動態(tài)與觀點
位于四川省寧南縣和云南省巧家縣金沙江段的白鶴灘水電站，是中國長江三峽集團建設在金沙江上實施“西電東送”四個國家重大水電工程之一，同時也是全球在建規(guī)模最大、單機容量最大、技術難度最高的水電工程。日前，繼創(chuàng)造多項世界紀錄的白鶴灘14號機組作為首批機組安全投產發(fā)電后，白鶴灘水電站又有多臺機組陸續(xù)完成安裝調試、順利并網，預計全部16臺機組將于2022年7月前完成安裝調試并投入運行。
作為裝機規(guī)模僅次于三峽水電站的世界第二大水電站，白鶴灘水電站擁有一系列重大創(chuàng)新。在清華大學、東方電氣集團東方電機有限公司（下稱東方電機）、哈電集團哈爾濱電機廠有限公司（下稱哈電電機）等創(chuàng)新團隊的攻堅下，我國高端裝備制造實現(xiàn)了重大突破，成功研制了世界單機容量最大功率百萬千瓦水輪發(fā)電機組，將世界水電帶入“百萬單機時代”，把知識產權牢牢掌握在自己手中。
開啟“百萬單機時代”
1958年，我國計劃在白鶴灘興建特大型水電站，起初由外國專家提供技術援助，不過因國際形勢發(fā)生變化，該項目不得不擱淺。2010年，隨著《國家發(fā)展改革委辦公廳關于同意金沙江烏東德和白鶴灘水電站開展前期工作的復函》下發(fā)，白鶴灘水電站正式啟動前期籌建工作。
白鶴灘水電站共建設安裝16臺機組，其大壩左岸、右岸各安裝8臺100萬千瓦機組，總裝機容量為1600萬千瓦。左岸8臺機組由東方電機自主研制供貨，右岸8臺機組由哈電電機自主研制供貨。1臺機組工作1小時發(fā)電量就是100萬千瓦，屬于超巨型混流式水輪機組，是目前全球單機容量最大的水輪發(fā)電機組。據介紹，16臺機組一天的發(fā)電量可滿足50萬人一年的生活用電。
2021年6月28日上午，白鶴灘首批機組發(fā)電儀式現(xiàn)場人頭攢動，數百名建設者脊背挺直，目光灼灼。經過72小時試運行，單機容量世界最大的白鶴灘水電站首批機組正式投產發(fā)電，這是全球首臺進入商業(yè)運行的100萬千瓦水電機組，標志著我國大型水電工程建設實現(xiàn)從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的歷史性跨越。
東方電機產品開發(fā)部副部長宋敏接受中國知識產權報記者采訪時表示，在三峽水電站建設期間，許多裝備技術要從國外引進，在軸承、電機和高端材料方面都受到外方的掣肘。近10年來，我國相關企業(yè)展開一系列技術攻關，在巨型水輪發(fā)電技術研發(fā)上取得重大突破，實現(xiàn)了中國水電技術從跟跑、并跑、領跑到邁進“無人區(qū)”的跨越式發(fā)展。
把知識產權握在手中
白鶴灘水電站左岸8臺機組主要由東方電機教授級高級工程師、白鶴灘水輪發(fā)電機主任設計張?zhí)禊i承擔研發(fā)任務。張?zhí)禊i介紹，100萬千瓦，不僅意味著大容量、大尺寸，也意味著發(fā)電機會產生更高熱量。作為空冷式機組，如果無法將這些過剩的熱量高效帶走，會造成嚴重的熱變形和熱應力，甚至造成設備損壞。幫助高效運行的機組“降火”，成為研制團隊面臨的最為棘手的問題。
從2013年開始，張?zhí)禊i研制團隊就開始了白鶴灘機組發(fā)電機磁極繞組空內冷技術研究應用的攻關工作。通過若干輪次的仿真計算、試驗驗證、方案優(yōu)化、產品試制，研制團隊成功實現(xiàn)了這一創(chuàng)新技術在白鶴灘項目的落地應用。磁極銅排上開設內通風孔，并新增內部冷卻區(qū)，在大幅增加磁極繞組的散熱面積，縮短傳熱路徑的同時，提高了冷卻空氣的利用率，大幅降低了發(fā)電機冷卻需求風量。
