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白鹤滩投产发电!建成世界唯一百万千瓦机组水电站有多难

2021-06-28 13:15:42 中国新闻周刊微信号

  白鹤滩投产发电!建成世界唯一百万千瓦机组水电站有多难

  白鹤滩水电站。摄影/本刊记者 霍思伊

  本刊记者/霍思伊

  6月28日上午9点36分,白鹤滩水电站首批机组正式投产发电!

  金沙江两侧的高山深谷地下,左、右岸厂房的机组人员按下了启动按钮,左岸的1号机、右岸的14号机正式投产发电,其他后续机组将陆续投产,预计全部机组将于明年7月投产,届时一天的发电量可满足50万人一年的生活用电,未来将成为中国“西电东送”的主力。

  白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处,是金沙江下游梯级电站的第二级,由三峡集团开发建设和管理。电站总装机容量为1600万千瓦,仅次于三峡,是世界第二大水电站。白鹤滩水电站共有16台机组,左、右岸各8台。单机容量达100万千瓦,居世界第一,是世界上仅有的百万千瓦水轮发电机组。

  “几乎每一滴水都为我所用”

  一开始,只有微弱的声响从遥远的地下传来,当达到额定转速后,脚下的地开始轻微的震动,转速继续加大,115,130……地面的震动感也越来越强,与此同时,机组运转产生的轰鸣声渐渐充满整个空间,并不刺耳,但仿佛和脚下的震动形成某种奇特的“场”。

  面向下游,北岸为左,南岸为右。6月9日晚8点左右,在白鹤滩水电站左岸的地下厂房里,3号机组正在进行过速试验。“过速”,即检验机组是否能承受得起极端情况下的运行。根据设计,3号机组的额定转速是111.1 r/min,但过速测试要把机组手动升速至额定转速的151%。

  东方电气集团东方电机有限公司(简称东电)总经理助理赵永智这天照例出现在现场。东电负责左岸机组的研发,而他是这个研发团队的负责人。这一次,他比前两次要平静一些。作为一个老机电,中国水电史上的几个重大项目赵永智都没有缺席,从三峡到溪洛渡,他经历过无数次机组运行前的调试,但在调试白鹤滩左岸的1号、2号机组时,他仍然感受到巨大的压力。“因为这个机组太大了,不容半点差错。”他说。

  百万千瓦机组,是世界水电的“无人区”。三峡工程虽然总装机量世界第一,但单机容量只有70万千瓦,金沙江下游的溪洛渡和向家坝水电站的单机容量分别是77万千瓦和80万千瓦,下游另一座水电站乌东德则实现了85万千瓦,它与白鹤滩属同期项目,已于今年6月16日先行投入运行。因此在白鹤滩水电站进行可行性研究时,摆在工程师们面前的挑战是:从80万千瓦直接过渡到100万千瓦,在技术上是否有可能实现?

  水电站的关键在于能量转化。想象一下,当金沙江上游的滚滚江水持续不断地通过压力钢管涌入水轮机,形成巨大的漩涡,带动水轮机转轮高速旋转,水的势能于是被转换成旋转的机械能,这是机组发电最关键的一步。接下来,转轮带动水轮机上面的发电机转子高速旋转,从而将机械能转化为电能。而百万机组意味着,单个机组满负荷运转时,每小时最多可以发100万千瓦的电。以东电所在的四川省德阳市为例,一台百万机组全力发电365天,可满足德阳全市一整年的用电需求。

  赵永智解释说,机组“变大”后,研发设计的难度系数指数倍增加,因为100万带来的负荷太大了。在百万机组的技术攻关清单中,水轮机设计居于首位。一个水轮机的研发,首先要从已有的模型库中选取一个最接近白鹤滩水力条件的初始模型,通过大量的仿真计算不断优化,再将计算机里的仿真模型按比例微缩制造出来,拿到试验台上进行模拟运行。试验台将会模拟出白鹤滩水电站全年的真实水力情况,在无限接近真机运行环境的条件下,来检测水轮机的各项性能指标是否满足要求。

