白鶴灘水電站背后的創(chuàng)新密碼

全球首臺百萬千瓦水輪發(fā)電機組、首次全壩使用低熱水泥混凝土、世界“最聰明”的智能大壩、世界最大的地下廠房……大國重器白鶴灘水電站實現(xiàn)了多個世界之最。而這背后，是中國幾代水電人數(shù)十年如一日的不懈探索，他們一步一個腳印，用行動書寫出中國水電裝備實現(xiàn)跨越式發(fā)展的篇章。

從中國制造到中國創(chuàng)造水電站單機容量世界第一

2022年9月22日，在萬眾矚目下，白鶴灘水電站左岸機房內(nèi)液晶顯示器上8號機組的數(shù)字不斷跳動，白鶴灘水電站8號機組順利通過并網(wǎng)調(diào)試72小時試運行，正式轉(zhuǎn)入商業(yè)運行，這標(biāo)志著白鶴灘水電站左岸機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

百萬千瓦水輪發(fā)電機組

每個發(fā)電機組單機發(fā)電量達(dá)百萬千瓦，單機百萬千瓦是整個水電站最為獨一無二的標(biāo)簽。

“單機百萬千瓦，可以說是前無古人，后無來者。”白鶴灘水電站工程樞紐部分設(shè)計總工程師陳建林介紹，在白鶴灘水電站前期論證過程中，發(fā)現(xiàn)白鶴灘的流量和水頭具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以達(dá)到百萬千瓦的標(biāo)準(zhǔn)。但在此之前，總發(fā)電量世界第一的三峽大壩單機發(fā)電量也只有70萬千瓦。要建造百萬千瓦的單機容量，沒有任何標(biāo)準(zhǔn)可以參考借鑒。

如何建成單機百萬千瓦水輪發(fā)電機組？對中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司（下簡稱“華東院”）來說，最重要的是進(jìn)行可行性論證，并制定機組各項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。為了不浪費白鶴灘水電站的天然優(yōu)勢，華東院專門成立了相關(guān)課題組，聯(lián)合業(yè)界的專家和學(xué)者進(jìn)行了大量的分析論證工作，成功提出了百萬機組可行的研制參數(shù)指標(biāo)，包括運行方式、葉片型式、轉(zhuǎn)輪加工方式等，從而指導(dǎo)我國制造廠自主研制出了國際領(lǐng)先水平的白鶴灘水電機組。

千百次試驗，千百次論證，研究人員歷經(jīng)多年的心血，2021年6月28日，白鶴灘水電站1號和14號發(fā)電機組正式發(fā)電。那天，看著控制柜上跳動的數(shù)字，聽著廠房機組轟鳴的聲音，參建人員們熱淚盈眶。而單機發(fā)電量百萬千瓦的這一成就，實現(xiàn)了中國大型水電工程建設(shè)從中國制造到中國創(chuàng)造的歷史性跨越，攀上了當(dāng)今世界水電行業(yè)的“珠穆朗瑪峰”。

精工鑄就“千層餅”“0.02毫米”彰顯工匠精神

白鶴灘水電站百萬千瓦水輪發(fā)電機組的核心部件——轉(zhuǎn)子磁軛，由16 000多張磁軛沖片疊成，高度近4米，直徑超過15米，重達(dá)1 200多噸，猶如一張超大號的“千層餅”。

就白鶴灘水電站百萬千瓦水輪發(fā)電機組而言，機組運行時轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速可達(dá)到111圈。這16 000多張磁軛沖片哪怕有一點細(xì)微的不均勻、不平整，都會造成整個轉(zhuǎn)子重量的不均勻，機組旋轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生巨大的離心力。

高速旋轉(zhuǎn)時巨大的離心力就會造成相關(guān)零部件損壞，威脅整個發(fā)電機組的安全，但是要想讓16 000多張磁軛沖片堆疊起來依然均勻平整，那每一層都必須做得極其均勻平整。

磁軛沖片采用了行業(yè)先進(jìn)的數(shù)字化車間激光切割而成，有效確保了加工精度。每片沖片有60千克重、4毫米厚，需要建設(shè)者分900層手工疊裝成一個高3.6米、直徑超過15米的圓形，這其中需要1 500余根拉緊螺桿、3 000多個螺母進(jìn)行固定。

