三峽工程的成功,成為水電業(yè)界的典范

（加）唐納德?庫爾森

世界上人口最多的中國，現(xiàn)在已成為僅次于美國的第二大經(jīng)濟(jì)實(shí)體，世界上許多國家人民的日常生活，都離不開中國物美價廉的產(chǎn)品。中國的國際地位已明顯為世界所矚目，在某些技術(shù)領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位，水電資源開發(fā)就是其中之一。到2015年，包括三峽升船機(jī)在內(nèi)的三峽工程將要完建。現(xiàn)在，三峽左右岸電站已經(jīng)竣工，它標(biāo)志著世界上最大裝機(jī)容量的水電站的誕生。為獲得水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的最優(yōu)性能，三峽工程需要設(shè)備制造商投入到長期的、重要的和有價值的產(chǎn)品研發(fā)中去，其結(jié)果是有力推動著中國水電建設(shè)進(jìn)入又一個發(fā)展高潮。

水力發(fā)電是可再生的清潔能源。在2011年寫作本文時，按每單位容量和能量計(jì)算的成本，同其他與環(huán)境友好的能源——風(fēng)能、太陽能、地?zé)嵯啾龋Πl(fā)電要便宜很多。此外，如果還考慮到對電力系統(tǒng)的可靠性和可利用率的影響，水力發(fā)電也因此更具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)加拿大的統(tǒng)計(jì)，某一特定水電站的設(shè)計(jì)能力，考慮到計(jì)劃停機(jī)檢修、維護(hù)，和由于零件磨損導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)在內(nèi)，一旦該電站全面投入運(yùn)行，其總利用率可達(dá)到90%左右。在加拿大，在水電站運(yùn)行壽命期內(nèi)，非計(jì)劃停機(jī)率通常小于設(shè)備容量的3%，甚至有一些水電站，在已過去的運(yùn)行期內(nèi)，非計(jì)劃停機(jī)率甚至小于設(shè)備容量的1%。

許多發(fā)達(dá)國家已開發(fā)的水電資源，已占其技術(shù)開發(fā)資源總量的90%。就擁有豐富的還未開發(fā)的水力資源而言，加拿大和中國得天獨(dú)厚。例如，在2011年，加拿大已投入運(yùn)行的水電站總裝機(jī)容量達(dá)到7200萬千瓦，還有待開發(fā)的水電資源總量估計(jì)為16300萬千瓦。這意味著，到目前為止，加拿大只開發(fā)其潛在水電資源的31%。中國同樣也擁有可觀的水電資源儲備，其己開發(fā)的占其水電資源總量的34%。兩國在未來水電發(fā)展的前景是非常光明的。水力發(fā)電與其他清潔能源相比，還具有的最大優(yōu)勢，就是在許多電站的廠址處，為城鎮(zhèn)提供了經(jīng)濟(jì)的水源儲備。這意味著，人們能夠建設(shè)許多水電站，為電力系統(tǒng)提供可靠的、可再生的調(diào)峰電量----其每瓦產(chǎn)生的價值是徑流式擔(dān)任基荷的水電站，或者傳統(tǒng)的熱電站或核電站所產(chǎn)生價值的好幾倍。電站負(fù)荷系數(shù)越高，電站越是在接近基荷下運(yùn)行。明顯的例子如下：

加拿大拉布拉多丘吉爾瀑布水電站電站負(fù)荷系數(shù)約為79%中國三峽水電站（26臺機(jī)組）電站負(fù)荷系數(shù)約為53%美國大古力水電站電站負(fù)荷系數(shù)約為23%

由此可以看出，水電站的作用，除了為能源系統(tǒng)貢獻(xiàn)其電量外，其貢獻(xiàn)大大超過了電站自身提供能量的能力，還提供容量以滿足系統(tǒng)調(diào)峰要求和負(fù)荷/頻率調(diào)節(jié)的需要。

水力發(fā)電已有近200年的歷史。中國的水電起步始于100年前。自從中國實(shí)行“改革開放”政策以來，以三峽工程為標(biāo)志的水電建設(shè)，有了很大的發(fā)展。從2000年至2009年短短10年間，中國水電裝機(jī)容量由7935萬千瓦增加到1.97億千瓦。使中國成為水力發(fā)電總裝機(jī)容量和水力發(fā)電總量最大的國家。

