潛入世界水電“無(wú)人區(qū)

李雙星

白鶴灘水電站是目前世界上在建的最大水電站，它擁有300米級(jí)的高拱壩、世界上規(guī)模最大的地下洞室群，以及1600萬(wàn)千瓦的總裝機(jī)容量，預(yù)計(jì)建成后平均發(fā)電量將達(dá)到624.43億千瓦時(shí)。

金沙江畔，橫斷山中。繼三峽水電站之后，又一超級(jí)水電工程一白鶴灘水電站漸漸向人們顯露出它的身姿。

在四川省涼山州寧南縣和云南省昭通市巧家縣交界處，緊貼著金沙江筑起的混凝土大壩為山脈覆上一層層“盔甲”，懸于兩岸之間的數(shù)十條高空纜機(jī)拖起水泥罐向壩底觸探，進(jìn)行混凝土澆筑。站在壩上俯瞰，成百上千的建筑工人們散落在這片巨大的建筑工地上，共同用鋼筋和混凝土打造出一片新天地。

這是目前世界上在建的最大水電站。它擁有300米級(jí)的高拱壩、世界上規(guī)模最大的地下洞室群，以及1600萬(wàn)千瓦的總裝機(jī)容量，預(yù)計(jì)建成后平均發(fā)電量將達(dá)到624.43億千瓦時(shí)，為華東、華中和南方電網(wǎng)供電。

定義世界水電新標(biāo)準(zhǔn)

2019年6月19日，由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司承建的百萬(wàn)千瓦級(jí)水輪機(jī)完成全部關(guān)鍵部件驗(yàn)收，標(biāo)志著世界上單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)橫空出世。

未來(lái)，8臺(tái)100萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)將被分別安置在白鶴灘水電站的左右兩岸，產(chǎn)生數(shù)以百億千瓦時(shí)的電能。與三峽水電站2240萬(wàn)千瓦的總裝機(jī)容量相比，白鶴灘水電站稍有遜色，但在單機(jī)容量上，100萬(wàn)千瓦無(wú)疑是一個(gè)高難度飛躍。

東方電機(jī)白鶴灘項(xiàng)目副主任設(shè)計(jì)師王釗寧介紹：“單機(jī)容量的巨大跨越性、技術(shù)研究的復(fù)雜性和技術(shù)難度遠(yuǎn)大于世界上已有機(jī)組，沒(méi)有現(xiàn)成的技術(shù)可以使用，可謂進(jìn)入了世界水電的‘無(wú)人區(qū)’。

東方電機(jī)副總工程師趙永智這樣解釋百萬(wàn)千瓦機(jī)組的供電能力：“白鶴灘水電站單臺(tái)機(jī)組全力發(fā)電365天，可滿足四川省德陽(yáng)市全年的用電需求。

從2006年起，東方電機(jī)的科研人員就在三峽水電站和溪洛渡水電站的機(jī)組研發(fā)基礎(chǔ)之上，開(kāi)始挑戰(zhàn)百萬(wàn)千瓦水輪機(jī)組的研發(fā)制造。其中，轉(zhuǎn)輪是整個(gè)水輪機(jī)組研發(fā)過(guò)程中研制難度最大，同時(shí)也是最為核心的部件。

在轉(zhuǎn)輪研發(fā)階段，百萬(wàn)千瓦機(jī)組沒(méi)有現(xiàn)成的技術(shù)可供使用。為了制造出最適合白鶴灘水電站的轉(zhuǎn)輪，東方電機(jī)的研究員們?cè)诙潭桃荒甓鄷r(shí)間里研制出20多個(gè)轉(zhuǎn)輪模型。每個(gè)模型都需要花費(fèi)一個(gè)月的制作周期，成本均在20萬(wàn)元以上。經(jīng)過(guò)水輪機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)中的真實(shí)模式、對(duì)比運(yùn)行數(shù)據(jù)等篩選后，才選定了最終的轉(zhuǎn)輪模型。

整個(gè)轉(zhuǎn)輪由15塊葉片組成，每片重達(dá)11噸。雖是龐然大物，但其研制過(guò)程則可謂粗中有細(xì)。一位東方電機(jī)白鶴灘項(xiàng)目焊接人員說(shuō)：“重達(dá)11噸的葉片，焊接時(shí)的焊絲直徑只有1.2毫米，比耳機(jī)線還要細(xì)，而整個(gè)轉(zhuǎn)輪要使用共計(jì)11噸這么細(xì)的焊絲?！?/p>

