中，智能建造系統給每一倉混凝土原材料配上“身份證”，實(shí)現智能配比和可追溯。
如今，盯著(zhù)系統，輕點(diǎn)鼠標，大壩施工全過(guò)程數據、科研成果等模塊便依次展開(kāi)。劉春風(fēng)介紹，系統實(shí)現了全天候不間斷，迅速回應著(zhù)動(dòng)態(tài)監督、評價(jià)預警、終端推送等多方需求，保證最客觀(guān)、最直接的數據助力現場(chǎng)科學(xué)決策。
在安全穩定的地下洞室開(kāi)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)?！暗叵聫S(chǎng)房橋機最大起重量達1300噸，牽引轉子轉輪吊裝時(shí)，需要巖壁梁來(lái)承擔這樣巨大的荷載?！蓖糁玖终f(shuō)，如果巖壁梁混凝土澆筑不密實(shí)不緊固，后果難以想象。
為了戰勝挑戰，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、結構布置等方面的精益求精?！氨热缒０宓倪x擇，常規的鋼模板可以重復利用，可一旦模板變形，便會(huì )導致澆出的混凝土坑坑洼洼?！睘榇?，建設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(lái)勢兇猛的強降雨匯入金沙江后，洪水向大壩奔涌而來(lái)。最大泄洪量每秒42348立方米，下泄落差高達190米，9萬(wàn)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(wèn)題，負責設計的華東勘測設計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(guò)對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。針對壩身泄洪消能，工程師們在綜合分析下游河床承受能力、壩身孔口布置方式、壩身開(kāi)孔對壩體結構影響等因素的基礎上，通過(guò)大量水工模型試驗驗證，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、運行可靠性高，有效解決了超大泄洪規模不對稱(chēng)拱壩壩身泄洪消能的技術(shù)難題。
“零配重”百萬(wàn)千瓦機組 助力碳達峰碳中和
據了解，白鶴灘水電站裝機總容量1600萬(wàn)千瓦，左右兩岸分別安裝8臺100萬(wàn)千瓦水電機組。6月28日，首批2臺機組投產(chǎn)發(fā)電。
據研制發(fā)電機組的東方電機有限公司相關(guān)負責人介紹，白鶴灘水電站單機容量為百萬(wàn)千瓦，是世界上單機容量最大的水電機組。水輪機最優(yōu)效率達到96.7%，發(fā)電機額定效率超過(guò)99%，是世界效率指標最高的水輪發(fā)電機組。
同時(shí)，機組定子繞組溫升不超過(guò)63K，轉子繞組溫升不超過(guò)58K，為水電行業(yè)最嚴格的溫升控制水平；額定電壓24千伏，為水電行業(yè)最高電壓等級。
發(fā)電機組核心部件實(shí)現了智能制造。東方電機有限公司工藝部相關(guān)負責人鄒應冬介紹，白鶴灘發(fā)電機核心部件定子線(xiàn)棒、轉子線(xiàn)圈、定子沖片的生產(chǎn)制造，采用了數字化車(chē)間生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大幅提高，運營(yíng)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，此次運行機組轉動(dòng)部件由上萬(wàn)個(gè)零部件構成，重達2600噸，但在總裝后卻實(shí)現了“零配重”，成為全球首個(gè)巨型水輪發(fā)電機組不需試運行配重即滿(mǎn)足精品指標的案例，也是水電史上首個(gè)“零配重”機組。
東方電機白鶴灘項目部現場(chǎng)負責人冷建華介紹，百萬(wàn)千瓦機組由轉輪、轉子、主軸等組成，上萬(wàn)個(gè)零部件組裝?！斑@些零部件如果不是一個(gè)機床生產(chǎn)的，可能都會(huì )出現細微的重量差別，那么轉起來(lái)就會(huì )出現力矩不平衡偏差，需要‘配重’之后才能進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節?！崩浣ㄈA說(shuō)，但白鶴灘百萬(wàn)千瓦機組實(shí)現了“零配重”，幾乎沒(méi)有力矩不平衡，說(shuō)明在研發(fā)設計、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)電機組零部件已全部實(shí)現國產(chǎn)化。據介紹，東方電機充分總結以往經(jīng)驗，形成了包括機組總體設計、轉輪研發(fā)、核心部件制造、磁極繞組空內冷技術(shù)、低損耗軸承技術(shù)、24千伏絕緣系統、平衡受力新型轉子支架開(kāi)發(fā)等一系列自主知識產(chǎn)權和核心技術(shù)。
“水電站完全建成后，年均發(fā)電量約624億千瓦時(shí)，每年可節約標準煤1968萬(wàn)噸，減排二氧化碳5160萬(wàn)噸?！蓖糁玖终f(shuō)，這對于我國按期實(shí)現2030年碳達峰、2060年碳中和目標將發(fā)揮重要作用。