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堪称“巨型印钞机”,又一国之重器雄起!
2021/8/23 6:36:14    新闻来源:搜狐网

世界水利看中国

作 者丨杨 倩

华商韬略原创文章,转载请联系客服微信:hstlkf

华商韬略·华商名人堂 ID:hstl8888

图片:网络、图虫创意

从一穷二白到称霸全球,中国水利人苦干了70年。

近日,白鹤滩水电站低调投产,引发无数国人为之热泪盈眶。

这座超级巨无霸由中国三峡集团兴建,位于川滇交界,2017年8月正式破土动工,总投资2200亿元,总装机容量1600万千瓦,是仅次于三峡工程的恢弘之作。

但在更多指标上,白鹤滩要远远超过“全球一哥”三峡,站在全球水电群峰之巅。

作为水电站的“心脏”,水轮发电机组相当于手机芯片、电脑CPU,决定了水电站的技术水准。

水轮发电机组仿真模拟

来源:三峡小微

白鹤滩水轮发电机组单机容量100万千瓦,比三峡的70万千瓦还要高,突破了世界极限。更值得骄傲的是,水轮机组全部由我国自主研发,具有里程碑式的意义。

2020年8月18日,白鹤滩水电站1号机组转子成功吊装

来源:中国水电四局

这样的水电机组左右两岸各8台,每台50多米高,重8000多吨,相当于一座埃菲尔铁塔,一艘驱逐舰,或者45头蓝鲸。

每台发电机每运转一秒,产生278度电,相当于一个普通家庭三个月用电量。

但在其每分钟111圈的高速转动下,硬币竖立在旁竟能纹丝不动。机组摆度平均小于100微米,不超过2根头发丝。

即便还未正式完工,白鹤滩水电站已拿下9项世界第一,堪称史诗级工程。

机组方面,就拿下四项全球第一,前无古人后无来者:

  • 单机容量100万千瓦;
  • 发电机额定效率不低于99.01%;
  • 定子绕组温升不超过63K,转子绕组温升不超过58K,属全行业最严温升控制水平;
  • 发电机最高电压等级24千伏,世界第一!

其全球在建规模、地下洞室群规模、300米级高拱坝抗震参数、圆筒式尾水调压室规模、无压泄洪洞群规模等都也打破了全球纪录。

在施工方面,白鹤滩水电站面临的是世界级挑战。

因其选址于金沙江峡谷,呈现不对称V字型,坝区地震基本烈度为8度,岩质“硬、脆、碎”。

两岸峭壁高悬,意味着常规施工无法开展。工程师便在两岸之间建了一道道钢梁索道,将混凝土搅拌车、挖掘机等从空中运送到施工点。为了防止水泥硬化,机器全程不能停止搅拌,对操作者的考验可想而知。

峡谷地形,也决定了其地下厂房隐藏于两岸山体之内,其洞室群规模为全球最大,开挖量2500万立方米,相当于1万个游泳池。地下室总长217公里,是北京到天津距离的1.7倍。

白鹤滩水电站地下厂房

来源:中国三峡集团

白鹤滩也在全球首次全坝采用低热水泥混凝土,创造了没有一条毫米级裂缝的奇迹。

水电站素有“无坝不裂”的魔咒。混凝土凝固时会放热膨胀,内外冷热不均,就会产生裂缝。任何轻微的裂缝,在白鹤滩大坝1650万吨的水推力下,都会埋下溃败隐患。

而温度控制,是无缝大坝的核心。为此,白鹤滩大坝内部安装了7000支温度计、上万个传感器以及循环冷却水管,精确控制水泥温度,成为全球最智能的大坝之一。

目前大坝已合龙蓄水,最大坝高289米,相当于100层楼。4台机组已投产发电,而全部16台机组将于明年7月投产发电。完全投产之前,可发电数百亿度。

若全部投产,发电1小时,一家人可用250年;发电1天,1亿人生活用电无忧。年平均发电量624.43亿千瓦时,可供应上海半年用电,相当于每年节约标煤2000多万吨。

在能量密度上,白鹤滩是三峡水电站的两倍。由于金沙江落差大,同等体积的水,流经白鹤滩时,能产生三峡两倍的电量。

未来,白鹤滩将成为“西电东送”的顶梁柱,与金沙江下游的乌东德、溪洛渡、向家坝联合调度,相当于两个三峡,共同构筑西部最大的清洁能源走廊,为长三角经济持续不断“输血”。