受限于成品的尺寸和重量，左岸8臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪加工全部在白鶴灘水電站施工區(qū)內(nèi)的東方電機(jī)轉(zhuǎn)輪加工廠進(jìn)行。在長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月的時(shí)間里，首臺(tái)轉(zhuǎn)輪先后經(jīng)過(guò)上冠及下環(huán)裝焊、裝配、第一輪焊接、翻身、第二輪焊接、粗磨、精磨、鏜孔等13個(gè)加工步驟才能滿足出廠條件。

同時(shí)，在百萬(wàn)千瓦水電機(jī)組的核心技術(shù)水力研發(fā)中，東方電機(jī)首次將全流道全工況數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際，創(chuàng)新性開(kāi)拓了水力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和葉形加厚技術(shù)，其空化、壓力脈動(dòng)、噪聲、飛逸轉(zhuǎn)速等穩(wěn)定性指標(biāo)均達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

從三峽水電站單機(jī)容量70萬(wàn)千瓦到向家壩水電站的單機(jī)容量81.2萬(wàn)千瓦，再到白鶴灘水電站單機(jī)容量100萬(wàn)千瓦超大型水輪發(fā)電機(jī)組，百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)不僅引領(lǐng)了世界水電站進(jìn)入“百萬(wàn)單機(jī)時(shí)代”，更在工程建設(shè)過(guò)程中，對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)水電行業(yè)升級(jí)和水電裝備制造打了一劑強(qiáng)心針。

安放地下“心臟”

走進(jìn)白鶴灘水電站地下廠房，如同走進(jìn)電影《流浪地球》里龐大的地下城。不同的是，在這座長(zhǎng)438米、高88.7米、寬34米的長(zhǎng)廊型地下洞室里，安放著8臺(tái)100萬(wàn)千瓦水輪機(jī)。

從2014年開(kāi)始，中國(guó)水利水電第七工程局的近千名工人便開(kāi)始在金沙江畔開(kāi)山破土。4年，伴隨著震耳欲聾的爆破聲和四處迸射的石塊，土建負(fù)責(zé)人陳強(qiáng)坦親眼見(jiàn)證著一座山逐漸被改造成地下洞室。

陳強(qiáng)坦和同事們開(kāi)玩笑說(shuō)，開(kāi)挖地下洞室的難度無(wú)異于“在奶油蛋糕里掏出一個(gè)洞”。他告訴《中國(guó)工人》記者，白鶴灘的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，巖石穩(wěn)定性差，且?guī)r層間的錯(cuò)動(dòng)帶結(jié)構(gòu)變形特征明顯，在開(kāi)挖過(guò)程中必須要采取相應(yīng)的穩(wěn)定性控制技術(shù)，保障洞室群的巖石穩(wěn)定和施工安全。

如何有效控制高邊墻圍巖變形與穩(wěn)定，一直是大型地下洞室開(kāi)挖的世界性難題。土建部門J制訂出將墻面進(jìn)行立體和平面分割的方案，在錯(cuò)動(dòng)帶區(qū)域綜合多種技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，研發(fā)出包括預(yù)應(yīng)力錨索快速施工在內(nèi)的多項(xiàng)創(chuàng)新支護(hù)技術(shù)，為地下廠房高邊墻圍巖安全穩(wěn)定提供了保障。

走進(jìn)地下廠房，仔細(xì)觀察洞穴的墻面，便能發(fā)現(xiàn)土建部門研究出的支護(hù)成果。一些菱形部件不規(guī)則地嵌在整個(gè)墻面上，個(gè)別位置還有一些長(zhǎng)桿貼在墻面里。抬頭看向洞穴頂部，巖層表面還緊緊覆著防護(hù)網(wǎng)。這些都是為洞穴采取的支護(hù)措施，它們被按照深淺不同的層次安插在結(jié)構(gòu)不一的巖層里。

原計(jì)劃用36個(gè)月完成的洞穴開(kāi)挖，實(shí)際則延長(zhǎng)了約一年時(shí)間。而在洞穴開(kāi)挖成形后，一場(chǎng)持續(xù)性的澆筑作業(yè)仍不能放松分毫。

