白鶴灘水電站如何沖上“百萬級(jí)”

霍思伊

6月27日，白鶴灘水電站。圖/新華

6月28日上午9時(shí)36分，白鶴灘水電站首批機(jī)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(jī)組人員按下了啟動(dòng)按鈕，左岸的1號(hào)機(jī)、右岸的14號(hào)機(jī)正式投產(chǎn)發(fā)電，其他后續(xù)機(jī)組將陸續(xù)投產(chǎn)，預(yù)計(jì)全部機(jī)組將于明年7月投產(chǎn)，屆時(shí)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(jí)電站的第二級(jí)，由三峽集團(tuán)開發(fā)建設(shè)和管理。電站總裝機(jī)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(tái)機(jī)組，左、右岸各8臺(tái)。單機(jī)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(jī)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(dòng)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大，115，130……地面的震動(dòng)感也越來越強(qiáng)，與此同時(shí)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轟鳴聲漸漸充滿整個(gè)空間，并不刺耳，但仿佛和腳下的震動(dòng)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(shí)左右，在白鶴灘水電站左岸的地下廠房里，3號(hào)機(jī)組正在進(jìn)行過速試驗(yàn)。“過速”，即檢驗(yàn)機(jī)組是否能承受得起極端情況下的運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)，3號(hào)機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速是111.1 r/min，但過速測試要把機(jī)組手動(dòng)升速至額定轉(zhuǎn)速的151%。

東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)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(jī)組的研發(fā)，而他是這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。這一次，他比前兩次要平靜一些。作為一個(gè)老機(jī)電，中國水電史上的幾個(gè)重大項(xiàng)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(jī)組運(yùn)行前的調(diào)試，但在調(diào)試白鶴灘左岸的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組時(shí)，他仍然感受到巨大的壓力。“因?yàn)檫@個(gè)機(jī)組太大了，不容半點(diǎn)差錯(cuò)。”他說。

百萬千瓦機(jī)組，是世界水電的“無人區(qū)”。三峽工程雖然總裝機(jī)量世界第一，但單機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了85萬千瓦，它與白鶴灘屬同期項(xiàng)目，已于今年6月16日先行投入運(yùn)營。因此，在白鶴灘水電站進(jìn)行可行性研究時(shí)，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(shí)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(jī)，形成巨大的漩渦，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)，水的勢能于是被轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這是機(jī)組發(fā)電最關(guān)鍵的一步。接下來，轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)水輪機(jī)上面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。而百萬機(jī)組意味著，單個(gè)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每小時(shí)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(tái)百萬機(jī)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(jī)組“變大”后，研發(fā)設(shè)計(jì)的難度系數(shù)指數(shù)倍增，因?yàn)?00萬帶來的負(fù)荷太大了。在百萬機(jī)組的技術(shù)攻關(guān)清單中，水輪機(jī)設(shè)計(jì)居于首位。一個(gè)水輪機(jī)的研發(fā)，首先要從已有的模型庫中選取一個(gè)最接近白鶴灘水力條件的初始模型，通過大量的仿真計(jì)算不斷優(yōu)化，再將計(jì)算機(jī)里的仿真模型按比例微縮制造出來，拿到試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模擬運(yùn)行。試驗(yàn)臺(tái)將會(huì)模擬出白鶴灘水電站全年的真實(shí)水力情況，在無限接近真機(jī)運(yùn)行環(huán)境的條件下，來檢測水輪機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足要求。

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的最核心部件，也是機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化上，其葉片的設(shè)計(jì)直接決定著水輪機(jī)的過流能力、水力效率、空蝕性能及整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，在優(yōu)化時(shí)，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(jī)的性能好壞有三個(gè)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(jī)械能的效率;二是穩(wěn)定性;三是空化系數(shù)。

當(dāng)水帶動(dòng)水輪機(jī)做功時(shí)，在局部水流中會(huì)突然短暫地產(chǎn)生氣泡，并很快潰滅，這個(gè)過程就是空化。發(fā)生空化時(shí)，產(chǎn)生氣泡的地方壓力低，周邊的水壓力高，于是它們會(huì)高速射向氣泡潰滅的位點(diǎn)。空化會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的壽命，嚴(yán)重時(shí)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(jī)組穩(wěn)定性的一個(gè)重要原因。

東電先后研發(fā)了20多個(gè)水輪機(jī)模型，每個(gè)模型都經(jīng)過計(jì)算、制造成微縮模型，在試驗(yàn)臺(tái)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(gè)模型的投入約20萬元。

最后通過驗(yàn)收的水力模型實(shí)現(xiàn)了各性能的全方位提高，由此換算成真機(jī)的原型的最高效率達(dá)到96.7%，也就是說，在整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行過程中能量轉(zhuǎn)換最充分的那一點(diǎn)上，其勢能96.7%都轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能。而加權(quán)平均效率，即水輪機(jī)一年四季運(yùn)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(jī)電項(xiàng)目部主任康永林對(duì)《中國新聞周刊》表示，水輪機(jī)效率的提升，越接近100%，每提升一個(gè)小數(shù)點(diǎn)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(jī)組運(yùn)行擺度已經(jīng)進(jìn)入“五道時(shí)代”（1 道=0.01 毫米）。試想一個(gè)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(gè)機(jī)組的擺動(dòng)幅度卻比一根頭發(fā)絲的直徑還要小。1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)后，整個(gè)機(jī)組擺度的最大值只有0.05毫米，即“五道”。每個(gè)水頭下，從空載到最大保證負(fù)荷范圍內(nèi)，都實(shí)現(xiàn)了無空化運(yùn)行。