  转轮是水轮机的最核心部件,也是机组中研发难度最大、制造难题最多的关键部件之一。水力模型研发的创新性就体现在对转轮的优化上,其叶片的设计直接决定着水轮机的过流能力、水力效率、空蚀性能及整个机组的运行稳定性。因此,在优化时,叶片的长短、叶形的几何参数、叶片如何扭曲、冲角是多大、叶片的粗糙度等都需要研究。

  衡量水轮机的性能好坏有三个重要参数,一是能量转化效率,也就是水的势能转化成机械能的效率;二是稳定性;三是是空化系数。

  当水带动水轮机做功时,在局部水流中会突然短暂地产生气泡,并很快溃灭,这个过程就是空化。发生空化时,产生气泡的地方压力低,周边的水压力高,于是它们会高速射向气泡溃灭的位点。如果设计得不够好,柔软的水会化作最尖利的“矛”,只消半年左右的时间,就可以把一个钢化叶片表面打得坑坑洼洼,进而影响整个机组的寿命,严重时甚至可能造成叶片断裂,酿成重大事故。此外,空化破坏也是影响机组稳定性的一个重要原因。

  东电先后研发了20多个水轮机模型,每个模型都经过计算、制造成微缩模型,在试验台上经历白鹤滩的春秋冬夏,发现不行,再推倒重来。每个模型的投入约20多万元。

  最后通过验收的水力模型实现了各性能的全方位提高,由此换算成真机的原型的最高效率达到96.7%,也就是说,在整个水轮机运行过程中能量转换最充分的那一点上,其势能96.7%都转换成了机械能。而加权平均效率,即水轮机一年四季运转下来的综合效率,达到95.92%。“我们在水电上可以说做到了极致,几乎每一滴水都为我所用。”赵永智说。

  三峡建工(集团)有限公司白鹤滩工程建设部机电项目部主任康永林对《中国新闻周刊》表示,水轮机效率的提升,越接近100%,每提升一个小数点都非常困难,中国在这方面的性能优化上已经达到了世界领先水平。

  在稳定性上,左岸机组运行摆度已经进入“五道时代”(1 道=0.01 毫米)。试想一个重8000多吨、高50多米的庞然大物,正以每分钟111.1圈的速度旋转,但整个机组的摆动幅度却比一根头发丝的直径还要小。1号机组并网后,整个机组摆度的最大值只有0.05毫米,即“五道”。每个水头下,从空载到最大保证负荷范围内,都实现了无空化运行。

  造成机组不稳定的另一个重要因素是压力脉动。哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司(简称哈电)副总经理陶星明对《中国新闻周刊》解释,当水进入一个混流式水轮机,在真机运行时稳定运行的范围较窄,由于现实中的水流千变万化,一旦偏离设计工况,水流内部容易产生紊流或扰动,也就是所谓的压力脉动。当压力脉动增大到一定程度时,可能带来叶片损伤、机组疲劳、机组寿命缩短等后果。

  历史上有很多因为振动而产生重大安全事故的例子,最典型的是俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故。2009年8月17日,该电站水轮机顶盖轴承的振动振幅超过了允许值的4倍,造成顶盖螺栓断裂,并瞬间爆发出来。涡轮连同发电机转子被强大的能量弹射出运转位置,近200米高程的水压从机组残破漏洞中喷射而出,瞬间摧毁了整个发电厂厂房,造成75人死亡。

  和其他机组相比,白鹤滩百万机组水头高,最高落差达243.1米,容量大,对机组的稳定性提出了更大挑战。哈电负责右岸机组研发,为了提高水轮机的稳定性,哈电在右岸采用了长短叶片的创意。常规的转轮都是15个叶片,但哈电的转轮结构由15个长叶片,15个短叶片组成,一共是30个叶片。