肘管、錐管、基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、蝸殼等主機(jī)設(shè)備依次被預(yù)埋進(jìn)混凝土中，每安裝完一個(gè)部件都要進(jìn)行混凝土澆筑，之后再進(jìn)行下一步安裝，以確保其穩(wěn)定性。而混凝土的澆筑也是一個(gè)需要嚴(yán)格控制的過(guò)程，一旦不均勻便可能會(huì)對(duì)機(jī)器部件的安裝精度產(chǎn)生影響。

“在單機(jī)容量達(dá)到100萬(wàn)千瓦的情況下，轉(zhuǎn)輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)安裝精度提出了更高要求。”白鶴灘項(xiàng)目安裝工區(qū)支部書記謝守斌介紹，如果轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)幅度過(guò)大，會(huì)對(duì)機(jī)器部件造成磨損，進(jìn)而影響整個(gè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

為了將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸控制在一定的擺動(dòng)范圍內(nèi)，中國(guó)水電七局負(fù)責(zé)安裝的人員盡可能地將前序所有安裝步驟的精度達(dá)到最高，要求全部縮小到0.1毫米以內(nèi)。事實(shí)上，這些精度要求已經(jīng)高出給定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2018年6月28日，隨著機(jī)組段最后一部分開(kāi)挖完成，白鶴灘水電站左岸地下廠房工程爆破開(kāi)挖正式畫上句號(hào)。在近千名建設(shè)者的共同努力下，橫空出世的百萬(wàn)千瓦級(jí)水輪發(fā)電機(jī)將被安穩(wěn)放置于此。

隱藏“智慧”的大壩

在白鶴灘水電站大壩施工管理人員的手機(jī)里，不時(shí)會(huì)收到一條包含入倉(cāng)溫度、澆注溫度、倉(cāng)面氣溫的“暗號(hào)”。

這是大壩智能建造信息管理平臺(tái)的信息播報(bào)，實(shí)時(shí)推送現(xiàn)場(chǎng)施工各種動(dòng)態(tài)，幫助施工人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。“智能”是白鶴灘水電站大壩的一大亮點(diǎn)，大壩工程建設(shè)和運(yùn)行全過(guò)程都被智能建造體系全覆蓋，施工管理人員可以實(shí)現(xiàn)工程全生命周期狀態(tài)的“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”。

就像人類擁有一套感知外界的神經(jīng)系統(tǒng)，白鶴灘水電站大壩同樣擁有一套用于感知、分析周邊及內(nèi)部環(huán)境的“神經(jīng)系統(tǒng)”，并能根據(jù)采集到的信息協(xié)同“器官”做出調(diào)整。

高289米的拱壩里埋設(shè)下數(shù)千支監(jiān)測(cè)儀器，它們就像遍布大壩全身的神經(jīng)末梢，用于感知?dú)鉁?、風(fēng)速、入倉(cāng)溫度、澆筑溫度等，并將這些信息反饋給大壩的“神經(jīng)中樞”一智能建造信息管理平臺(tái)。“神經(jīng)中樞”會(huì)將收集到的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)推送給現(xiàn)場(chǎng)管理人員，以便管理人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況、采取適當(dāng)措施，一些比較成熟的系統(tǒng)甚至可以做到系統(tǒng)智能控制、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證任何細(xì)小的異常情況都在第一時(shí)間得到妥善處理。

拿智能通水系統(tǒng)舉例，布置在大壩上的溫度和流量傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體溫度、冷卻通水水溫及流量等與混凝土溫控相關(guān)的數(shù)據(jù)。智能大壩服務(wù)器收集到數(shù)據(jù)后，根據(jù)溫控要求計(jì)算通水參數(shù)，并按照計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整一體式流溫伺服閥，從而實(shí)現(xiàn)冷卻通水的實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)。管理人員只需要通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)便能對(duì)異常狀況一目了然，并及時(shí)加以調(diào)節(jié)。

白鶴灘工程建設(shè)部大壩項(xiàng)目部負(fù)責(zé)人告訴記者：“白鶴灘水電站大壩規(guī)模巨大，壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，壩體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，再加上頻繁的干熱、大風(fēng)天氣，溫控難度極大。運(yùn)用智能溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的智能化、精細(xì)化溫度控制，有效避免了溫度裂縫的產(chǎn)生。”

智能大壩還能對(duì)混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑全過(guò)程監(jiān)控，并對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量進(jìn)行可視化分析?！巴ㄟ^(guò)手機(jī)或其他終端進(jìn)入智能大壩管理程序中混凝土澆筑模塊，便能看到24小時(shí)之內(nèi)每小時(shí)混凝土生產(chǎn)方量，還能查看位于不同地點(diǎn)拌合樓的運(yùn)行情況。

