1910年，中國第一座水電站石龍壩水電站只因幾名外國工程師的缺席便被迫停工;如今，中國水電總裝機容量和年發(fā)電量已先后躍居世界第一。百余年光陰已逝，中國水電為何能夠?qū)崿F(xiàn)從無到有、從弱到強的滄桑巨變?
堅持自主創(chuàng)新是中國交出的答卷。
從三峽水電站到烏東德水電站，中國水電經(jīng)歷了“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，在開發(fā)利用、運行管理、效益發(fā)揮等方面均實現(xiàn)了全方位的跨越。“中國的水電項目在改善民生與保護環(huán)境等方面都產(chǎn)生了積極影響，我相信，中國水電也將在創(chuàng)新方面繼續(xù)引領(lǐng)世界標(biāo)準(zhǔn)。”國際大壩委員會(ICOLD)主席邁克爾·羅杰斯稱贊道。
7月28日下午3時，伴隨著白鶴灘8號機組轉(zhuǎn)輪順利通過驗收，全球第二大水電工程——白鶴灘水電站的16臺機組轉(zhuǎn)輪加工制造正式宣告完成。以此為契機，本報記者對白鶴灘水電站建設(shè)團隊進行了采訪，探秘中國水電的“創(chuàng)新密碼”。
沒有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫
“我在三峽工程工作過，現(xiàn)在又經(jīng)歷了白鶴灘，一輩子能參加兩個世界級水電工程，我感到非常自豪。”在壁立千仞的狹深河谷間，熱風(fēng)夾帶著水霧緩緩升騰，站在白鶴灘混凝土雙曲拱壩上，白鶴灘工程建設(shè)部黨委書記何煒感慨萬千。
中國水電在西南，西南水電在金沙。2012年7月，正值中國長江三峽集團有限公司(以下簡稱“三峽集團”)全面開發(fā)金沙江下游4個梯級水電站，受公司派遣，何煒來到白鶴灘投身工程籌建。
白鶴灘水電站位于四川省涼山州和云南省昭通市境內(nèi)，作為“老一輩”建設(shè)者，9年的現(xiàn)場錘煉，早已令何煒對白鶴灘建設(shè)的各類“疑難病癥”爛熟于心。少為人知的是，剛到壩區(qū)時，復(fù)雜的地質(zhì)條件曾讓他連續(xù)幾個月都輾轉(zhuǎn)反側(cè)。
河谷地帶，兩岸空間有限，必須通過開挖地下洞室布置引水發(fā)電設(shè)備。擺在建設(shè)團隊面前的首道難題，便是世界水電站建設(shè)史中都格外少見的地質(zhì)現(xiàn)象——玄武巖柱狀節(jié)理。
“這其實是發(fā)育玄武巖中的一種原生張性破裂結(jié)構(gòu)，從形狀上看就像薯條一樣，開挖后則容易產(chǎn)生松弛、崩落等現(xiàn)象。”中國科學(xué)院院士陳祖煜介紹說。
啃下硬骨頭，得下硬功夫。為找到最佳解決路徑，建設(shè)團隊徹夜探討施工方案，組織考察各種隧道工程，大范圍搜尋可借鑒的技術(shù)，最終決定按照“開挖一層、分析一層、預(yù)測一層、驗收一層”的工作程序，動態(tài)優(yōu)化施工方案，以保障洞室群整體穩(wěn)定。
盡管已是倍加小心，但突如其來的巖爆問題還是讓建設(shè)團隊捏了一把汗。2019年5月1日，大壩右岸部分洞段出現(xiàn)巖爆，表面有開裂掉塊現(xiàn)象，白鶴灘施工被迫陷于停滯。
容不得絲毫猶豫，何煒與同事們立即在洞室內(nèi)部增設(shè)了大量監(jiān)測儀器，迅速組建由國內(nèi)多名巖石力學(xué)專家領(lǐng)銜的科研團隊，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)深入研究巖體變化機理，一場與時間的賽跑就此開啟。
“搶險加固涉及很多技術(shù)問題，不能蠻干。”何煒告訴記者，初次變形穩(wěn)定后，團隊第一時間現(xiàn)場勘察，科學(xué)判斷、果斷決策，爭分奪秒開展應(yīng)急加固工作，歷時半年時間，圓滿完成搶險任務(wù)。
水電建設(shè)業(yè)內(nèi)，大體積混凝土的溫控防裂一直是公認(rèn)的世界級難題。“大壩建設(shè)需要澆筑大量混凝土，混凝土中的水泥水化反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，使得混凝土澆筑后溫度上升。如果不采取有效的溫度控制措施，任由混凝土熱脹冷縮，難免會產(chǎn)生裂縫。”工程建設(shè)部教授級高級工程師孫明倫解釋道。
超級工程，催生了新材料和新工藝。為了從源頭上攻克“無壩不裂”難關(guān)，白鶴灘水電站首次全壩采用低熱水泥混凝土。與常規(guī)使用的中熱水泥相比，低熱水泥水化熱量低、后期強度高，具有高抗裂、高耐久性、耐沖磨性等特點。
事實上，低熱水泥的應(yīng)用絕非是突發(fā)奇想，而是經(jīng)過了長期的工程實踐。早在三峽三期工程中，低熱水泥混凝土便得到局部應(yīng)用。但由于其彼時剛研制出來，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，暫且無法全壩澆筑。
