白鶴灘水電站如何沖上“百萬級”

霍思伊

6月27日，白鶴灘水電站。圖/新華

6月28日上午9時36分，白鶴灘水電站首批機組正式投產(chǎn)發(fā)電。

金沙江兩側(cè)的高山深谷地下，左、右岸廠房的機組人員按下了啟動按鈕，左岸的1號機、右岸的14號機正式投產(chǎn)發(fā)電，其他后續(xù)機組將陸續(xù)投產(chǎn)，預(yù)計全部機組將于明年7月投產(chǎn)，屆時一天的發(fā)電量可滿足50萬人一年的生活用電，未來將成為中國“西電東送”的主力。

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界處，是金沙江下游梯級電站的第二級，由三峽集團(tuán)開發(fā)建設(shè)和管理。電站總裝機容量為1600萬千瓦，僅次于三峽，是世界第二大水電站。白鶴灘水電站共有16臺機組，左、右岸各8臺。單機容量達(dá)100萬千瓦，居世界第一，是世界上僅有的百萬千瓦水輪發(fā)電機組。

“幾乎每一滴水都為我所用”

一開始，只有微弱的聲響從遙遠(yuǎn)的地下傳來，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，腳下的地開始輕微震動，轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大，115，130……地面的震動感也越來越強，與此同時，機組運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轟鳴聲漸漸充滿整個空間，并不刺耳，但仿佛和腳下的震動形成某種奇特的“場”。

面向下游，北岸為左，南岸為右。6月9日晚8時左右，在白鶴灘水電站左岸的地下廠房里，3號機組正在進(jìn)行過速試驗。“過速”，即檢驗機組是否能承受得起極端情況下的運行。根據(jù)設(shè)計，3號機組的額定轉(zhuǎn)速是111.1 r/min，但過速測試要把機組手動升速至額定轉(zhuǎn)速的151%。

東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司（簡稱東電）總經(jīng)理助理趙永智這天照例出現(xiàn)在現(xiàn)場。東電負(fù)責(zé)左岸機組的研發(fā)，而他是這個研發(fā)團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人。這一次，他比前兩次要平靜一些。作為一個老機電，中國水電史上的幾個重大項目趙永智都沒有缺席，從三峽到溪洛渡，他經(jīng)歷過無數(shù)次機組運行前的調(diào)試，但在調(diào)試白鶴灘左岸的1號、2號機組時，他仍然感受到巨大的壓力。“因為這個機組太大了，不容半點差錯。”他說。

百萬千瓦機組，是世界水電的“無人區(qū)”。三峽工程雖然總裝機量世界第一，但單機容量只有70萬千瓦，金沙江下游的溪洛渡和向家壩水電站的單機容量分別是77萬千瓦和80萬千瓦，下游另一座水電站烏東德則實現(xiàn)了85萬千瓦，它與白鶴灘屬同期項目，已于今年6月16日先行投入運營。因此，在白鶴灘水電站進(jìn)行可行性研究時，擺在工程師們面前的挑戰(zhàn)是：從80萬千瓦直接過渡到100萬千瓦，在技術(shù)上是否有可能實現(xiàn)？

水電站的關(guān)鍵在于能量轉(zhuǎn)化。想象一下，當(dāng)金沙江上游的滾滾江水持續(xù)不斷地通過壓力鋼管涌入水輪機，形成巨大的漩渦，帶動水輪機轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)，水的勢能于是被轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能，這是機組發(fā)電最關(guān)鍵的一步。接下來，轉(zhuǎn)輪帶動水輪機上面的發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。而百萬機組意味著，單個機組滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，每小時最多可以發(fā)100萬千瓦的電。以東電所在的四川省德陽市為例，一臺百萬機組全力發(fā)電365天，可滿足德陽全市一整年的用電需求。

趙永智解釋說，機組“變大”后，研發(fā)設(shè)計的難度系數(shù)指數(shù)倍增，因為100萬帶來的負(fù)荷太大了。在百萬機組的技術(shù)攻關(guān)清單中，水輪機設(shè)計居于首位。一個水輪機的研發(fā)，首先要從已有的模型庫中選取一個最接近白鶴灘水力條件的初始模型，通過大量的仿真計算不斷優(yōu)化，再將計算機里的仿真模型按比例微縮制造出來，拿到試驗臺上進(jìn)行模擬運行。試驗臺將會模擬出白鶴灘水電站全年的真實水力情況，在無限接近真機運行環(huán)境的條件下，來檢測水輪機的各項性能指標(biāo)是否滿足要求。

轉(zhuǎn)輪是水輪機的最核心部件，也是機組中研發(fā)難度最大、制造難題最多的關(guān)鍵部件之一。水力模型研發(fā)的創(chuàng)新性就體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化上，其葉片的設(shè)計直接決定著水輪機的過流能力、水力效率、空蝕性能及整個機組的運行穩(wěn)定性。因此，在優(yōu)化時，葉片的長短、葉形的幾何參數(shù)、葉片如何扭曲、沖角是多大、葉片的粗糙度等都需要研究。

衡量水輪機的性能好壞有三個重要參數(shù)，一是能量轉(zhuǎn)化效率，也就是水的勢能轉(zhuǎn)化成機械能的效率;二是穩(wěn)定性;三是空化系數(shù)。

當(dāng)水帶動水輪機做功時，在局部水流中會突然短暫地產(chǎn)生氣泡，并很快潰滅，這個過程就是空化。發(fā)生空化時，產(chǎn)生氣泡的地方壓力低，周邊的水壓力高，于是它們會高速射向氣泡潰滅的位點。空化會影響整個機組的壽命，嚴(yán)重時甚至可能造成葉片斷裂，釀成重大事故。此外，空化破壞也是影響機組穩(wěn)定性的一個重要原因。

東電先后研發(fā)了20多個水輪機模型，每個模型都經(jīng)過計算、制造成微縮模型，在試驗臺上經(jīng)歷白鶴灘的春秋冬夏，發(fā)現(xiàn)不行，再推倒重來。每個模型的投入約20萬元。

最后通過驗收的水力模型實現(xiàn)了各性能的全方位提高，由此換算成真機的原型的最高效率達(dá)到96.7%，也就是說，在整個水輪機運行過程中能量轉(zhuǎn)換最充分的那一點上，其勢能96.7%都轉(zhuǎn)換成了機械能。而加權(quán)平均效率，即水輪機一年四季運轉(zhuǎn)下來的綜合效率，達(dá)到95.92%。“我們在水電上可以說做到了極致，幾乎每一滴水都為我所用。”趙永智說。

三峽建工（集團(tuán)）有限公司白鶴灘工程建設(shè)部機電項目部主任康永林對《中國新聞周刊》表示，水輪機效率的提升，越接近100%，每提升一個小數(shù)點都非常困難，中國在這方面的性能優(yōu)化上已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

在穩(wěn)定性上，左岸機組運行擺度已經(jīng)進(jìn)入“五道時代”（1 道=0.01 毫米）。試想一個重8000多噸、高50多米的龐然大物，正以每分鐘111.1圈的速度旋轉(zhuǎn)，但整個機組的擺動幅度卻比一根頭發(fā)絲的直徑還要小。1號機組并網(wǎng)后，整個機組擺度的最大值只有0.05毫米，即“五道”。每個水頭下，從空載到最大保證負(fù)荷范圍內(nèi)，都實現(xiàn)了無空化運行。