  陶星明指出,和常规叶片相比,长短叶片由于叶片总面积的增加,做功面积增加,整体效率更高,最高效率达到了96.7%,加权平均率是96.16%。此外,叶片进口适应来流的能力增强,经过转轮的水流更平稳,转轮出口流速分布更合理,水轮机稳定性会更好。叶片数的增多,也降低了无叶区(导叶出口和转轮进口之间的区域)的压力脉动幅值。

  百万机组的难度系数成倍增加,指的是其综合技术难度系数,单机容量仅仅是一个最直观的指标,在它的背后,需要把所有性能指标全部优化提升,成为全能冠军,这才是最大的挑战。

  白鹤滩水电站右岸地下厂房机组安装现场。摄影/本刊记者 霍思伊

  从三峡到白鹤滩

  技术的突破并非一蹴而就。

  巨型水电站涉及的不只是一条江、一个省或一个地区,而是牵涉全国能源规划和电网规划,因此国家很早就开始了布局。

  早在1988年,长江水利委员会就提出了金沙江梯级水电站的开发规划,认为金沙江水急坎陡,江势惊险,河床陡峻,流水侵蚀力强,有很大的水电开发潜力,可以开发成18级梯级水电站,既可西电东送,又兼顾金沙江与长江干流的防洪。当时,长江委就建议在金沙江的下游段从上到下依次开发乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝。其中先行开发溪洛渡与向家坝,然后是白鹤滩和乌东德。白鹤滩是梯级的第二级。

  2006年5月底,在白鹤滩预可行性研究审查会上,水利工程专家潘家铮院士感慨:“要知道,在相当长的时期内,这个项目似乎遥不可及,要支持它需要领导的高瞻远瞩和果断决策。”在潘家铮说这话之前的十年,中国还没有自主研发大型水电站的实力。当时,包括水轮机、发电机设计等核心技术几乎都掌握在外国公司手中,但在1996年,这一切开始改变。

  当年6月24日,中国三峡总公司在人民大会堂举行了三峡左岸14台机组的国际招标发布会,当时,来自日本、俄罗斯、加拿大、法国、德国、挪威、瑞士与阿根廷等国的制造商都盯住了这块“大蛋糕”。为了拿下它,几家水电巨头强强联合,组成“联营体”抢标。

  长达2000页的招标文件上明确规定:投标者对供货设备的经济和技术负全部责任,必须与中国有资格的制造企业联合设计、合作制造,中国制造企业分包份额不低于合同总价的25%,左岸14台机组的最后2台由我方制造、外商监造。技术受让方分别是哈电和东电。

  在三峡之前的鲁布革、清江隔河岩、二滩、五强溪等项目,都是直接进口机组,国内企业只能分包制造一些非核心部件,分包中没有技术转让项目。但在三峡左岸中,第一次有了实质性的核心技术转让。技术转让的内容由国内制造企业提出清单,实际上相当于转让了中国所需的出全部技术。当然,中方也为此“大出血”,机组采购总共花了7.4亿美元,还支付了1635万美元购买设计软件。

  最终,德国福伊特、加拿大GE水电公司与西门子组成的VGS联营体中标6台,和东电合作。法国阿尔斯通和瑞士ABB组成的联营体中标8台,和哈电合作。

  哈电集团电机公司副总工程师覃大清对《中国新闻周刊》回忆,当时,一些水电行业的领导已经明确意识到,中国的水电核心技术必须打破外国垄断,否则早晚有一天会被市场淘汰。他们的这套打法后来被总结为:引进、消化吸收、再创新。

  中国能建葛洲坝机电公司副总经理、总工程师陈强参与了三峡左岸建设。他对《中国新闻周刊》回忆,当时让他印象最深的是,西方企业不仅在技术上比中国进步很多,在设计理念上也非常先进。