2013年，在三峽集團的安排下，孫明倫開始負(fù)責(zé)低熱水泥混凝土的性能試驗工作，為白鶴灘全壩應(yīng)用低熱水泥進行全面研究。編制研究大綱、分析反應(yīng)機理、總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗……創(chuàng)造性進行多輪低熱水泥考核性生產(chǎn)后，水泥各項性能終于達到工程要求。
從2017年4月12日開始，至2021年5月31日，1500多個日夜的奮戰(zhàn)下，采用低熱水泥混凝土澆筑的白鶴灘大壩澆筑到頂，總方量達803萬立方米。“目前，我們的白鶴灘大壩已經(jīng)全部澆筑完成，沒有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫。”孫明倫驕傲地說。
大壩“耳聰目明”
最大壩高289米、地下洞室總長217公里，白鶴灘水電站可謂名副其實的“大塊頭”。然而，“大塊頭”一樣擁有“大智慧”，諸多智能建造技術(shù)貫穿于白鶴灘的全生命建設(shè)周期，助力其成為世界上“最聰明”的大壩。
正午時分，白鶴灘壩頂倉面閃動著一群橙色身影，工程師們正人手一臺筆記本電腦，精細(xì)調(diào)整傳感器角度，驗證采集數(shù)據(jù)，計算設(shè)計參數(shù)……“你們這群高才生頂著大太陽弄的啥哦，我是一點兒都看不懂，就感覺很高級呢。”旁邊的工人師傅不斷打趣道。
殊不知，工人口中的“高級貨”，正是白鶴灘智能建造的“關(guān)鍵一環(huán)”——大壩施工進度仿真系統(tǒng)。
從三峽工程開始，到后來的溪洛渡水電站，施工仿真技術(shù)在減少安全隱患、實現(xiàn)精準(zhǔn)管控等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但作為300米級特高拱壩，白鶴灘工程規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往的仿真技術(shù)已無法滿足新的需求。面對工程建設(shè)管控的全新挑戰(zhàn)，中國電建成都院數(shù)字工程團隊勇挑重?fù)?dān)，努力搜尋“解題”新思路。
為了使超大體量混凝土澆筑進度仿真能夠更加真實地反映現(xiàn)場實際情況，身為技術(shù)負(fù)責(zé)人的王飛一頭扎進工地現(xiàn)場。無論是方案設(shè)計，還是收集一線需求，他都是親力親為;無數(shù)個深夜里，他一遍又一遍地進行著仿真測試。“研發(fā)出能代表當(dāng)今最先進技術(shù)的仿真系統(tǒng)，這是我最大的心愿。”王飛告訴記者。
在他的帶領(lǐng)下，數(shù)字工程團隊集思廣益、緊密聯(lián)動，反復(fù)演算優(yōu)化，最終造就出集“建模-編譯-計算-分析-出圖”為一體的施工全過程進度仿真系統(tǒng)。“這套系統(tǒng)既可以模擬出混凝土的澆筑場景，又能及時發(fā)現(xiàn)問題，提出合理化建議。”王飛介紹稱，這對提高纜機等資源的利用效率起到了關(guān)鍵作用，為滿足各階段度汛及蓄水目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
智能建造，也為白鶴灘水電站添設(shè)了一雙雙“慧眼”，幫助其掌握“身體狀態(tài)”。
據(jù)了解，白鶴灘壩體內(nèi)埋設(shè)有上萬個監(jiān)測傳感器，可采集溫度、應(yīng)力狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控運輸車、纜機、振搗機等設(shè)備的運轉(zhuǎn)。截至目前，監(jiān)測傳感器已累計采集3470萬條溫度數(shù)據(jù)，質(zhì)量、安全、施工進度等數(shù)據(jù)突破10億條，真正實現(xiàn)全過程實時監(jiān)控和預(yù)警。“就好像一個人身體不適，自己就能抽血化驗，并開出治病藥方。”工程建設(shè)部副主任陳文夫形象地比喻道。
在白鶴灘，智能設(shè)計無處不在。在白鶴灘技術(shù)管理部副主任周孟夏看來，其手機中安裝的智能通水成套裝備和移動實時診斷控制系統(tǒng)便是他最親密的“工作伙伴”。
“混凝土比人還要嬌貴。”周孟夏告訴記者，由于混凝土往往升溫速度過快，這就需要借助冷卻通水來控制整個溫度變化過程。“以前，大壩通水系統(tǒng)全靠人工操控，按照規(guī)范要求至少每4個小時就要對所有倉號進行一次測溫，需要投入大量的人員，大壩溫度情況掌握也比較滯后。”