磁軛疊裝

然而，即使每張沖片只有0.1毫米的偏差，疊裝后就會放大900余倍，如果不加以控制和調(diào)整，將會嚴(yán)重影響機組的安全穩(wěn)定運行，這考驗著每一個技術(shù)人員的能力和心態(tài)。

轉(zhuǎn)子是個龐然大物，磁軛疊裝卻是“繡花功夫”。

在創(chuàng)造精品的過程中，東方電氣集團白鶴灘項目團隊通過精細(xì)稱重、動態(tài)監(jiān)測等一系列手段，讓磁軛疊裝過程全程受控。通過控制轉(zhuǎn)子磁軛圓柱度和同心度，使磁軛和整個轉(zhuǎn)子形成“同心圓”。由于疊加的層數(shù)有900層之多，每疊裝150層，技術(shù)團隊就要在斷面上均衡選取54個點位進(jìn)行精度測量，嚴(yán)格控制磁軛的半徑偏差，同時進(jìn)行壓緊作業(yè)，以控制整體高度和圓度。

“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來?！苯M裝的最終數(shù)據(jù)顯示，直徑15米的磁軛外圓，表面最高點與最低點之差沒超過0.36毫米，遠(yuǎn)優(yōu)于精品標(biāo)準(zhǔn)要求的1毫米，疊裝形成的磁軛中心相對理論中心偏差沒超過0.02毫米，僅相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的1/3，遠(yuǎn)優(yōu)于精品標(biāo)準(zhǔn)要求的0.15毫米。

打破世界級魔咒特種水泥解決“無壩不裂”難題

從空中鳥瞰白鶴灘水電站，景色極為壯觀：在兩岸高聳的峽谷間，雙曲拱形的大壩線條流暢、造型優(yōu)美，如孔武有力的壯士一般輕輕托住了如掛半空的一江碧水。而多柱白色的尾水從壩體噴涌而出，以一瀉千里之勢，直撲下游的溪洛渡而去。

壩高289米，相當(dāng)于100層樓，整體澆筑低熱水泥混凝土803萬立方米，從外形看，白鶴灘水電站絕對是個大塊頭。

在業(yè)界，水電混凝土大壩都面臨一個魔咒——“無壩不裂”，這是橫亙在水電站建設(shè)過程中的世界級難題。白鶴灘水電站尤其如此，規(guī)模巨大，壩體結(jié)構(gòu)不對稱，加上持續(xù)的干熱、大風(fēng)天氣，導(dǎo)致溫控難度極大。

為此，科研人員研制出特種水泥——低熱硅酸鹽水泥，也叫低熱水泥。它具有水化熱低、放熱速率慢、堿含量低、后期強度增進(jìn)率高等優(yōu)良性能，為解決大體積混凝土開裂問題提供了更好的技術(shù)途徑。同時，在每一方澆筑的混凝土中，都埋設(shè)有數(shù)支溫度傳感器和循環(huán)冷卻水管，可以實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部的溫升，并進(jìn)行相應(yīng)降溫。

鳥瞰白鶴灘水電站

自開澆以來，白鶴灘水電站大壩沒有出現(xiàn)一條溫度裂縫。2019年，在鉆孔取芯質(zhì)量檢查過程中，人們從大壩取出25.7米混凝土長芯，混凝土芯樣光滑密實、骨料分布均勻、氣泡少。這樣一份高質(zhì)量混凝土澆筑施工成績單的背后是建設(shè)者對大國重器質(zhì)量細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)把控。

智能高拱壩建設(shè)“最強大腦”提升工程效率

從長江到金沙江，三峽集團組織創(chuàng)新“300米級溪洛渡拱壩智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”，開創(chuàng)了我國智能高拱壩建設(shè)的先河。而白鶴灘水電站則借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)，向建設(shè)管理智能化又邁出了一大步。