  三峡项目分为左岸、右岸和地下电站共三期建设。左岸项目结束后,在右岸建设中,中国已开始尝试机组的国产化设计、制造。右岸共12台机组,哈电、东电与阿尔斯通“三分天下”,这是中国企业首次在同一项目中和外企同台竞争,而且是独立设计。在投标阶段进行水轮机模型同台试验时,哈电和东电的总体性能虽略逊于阿尔斯通,但在一些单项指标上,已经开始超越,比如机组的稳定性。

  左岸的模型验收时,中方工程师发现并命名了一种“特殊压力脉动”的独特现象,即在高负荷的局部区域会出现压力脉动突然增强的情况。外国方也不知其成因,认为这是机组的固有特性,难以避免。

  1996年,覃大清刚从日本回国,正好参与了三峡左岸项目。他回忆,当时大家对机组稳定性的认识还很粗浅,国内刚起步的水电行业还在主攻效率和空化。但左岸发现“特殊压力脉动”后,哈电和东电立刻投入对机组稳定性的研究,并很快调整思路,转轮的设计也旨在扩大机组的稳定运行范围,同时兼顾其他性能。后来证明,这个思路是正确的,也为白鹤滩机组打下了基础。

  康永林指出,对百万机组而言,和效率相比,更重要的是稳定性。“发100万的电的确是我们的目标,但这个电的品质要高,机组越稳定,输出的电压和频率也更稳定。电能品质的高低会影响到科研、工业等关乎中国发展的关键领域。因此,电能质量的好与坏是影响一个国家工业化实力的重要指标。”他说。

  从三峡左岸到右岸,中企在消化吸收外国先进技术的同时,也在跨越式追赶,进行再创新。右岸时,哈电不再采用国外企业给发电机定子线圈通水冷却的办法,改为空气冷却,彻底消除了原有的漏水问题,使运行更加安全。后来在白鹤滩上的技术审查会上,由于百万机组的负荷巨大,冷却是一个关键的技术难关,专家在技术审查会上多次提到,不能用水冷,可靠性太低,必须使用空冷。

  赵永智表示,在三峡右岸建设时期,和三四年前相比,中国水电的研发实力已经有了显著进步,但和西方的水电研发水平相比,在水轮机和发电机的能量转化效率,以及制造、质量控制等一系列流程上,仍有一定差距。当时,几家老牌外国企业处于第一梯队,实力相当。但从左岸到右岸,既是我国自主研发的起点,也是中国水电腾飞的起点,这个阶段持续了好几年,中国水电在此时期开始积累实力,蓄势待发。

  溪洛渡与向家坝水电站在建设时,已进入21世纪的头十年。和三峡时相比,此时中国在机组核心技术的研发能力已经追上西方,同处于世界领先水平。接下来,就是乌东德和白鹤滩项目。以稳定性指标为例,据赵永智介绍,和三峡右岸时相比,白鹤滩机组的压力脉动幅值总体上降低了约30%。

  在三峡集团机电技术中心负责人刘洁看来,中国现在的水电技术,尤其是在混流式水轮发电机的设计研发上,已经超越西方,最好的例证就是白鹤滩的招标。当时,哈电、东电和GE(阿尔斯通已被其收购)、福伊特同台竞争,在试验台上将各自设计的模型进行数据比对,哈电和东电机组的性能略胜一筹,因此,最后是两家中国企业中标。

  在溪洛渡、向家坝和乌东德项目中,中标方仍有外国企业的身影,但在白鹤滩上,首次彻底实现了全国产化。

  目前,世界前五大水电站中,中国就有四座。刘洁指出,全球在建和投运的70万千瓦以上机组有127台,其中中国有104台。

  对于白鹤滩水电站100万千瓦的单机容量,最初有一些犹豫和争议。中国电建集团华东勘测设计研究院白鹤滩项目副经理何明杰对《中国新闻周刊》回忆,设计院一直在比较90万千瓦、95万千瓦和100万千瓦三种方案,召开了多次专题会讨论。在2006年可研阶段的一次讨论会上,有专家提出疑问,我国虽然在大型机组上已经积累了一定的经验,但要想实现100万千瓦,有几个关键技术需要突破原有的极限。