如今，智能通水系統(tǒng)通過溫度傳感儀器，可實時感知混凝土狀態(tài)，通過智能調(diào)節(jié)通水流量、溫度和時間，在線個性化進行溫度調(diào)控，實現(xiàn)對壩體溫度的全過程智能化、精準(zhǔn)化管理。“有了智能通水系統(tǒng)后，點點手機，所有參數(shù)全都一目了然，工程師只需要按時檢查系統(tǒng)即可，非常方便。”何煒說。
雖然智能溫控并不是一件新生事物，但周孟夏指出，從溪洛渡大壩到白鶴灘大壩，這實現(xiàn)了從自動溫控到智能溫控的轉(zhuǎn)變，是智能化發(fā)展的一大步，也是近年來水電行業(yè)加快在5G、大數(shù)據(jù)、云計算等新興領(lǐng)域布局的可貴成果。
勇攀“水電珠峰”
在白鶴灘水電站6項位列世界第一的技術(shù)指標(biāo)中，百萬機組格外引人注目。作為世界上首批100萬千瓦水輪發(fā)電機組，不僅實現(xiàn)了單機容量的巨大飛躍，其背后的國產(chǎn)化技術(shù)標(biāo)簽還撐起了“中國創(chuàng)造”的底氣。
實際上，生產(chǎn)制造100萬千瓦機組，絕非一蹴而就，而是一個長期論證、自我革新與不斷實踐的過程。
1996年，因三峽電站左岸建設(shè)需要，中國通過國際招標(biāo)的形式首次引進了14臺70萬千瓦水輪發(fā)電機組，中國企業(yè)東方電機和哈爾濱電機分別與中標(biāo)公司合作完成了機組的設(shè)計制造。雖然國內(nèi)企業(yè)承擔(dān)了不少的供貨任務(wù)，但由于精加工能力有欠缺，更多的還是在給外國企業(yè)“打工”。“5000元一噸的高強鋼，人家賣我們7000元，也只能咬著牙買下來。”何煒回憶稱。
技術(shù)落后，就要受制于人。為了破解發(fā)展困局，中國水電開始了一條重大裝備國產(chǎn)化的趕超之路。
東方電機白鶴灘項目現(xiàn)場總代表王笑君表示，企業(yè)通過參與三峽水電站70萬千瓦水輪發(fā)電機組研制，短短幾年間就縮小了與國外先進技術(shù)30多年的差距;之后參與溪洛渡水電站77萬千瓦發(fā)電機組研制，生產(chǎn)技術(shù)也取得質(zhì)的提高。如今，白鶴灘水電站百萬千瓦發(fā)電機組順利投運，意味著中國已經(jīng)帶領(lǐng)世界水電裝備制造進入“無人區(qū)”，并向著“水電珠峰”發(fā)起沖擊。
然而，攀登“水電珠峰”，怎會是一片坦途?“國之重器”的核心技術(shù)，實則是海量的設(shè)計圖紙、試驗結(jié)果與計算報告共同積累而成的。
“在白鶴灘之前，國內(nèi)已建機組的最大單機容量是85萬千瓦，制造100萬千瓦機組，研制難度并不是簡單的加減法，而是成倍的差距。”工程建設(shè)部工程師陳浩說，機身上每一個孔的布置、每一個葉片的角度都大有講究，任何一個看似尋常的部件背后都蘊含著驚人的計算量。
轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機組發(fā)電機部分的“心臟”，也是機組中制造難題最多的部件，直接影響機組運行效率與穩(wěn)定性。“轉(zhuǎn)子高4.1米，組裝完能有1955噸，轉(zhuǎn)動起來需要承受相當(dāng)于30萬輛小轎車同時加速產(chǎn)生的力。”陳浩說道，“我們的額定轉(zhuǎn)速是111轉(zhuǎn)，但在極限試驗中，即使達到額定轉(zhuǎn)速的151%，轉(zhuǎn)子也可保證完好無損。”
在降低損耗、控制污染的同時，如何有效控制機組軸承性能、冷卻效果，也是巨型機組制造的難題之一。對此，白鶴灘專門采用了低損耗軸承技術(shù)，降低推力總損耗25%以上，全部滿足高可靠性、高效、清潔環(huán)保等各項要求。
研發(fā)難，安裝制造也并非易事。以轉(zhuǎn)輪焊接為例，所需的馬氏體不銹鋼材料需預(yù)加熱，工人因此要穿著厚重的防燙服，趴在異常狹小的空間里進行操作。“普通人站在旁邊可能就受不了，而我們的工人師傅在里面作業(yè)，手能像機械臂一樣穩(wěn)，保證整條焊縫沒有任何缺陷。”陳浩說。
創(chuàng)新精神與大國工匠精神的緊密結(jié)合，造就了史無前例的精品百萬機組。高度超過50米的發(fā)電機組，一臺的重量約等于一艘驅(qū)逐艦，但轉(zhuǎn)動起來的整體擺幅卻不超過一根頭發(fā)絲，即便在機組的機架蓋板上立硬幣也不會倒。
“白鶴灘百萬千瓦國產(chǎn)化機組的應(yīng)用，將進一步穩(wěn)固中國水電技術(shù)的世界領(lǐng)先地位，推動中國水電更好更快‘走出去’，為服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略提供更加穩(wěn)固的支撐。”何煒告訴記者。
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