中國2009年水力發(fā)電量達(dá)到5544.95億千瓦時，年發(fā)電量列世界第一位。三峽電站多年平均發(fā)電量為847億千瓦時，計(jì)在建的右岸地下電站6臺單機(jī)容量70萬千瓦機(jī)組，雖然三峽電站年平均發(fā)電量的數(shù)值不會有大的改動，但到2012年三峽工程左、右岸電站、地下電站完工時，增加的機(jī)組將使三峽電站的總裝機(jī)容量改寫為2240萬千瓦，電站負(fù)荷系數(shù)將降低到43%左右，極大提升了三峽電站提供峰荷的能力和防洪調(diào)度的能力。

中國是5000年的文明古國，在長期發(fā)展過程中形成了“兼收并蓄”的文化。中國的水電設(shè)計(jì)和建設(shè)，特別是水力機(jī)械行業(yè)，在過去的近二十年取得了長足的進(jìn)步，并極大提升了國際市場參與度。中國的工程師從他們的國際同行、國際咨詢公司和設(shè)備制造商那里學(xué)到了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。中國的工程師積極參與重要的國際水電組織，包括國際電工委員會水輪機(jī)技術(shù)委員會（IEC/TC4）、國際水力工程研究協(xié)會（IAHR），國際水電協(xié)會（IHA）的技術(shù)活動。同時積極參與IEC/TC4制（修）訂國際標(biāo)準(zhǔn)的工作組的活動，以及IAHR開展的研究活動。2002年，IEC/TC4全體會議首次在中國召開。

三峽工程，由于其水輪機(jī)部件尺寸巨大，無論是從混流式水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)還是從制造方法方面，它比當(dāng)時任何水電工程向設(shè)備設(shè)計(jì)者提出了最重大的挑戰(zhàn)。正由于此，三峽工程吸引了世界上頂級設(shè)備制造商的參與。在這方面我感到與中國的關(guān)系特別親切。這是由于我兒子斯圖爾特·庫爾森曾在加拿大通用電氣公司（GE Canada）與德國福伊特公司（Voith）的“VGS”聯(lián)營體中，領(lǐng)導(dǎo)了聯(lián)營體中水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)。“VGS”聯(lián)營體與中國東方電機(jī)有限公司合作，向三峽左岸電站提供6套水輪發(fā)電機(jī)組。三峽水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量也向他們提出了同樣的挑戰(zhàn)。在三峽工程建設(shè)過程中，吸引了許多合格的國際咨詢公司的參與。由于三峽左、右岸電站的機(jī)組尺寸巨大，機(jī)組臺數(shù)多，三峽工程從開工到首批機(jī)組發(fā)電長達(dá)10年。現(xiàn)在，三峽左、右岸電站26臺70萬千瓦機(jī)組已全部通過不同運(yùn)行水位、不同運(yùn)行負(fù)荷的運(yùn)行檢驗(yàn)，全部成功在電網(wǎng)運(yùn)行。三峽工程的成功，己成為水電業(yè)界的典范。

《原型水輪機(jī)運(yùn)行研究》一書由三位中國著名的水輪機(jī)技術(shù)專家黃源芳、劉光寧、樊世英共同編寫。這部富含眾多工程實(shí)踐的著作，凝聚了作者40余年在中國水力發(fā)電領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn)。本書側(cè)重于通過原型水輪機(jī)運(yùn)行研究實(shí)踐，展現(xiàn)其對國內(nèi)外水輪機(jī)技術(shù)研究的成果。它為國際同行提供了一個了解中國水電技術(shù)發(fā)展，特別是了解三峽機(jī)組之所以獲得成功的好機(jī)會。

《原型水輪機(jī)運(yùn)行研究》的中文版于2010年4月由中國電力出版社在北京出版，全書分為三個部分。第一部分介紹原型水輪機(jī)運(yùn)行的專題研究成果，包括研究方法的論述和運(yùn)行中異常現(xiàn)象的解讀。第二部分是調(diào)查研究專題成果，包括中國10座大型水電站以及美國大古力、巴基斯坦塔貝拉和俄羅斯薩陽·舒申斯克水電機(jī)組的最新資料，為我們提供了比較系統(tǒng)的技術(shù)信息和事故處理經(jīng)驗(yàn)。第三部分扼要介紹三峽水電機(jī)組特別是水輪機(jī)的技術(shù)論證、工程設(shè)計(jì)、技術(shù)方案、采購合同、模型試驗(yàn)和原型水輪機(jī)試驗(yàn)、電站運(yùn)行的成果。本書不僅闡述了三峽的水輪機(jī)，而且對當(dāng)前業(yè)內(nèi)存在的其他重大技術(shù)問題也給予了特別關(guān)注。