  覃大清举例说,首先,白鹤滩之前的发电机电压最高也只有20千伏,如三峡电站,但白鹤滩要求额定电压是24千伏,电压升高以后,就给高压绝缘系统带来了巨大挑战。其次是冷却问题,因为百万机组负荷过大,对冷却的要求极高,我国原本擅长的空冷技术需要进一步升级。一开始,专家们担心直接进入“百万时代”风险太大,主张留出2台100万机组做技术试验,其余机组仍采用技术成熟的80万。但后来,这些技术障碍先后被攻克。

  到了2011年4月,在一次重要的研讨会上,大部分专家基本同意全部采用100万千瓦。时任三峡集团三峡机电工程技术有限公司党委副书记兼总经理胡伟明在会上明确指出,百万机组在科研上已经论证充分,技术上不存在大问题。

  2011年10月27日~29日,白鹤滩单机容量审查会一共持续了三天,最终,“百万方案”被正式通过,与会专家一致认为,100万千瓦有难度、有挑战,但是可以实现。

  百万机组背后的中国制造

  站在白鹤滩水电站坝顶抬头看去,有七条跨度超过1000米的缆索横贯金沙江。前一天刚下过雨,水气混合着因湍急猛浪而翻卷上来的水雾,让缆机仿佛在云层中穿行。七台缆机使用七种颜色,这是世界上最大的缆机群,白鹤滩人称它们为“七仙女”。

  此前,“七仙女”已经将803万方混凝土、约12.6万吨材料和设备吊装入坝体,历经50多个月,最终建成了300米级特高混凝土双曲拱坝。拱坝289米,相当于100层楼高,为世界第三,坝顶高程834米,如果大坝的泄洪孔全开,奔涌而过的江水6分钟即可灌满整个杭州西湖。

  5月31日,在将最后一罐混凝土落入16号坝段仓面后,白鹤滩大坝全线浇筑到顶。目前,坝身主体土建工程基本完成。坝顶仍有工人的身影在水雾中若隐若现,他们正在进行最后的坝顶装修。世界坝工界有“无坝不裂”的说法,但白鹤滩项目自2017年4月开始浇筑以来,整个大坝未产生一条温度裂缝。

  中国三峡建工(集团)有限公司白鹤滩工程建设部技术管理部副主任周孟夏对《中国新闻周刊》解释说,混凝土的主要组分是水泥,将它浇筑到仓面后,水泥会发生水化反应,放出大量热量,温度先上升再下降,热胀冷缩会导致变形,仓面体积越大、结构越复杂,热胀冷缩积累的变形就越大,严重时会造成裂缝。因此对大体积混凝土结构而言,温控防裂是关键,也是世界级难题。

  欧美和前苏联在建设200米级高坝时都发生过严重开裂事故,损失巨大。如1977年建成的奥地利柯恩布莱因坝,在1978年发现大裂缝,排水孔漏水量达200升/秒,经过几次较大规模的加固后,被迫在老坝下游新修建了一座拱坝支撑。

  中国电建集团华东勘测设计研究院白鹤滩项目副经理何明杰分析说,白鹤滩和三峡大坝不同,三峡是重力坝,体积大,内部应力小,所以使用的混凝土强度也相对低;但白鹤滩是拱坝,其支撑主要是靠把荷载传递到两侧坝肩,如果施工时就出现裂缝,后期挡水后,内部应力会继续升高,裂缝会进一步蔓延,发展成贯通性大裂缝。柯恩布莱因坝就是如此。因此在设计时,要求抗裂安全系数最低必须达到1.8,最好提高到2.0,而一般大坝的安全系数为1.3~1.8。在如此严苛的限制下,原有的水泥已不能满足要求。