在白鶴灘工程建設(shè)部技術(shù)管理部副主任周孟夏看來，手機中安裝的智能通水系統(tǒng)和施工過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，是他最親密的“工作伙伴”?！按髩问┕ぶ?，混凝土溫度控制的主要手段是冷卻通水，以前全靠人工操控。按照規(guī)范，至少每4個小時就要對所有倉號進(jìn)行一次測溫，需要投入大量的人員手工操作，大壩溫度情況掌握也比較滯后?！?/p>

如今，智能通水系統(tǒng)不僅能實時感知溫度，還可以自主分析溫度變化趨勢，按照預(yù)設(shè)的控制算法進(jìn)行自動調(diào)控。在降低人工作業(yè)強度的同時，極大提升了工程效率與溫控精度。

“這個‘最強大腦’還可以積累工程實踐數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析完善預(yù)設(shè)的經(jīng)驗算法，進(jìn)行部分自主決策，進(jìn)而實現(xiàn)現(xiàn)場快速響應(yīng)。如此一來，工程師便能從大量日常管理工作中解放出來，僅在數(shù)據(jù)異常時糾偏處理即可，管理效率隨之提高?！敝苊舷慕榻B。

白鶴灘水電站工程夜景

白鶴灘水電站左岸地下廠房全景

“最強大腦”高效整合物質(zhì)流與數(shù)據(jù)流，為精細(xì)化施工創(chuàng)造了更大的空間。

以混凝土振搗為例，振搗幾遍，振搗棒型號如何選擇，初振多久，復(fù)振多久，這些專業(yè)試驗的參數(shù)都會印成標(biāo)準(zhǔn)化工藝手冊，用以培訓(xùn)員工。

如今，這些標(biāo)準(zhǔn)被“翻譯”成代碼進(jìn)入智能系統(tǒng)，智能系統(tǒng)實時分析振搗棒的覆蓋范圍、插入深度、振搗時長等數(shù)據(jù)是否“合格”，讓施工質(zhì)量不再僅靠人工肉眼觀察和經(jīng)驗判斷，而是“數(shù)”說了算。

地下洞室群規(guī)模世界第一開挖量足夠填滿兩個西湖

要將16個重量超過8 000噸的百萬千瓦水輪發(fā)電機組裝在陡峭的山體下，意味著需要在左右岸掏出兩個長約450米、寬34米、高88.7米的龐大宮殿，相當(dāng)于要在地下挖出兩個足球場。

指針撥回到2014年，地下廠房啟動首層開挖，“一定要保證地下廠房安全”是地下廠房修建的關(guān)鍵。而由于規(guī)模大，地質(zhì)條件差，圍巖的穩(wěn)定性問題逐步凸顯。

為了保證地下廠房的安全性，設(shè)計師和工程師們決定使用精細(xì)爆破，采取微量化裝藥的方式，根據(jù)巖石的特性將其分為10層，由上至下分層開挖，逐層爆破。由于圍巖的不穩(wěn)定性，每一層都需要根據(jù)地質(zhì)條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，對開挖支護及時進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

從某種程度上來說，這個難度比修建大壩大得多，即使在大家一層一層精細(xì)的設(shè)計和施工下，圍巖還是出現(xiàn)了突變。2018年元旦前幾日，在白鶴灘水電站右岸小樁號部位，圍巖變形連續(xù)幾天出現(xiàn)了突增，單日最大增幅超過4毫米，大大超過了每天0.2毫米的允許變形增量，連續(xù)超過了“預(yù)警”和“危險”兩個等級。

面對如此嚴(yán)峻的圍巖突變，設(shè)計團隊立即緊急攻關(guān)，及時拿出了應(yīng)對方案，并迅速與參建方達(dá)成了共識。經(jīng)過灌漿、增強預(yù)應(yīng)力錨索等方式，成功將圍巖補強加固，及時避免了危險的產(chǎn)生。

2019年，在歷時50多個月的精心“打磨”下，總長438米的地下廠房終于建成。白鶴灘水電站兩岸地下洞室群規(guī)模宏大，達(dá)世界第一。左右岸的引水發(fā)電系統(tǒng)及附屬洞室、施工洞室、交通洞室，構(gòu)成了一個龐大的地下洞室群，兩岸地下洞室總長達(dá)217千米，地下洞室的總開挖量達(dá)2 500萬立方米，足夠填滿兩個西湖。