一張張專利證書鐫刻著東方電機一筆筆濃墨重彩的創(chuàng)新。截至目前，東方電機在100萬千瓦水輪發(fā)電領域布局了40多件專利，包括“一種通風可調式水輪發(fā)電機轉子支架”等發(fā)明專利。
哈電電機牽頭負責白鶴灘機組研發(fā)攻關的副總工程師覃大清向記者介紹說， 轉輪是水輪發(fā)電機組的“心臟”，是決定機組穩(wěn)定性和能量轉化的關鍵部件，也是機組中研發(fā)難度最大、制造難題最多的核心部件。在這個領域，包括中國在內的全球主要國家都在進行技術攻關。
為突破技術瓶頸，哈電電機進行了一系列技術攻關。2018年10月，由哈電電機設計、制造的白鶴灘水電站100萬千瓦水輪發(fā)電機組首臺導水機構在哈爾濱通過驗收。驗收結果表明，導水機構各項關鍵參數均符合設計技術規(guī)范，達到精品標準。
“我們100萬千瓦機組的創(chuàng)新主要包括兩部分，一是發(fā)電機從原來的80萬千瓦躍升到現(xiàn)在的100萬千瓦，是技術的巨大飛躍；二是水輪機采用了長短葉片轉輪，同時實現(xiàn)了寬負荷高效穩(wěn)定的運行?！瘪笄鍖τ浾弑硎?，長短葉片轉輪，即采用15個長葉片加15個短葉片結構，其結構特性好比“鋼琴黑白鍵”在演奏時的互補功能，能夠更好地保證機組高效運行；與傳統(tǒng)轉輪相比，長短葉片轉輪更加“全能”，既能滿足高水頭的穩(wěn)定性要求，又能在低水頭具有極強超發(fā)能力。
哈電電機在長期的實踐中，將產、學、研、用相結合，針對巨型機組穩(wěn)定性、水力設計、電磁設計、發(fā)電機冷卻、絕緣技術、結構剛強度及測試方法等方面進行專項研究和試驗，取得了一批創(chuàng)新成果，布局了相關專利。
智能建造助力雙碳目標
2021年11月，一封來自中國長江三峽集團的感謝信在清華大學水利系引發(fā)熱烈反響。中國長江三峽集團在信中指出，清華大學作為白鶴灘水電站的科研單位之一，在大壩全生命周期性態(tài)仿真分析等關鍵技術攻關中提供了全方位高質量的技術服務。
多年來，由清華大學水利系李慶斌教授、林鵬教授、胡昱副教授等組成的大壩智能建造團隊深入一線，扎根現(xiàn)場全程緊密追蹤工程動態(tài)，高效響應工程重大需求，堅持問題導向科學破解工程難題，全力保障白鶴灘工程安全建設，在大壩全生命周期性態(tài)仿真分析、混凝土溫控智能通水技術、低熱水泥混凝土施工全性能、復雜地質條件下基礎灌漿機理研究等關鍵技術攻關中做出積極貢獻，并形成了多項知識產權。
據介紹，未來，大壩智能建造團隊將繼續(xù)面向大壩智能化建設科技前沿，面向碳達峰、碳中和目標，深化水利工程領域智能化技術研究，推動大壩智能建造技術廣泛應用，提升水利工程價值。
《2030年前碳達峰行動方案》指出，因地制宜開發(fā)水電。記者從中國長江三峽集團工程建設部了解到，白鶴灘水電站建成后，年平均發(fā)電量達624.43億度，每年可節(jié)約標準煤約1968萬噸，減少排放二氧化碳約5160萬噸、二氧化硫約17萬噸、氮氧化物約15萬噸，節(jié)能減排效果顯著。白鶴灘水電站將與金沙江烏東德、溪洛渡、向家壩，以及長江三峽、葛洲壩水電站共同構成一條世界最大的清潔能源走廊，為助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標發(fā)揮國家隊主力軍作用。