《原型水輪機(jī)運(yùn)行研究》的英文版由于篇幅限制，只譯出第一、二部分主要章節(jié)以及第三部分的全部內(nèi)容。

這部書并不是關(guān)于水輪機(jī)理論研究方面的著作，它是對這個重要領(lǐng)域（原型水輪機(jī)運(yùn)行研究）的過去和現(xiàn)在的工程實(shí)踐的全面總結(jié)。據(jù)我所知，這是世界上第一部致力于原型水輪機(jī)運(yùn)行研究方面的專著。該書中文版闡述了原型水輪機(jī)運(yùn)行研究方法、中國許多大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的詳細(xì)案例，包括著名的三峽水電站。英文版與中文版相類似，主要闡明研究方法、中國許多大型水電機(jī)組運(yùn)行研究綜述以及對三峽機(jī)組的研究。這部基于工程實(shí)踐的專著為世界水輪機(jī)行業(yè)獻(xiàn)上了一份真正的禮物。

我在水力發(fā)電行業(yè)工作了近51年。第一個5年是在加拿大多米寧工程公司（即后來的GE水電公司）工作，這是一家加拿大的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的供貨商。隨后的36年間先后在兩家加拿大工程咨詢公司工作。最近的11年，我成立了自已的私人顧問公司，為私營和公營的公司提供新電站設(shè)計(jì)及電站運(yùn)行出現(xiàn)的技術(shù)難題的解決方案。我曾擔(dān)任13年（1989-2002）的IEC/TC4（國際電工委員會水輪機(jī)技術(shù)委員會）的主席，于2002年在北京召開的IEC/TC4全體會議上卸任。37年來，我一直是參與加拿大IEC/TC4國家委員會工作活躍的成員。在此期間，也積極參與IAHR（國際水力工程與研究協(xié)會）的活動。我結(jié)識了世界各地的業(yè)內(nèi)專家并同他們建立了深厚的友誼。我曾隨同加拿大水電友好代表團(tuán)多次訪問中國，我曾有幸受世界銀行的授權(quán)參與了中國南方廣西龍灘水電工程的前期工作。與中國同行建立起的合作關(guān)系和友誼時時激動著我。

我與黃源芳先生相識近20年。我們經(jīng)常在國際會議上見面，多次聽到他對三峽工程及其水電機(jī)組精辟的講演。他曾是中國三峽工程開發(fā)總公司（2009年更命為中國長江三峽集團(tuán)公司）的副總工程師，主持過機(jī)電工程部的工作。從1997年至2005年連續(xù)4次擔(dān)任IEC/TC4全體會議的中國首席代表，是2002年首次在中國舉行的IEC/TC4北京全體會議的領(lǐng)導(dǎo)者、組織者之一，并作為東道主邀請與會專家參觀三峽工程。北京全體會議開得非常成功，被與會專家稱為“北京模式”。黃源芳先生先后為IEC/TC4第27、29工作組成員。他的技術(shù)活動，為中國原型水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性研究、空蝕和泥沙磨損研究，為協(xié)助IEC/TC4在該領(lǐng)域正在進(jìn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作做出了重大貢獻(xiàn)。

許多無法接受的原型水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象都與引水管路系統(tǒng)的共振有關(guān)。在這種情況下，即便是采用對水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展必不可少的計(jì)算流體動力學(xué)方法和水輪機(jī)模型試驗(yàn)方法，也不能輕而易舉地防止這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。因此，《原型水輪機(jī)運(yùn)行研究》的英文版本的面世，將會引導(dǎo)國際水輪機(jī)業(yè)界向更加重視電站水電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐，更加重視對各個不同電站、不同水輪機(jī)個案研究的方向發(fā)展。它也會引導(dǎo)業(yè)界更多重視不斷追求完善的原型水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究，促進(jìn)業(yè)主和制造商的技術(shù)進(jìn)步。

作者請我為該書英文版作序，我感到十分榮幸。國際水電界也會對在中國和其他地方在這領(lǐng)域取得的進(jìn)步感到自豪。本書對三峽在內(nèi)的大型水電機(jī)組展開了深度討論，為那些希望更多了解中國水輪機(jī)行業(yè)的人們提供了可靠的第一手資料。我真誠地向讀者推薦此書，也對黃先生和他的同事做出的重要努力表示感謝。