穿梭于高空的纜機(jī)系統(tǒng)也被納入了智能大壩監(jiān)控范圍之內(nèi)。智能大壩中的纜機(jī)調(diào)度程序能實(shí)時(shí)采集纜機(jī)運(yùn)行情況，并進(jìn)行纜機(jī)調(diào)度方案維護(hù)及布置參數(shù)分析，施工人員同樣可以通過(guò)智能建造信息管理平臺(tái)及時(shí)掌握纜機(jī)運(yùn)行效率。

這套“全知全能”的智慧大壩系統(tǒng)是三峽集團(tuán)與國(guó)內(nèi)頂尖科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究出來(lái)的。針對(duì)白鶴灘水電站復(fù)雜的環(huán)境條件和極高的質(zhì)量要求，科研人員深入研究大壩混凝土施工及溫控全過(guò)程智能控制、多維多要素耦合進(jìn)度仿真、全生命周期工作性態(tài)仿真等內(nèi)容，將智能大壩帶入了2.0時(shí)代。

作為在建的巨型水電站，白鶴灘水電站的建設(shè)與中國(guó)水電全產(chǎn)業(yè)鏈的加速提升交相輝映。無(wú)論是水電裝備制造，還是施工能力以及建設(shè)管理水平，白鶴灘水電站無(wú)疑都發(fā)揮著重大作用。

被冠以“國(guó)之重器”，這既是一份榮譽(yù)更是一擔(dān)責(zé)任。擁有多項(xiàng)世界之最的白鶴灘水電站肩負(fù)著更為久遠(yuǎn)的使命，根據(jù)《金沙江白鶴灘水電站可行性研究報(bào)告》分析，白鶴灘水電站建成后，每年可節(jié)約原煤約2800萬(wàn)噸（相當(dāng)于8000節(jié)至1萬(wàn)節(jié)火車皮），每年可減少排放二氧化碳5083萬(wàn)噸、二氧化硫約50萬(wàn)噸、氮氧化物約43萬(wàn)噸，減少煙塵排放量21萬(wàn)噸，環(huán)境效益顯著。

同時(shí)，白鶴灘水電站兼顧防洪、航運(yùn)功能，是長(zhǎng)江防洪體系的重要組成部分，借助白鶴灘水電站水庫(kù)巨大的防洪庫(kù)，通過(guò)長(zhǎng)江中上游水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度，可以在很大程度上提高長(zhǎng)江中下游的防洪能力。

與白鶴灘水電站一同構(gòu)成金沙江開(kāi)發(fā)“四個(gè)梯級(jí)”建設(shè)的，還有烏東德、溪洛渡、向家壩3個(gè)水電站。其中溪洛渡和向家壩水電站已于2014年投產(chǎn)發(fā)電，烏東德水電站仍在緊張施工中，預(yù)計(jì)到2020年首批投產(chǎn)發(fā)電。

2021年，白鶴灘水電站亦將首批投產(chǎn)發(fā)電，屆時(shí)，它將作為一份特別的禮物，獻(xiàn)禮中國(guó)共產(chǎn)黨成立100周年。

[新聞鏈接]

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合效益。電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國(guó)第二大水電站。

[數(shù)讀白鶴灘水電站]

100萬(wàn)千瓦

8臺(tái)100萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)將被分別安置在白鶴灘水電站的左右兩岸，產(chǎn)生數(shù)以百億千瓦時(shí)的電能。百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)引領(lǐng)世界水電站進(jìn)入“百萬(wàn)單機(jī)時(shí)代”。

438米

白鶴灘水電站地下廠房是一座長(zhǎng)438米、高88.7米、寬34米的長(zhǎng)廊型地下洞室，也是世界上規(guī)模最大的地下洞室群。

2800萬(wàn)噸

白鶴灘水電站建成后，每年可節(jié)約原煤約2800萬(wàn)噸（相當(dāng)于8000節(jié)至1萬(wàn)節(jié)火車皮），每年可減少排放二氧化碳5083萬(wàn)噸、二氧化硫約50萬(wàn)噸、氮氧化物約43萬(wàn)噸，減少煙塵排放量21萬(wàn)噸，環(huán)境效益顯著。