  周孟夏指出,温控可以分解为两个核心问题,一是控制水化反应升温后的最高温度;二是让整个降温过程更加可控,在这个环节,需要辅助智能通水系统。

  在白鹤滩之前,大坝主要采用的是中热水泥,但低热水泥会让水化后的升温降低3~5℃,可以满足白鹤滩更高的设计要求,整个坝体在施工时最高温度低于27℃,在岸坡等强约束范围,也就是最容易产生裂缝的地方,不能超过25℃。

  低热水泥最早被用于美国1936年修建的胡佛大坝上,但由于早期强度太低、成本高、影响工期等原因,没有得到推广。中国在白鹤滩之前,已经积累了十多年的经验与数据。专家经评估认为,大范围推广低热水泥的条件已经成熟,因此决定在乌东德和白鹤滩项目上全坝使用。

  “混凝土比人还要娇贵。”周孟夏这样形容。在拌合楼里,水泥、石头和沙子被不停加冰搅拌,即便在高温40℃的夏季,从拌合楼运出的混凝土温度也不能超过7℃,然后要在四小时内运到仓面,浇筑时温度不能超过12℃。仓内的混凝土很快会开始升温,此时,需要通过调节通水的时间、流量来控制整个升降温过程。

  以前,大坝中的通水系统靠人工操控,工人每4小时就要到仓内用温度计测温。在白鹤滩,6000多支温度传感器、8万米长的测温光纤构建出的点、线温度场数据被传回系统后,后台算法会结合大数据自动算出需要通多少水,继而将命令实时发送到控制柜,自动对流量进行调整,整个过程都不需要人工干预,工程师在后台只需要按时检查系统,发现异常后再判断是否出现故障。

  周孟夏表示,智能温控不是新生事物,但从溪洛渡到白鹤滩,代表从自动控制变成了智能控制,这是水电行业智能化趋势的一大步,其基础是5G通讯网络、大数据、云计算等技术近几年的快速迭代。

  温控不只关注一个仓面,300米级拱坝结构复杂,31个坝段浇筑的顺序不同,温度之间形成梯度,温控时,必须要把拱坝作为一个整体结构体系来管理,保证大坝协调冷却,其内部应力的变化也在可控范围内。

  这是白鹤滩技术创新之外留下的更重要资产——工程建设管理经验。

  中国能建葛洲坝机电公司(简称葛机电)负责白鹤滩右岸机组的安装和调试。葛机电副总经理陈强告诉《中国新闻周刊》,百万机组对安装精度的要求更高,葛机电想了很多办法改进工艺。比如发电机转子支架焊接时,如何在机组“放大”后,避免变形带来的破坏。解决这些问题,需要观念上的革新。“在白鹤滩上积累的工艺经验,今后有很好的推广价值。”陈强说。

  实际上,受水利资源条件所限,百万机组不仅前无古人,而且还可能后无来者。康永林指出,水电站建设是一个庞大的系统工程。在百万机组研发、落地过程中,从材料、焊接、安装工艺,到整体的流程优化、工程管理,都得到了全方位提升,带动了整个产业链的进步。因此,白鹤滩工程的建成,影响不仅在水电行业,而且辐射到整个中国制造。

  据了解,全球在建和投运的70万千瓦以上机组有127台,其中104台在中国。世界前五大水电站中,中国就有4座,目前,欧美最大的机组单机容量还是70万千瓦量级。综合来看,中国有合适的条件和需求,未来一段时间,巨型水电站建设仍有较大的潜力和空间。

  专家指出,水电项目未来的方向不再是追求单机容量,而是进一步拓宽机组的稳定运行范围。“只有这样才能更好地实现水电在能源结构调整中的适应性变革。”覃大清说,在向双碳目标迈进的过程中,需要水电更好地发挥调能作用,白鹤滩这种输出稳定的传统水电站无疑是重要的解决之道。

(编辑:熊家丽)
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