来源:中国三峡集团

除了发电,白鹤滩还能兼顾防洪、拦沙、改善长江中下游通航条件等,综合效益显著。

其总库容206亿立方米,防洪库容为75亿立方米,约等于525个西湖,将有效调节长江汛期洪峰。

原本攀枝花到宜宾七分之六的险滩无法通航,也终将成为历史。

白鹤“晾翅”,再次向世界秀出中国水电的肌肉。

但翻开我国水电大跃进的峥嵘史,也不乏辛酸往事。

此前,中国大型水电项目连续落成的高光时刻,并不能掩盖技术落后的短板,中国水电工程师们,半个多世纪以来一直灰头土脸。

水轮发电机组是水电站的核心部件,由水轮机、发电机构成。在水流推动之下,水轮机把水能转化为机械能,再带动“转子”切割“定子”磁场产生电能。

外国企业在此领域已有上百年积累,中国最初只是亦步亦趋的追赶者。

1827年,法国工程师B·富尔内隆制成6马力的反击式水轮机。1849年,经美国工程师J·B·弗朗西斯设计改进,形成了现代混流式水轮机。

从1878年法国建成世界第一座水电站开始,世界水电已经走过143年历史。

1910年,中国才建成首座现代水电站,即云南昆明石龙坝水电站,拥有两台240千瓦的水轮发电机,发电机来自德国西门子,水轮机来自奥地利。

云南昆明石龙坝水电站水轮发电机上的铭牌

新中国成立初期,在苏联的技术援助下,中国水电装备制造从零起步,建立了哈尔滨电机厂、德阳东方电机厂等。

哈尔滨电机厂作为中国大型水电机组“长子”,如今占据了国产装机总量的二分之一。

但我国水电发展之初,极度依赖进口设备,屡陷价格畸高、捆绑销售、配适性差、技术封锁的困境。

20世纪以来,中国几乎所有重大水利项目,都离不开外国巨头的技术援助,美国GE、德国福伊特(Voith)、法国阿尔斯通、瑞士ABB、日立、三菱等长期垄断着这个行业。

欧洲巨头福伊特制造的水轮机和发电机,贡献全球水力发电量的三分之一。福伊特于1994年进入中国,为中国80个水电站提供了超过240个发电机组,在三峡、溪洛渡、广西龙滩、云南小湾、青海拉西瓦等大型工程中身影频现。

福伊特公司设计制造的乌东德水电站左岸电站2号机组(U2)转子 来源:福伊特官微

1997年,长江三峡水电站上马了当时世界最大的混流式水轮发电机组,单机出力为70万千瓦,转轮直径为9.7米。

在三峡32台70万千瓦水轮发电机组中,阿尔斯通、GE水电都参与了14台机组的设计生产,是三峡项目最大的供应商。

其中,左岸电站14台全由外企承包,VGS联合体(福伊特、西门子、GE)制造6台,阿尔斯通/ABB联合体供货8台。

早在1919年,孙中山在《建国方略》中首次提出开发三峡水电的构想,“以水闸堰其水”。

直到1994年,长江三峡水利工程才正式动工兴建。虽然三峡工程机电设备关键技术攻关从80年代就启动,仍然遭遇卡脖子的困境。

三峡集团白鹤滩工程建设部机电项目部主任康永林仍然记得,三峡电站发电机组核心部件转子所需的硅钢片只能依靠进口,自主研发右岸机组时,外方突然提价2倍。

无奈之下,三峡集团只能与宝钢联手研发。“如果当时放弃了自主研发,可能白鹤滩的硅钢片还是受制于人。”

“成了!”

1951年12月22日,站在机组顶端测量水轮发电机数据,直到叶片慢慢停止转动,吴天霖激动地脱口而出。

天寒地冻中,中国第一个自主研发的水轮发电机在哈尔滨电机厂诞生了。

这台水轮机组装机容量仅有800千瓦,水轮机高1.5米、底座直径1米,在今天的巨无霸面前不值一提,但在当时超越了最高水平210千瓦,完成了不可能的奇迹。

曾在美国西屋公司实习过的吴天霖等工程师白天做试验,夜晚苦学技术,用两个月完成了设计图纸,通过上百个日夜的奋斗,终于实现了中国水电机组设备零的突破。

随后,这颗“中国芯”被安装在四川龙溪河下硐电站,1959年迁到四川苏雄水电站,服役了近60年。

70年后的今天,与新中国成立之初全国发电装机总容量184万千瓦相比,我国水电装机总容量增长了200多倍。

自2014年年底以来,中国水电装机容量和发电量稳居世界第一,水电资源为我国第二大能源主体。2020年,中国水电发电量1.35万亿千瓦时,水电装机容量3.7亿千瓦,占全球之比超过30%。

而我国自研水轮机组装机容量也不断跃上新台阶。

1980年底,哈电集团成功制造出12.5万千瓦水轮发电机组,为当时我国最高级别,专供葛洲坝水电站,其后又相继完成了12套。这是当时我国首次完全自主研发设计的大型水电机组。

1997年,三峡工程从引进技术、合作生产到自主制造特大型水轮发动机组,迅速了缩小与世界先进技术的差距。

三峡水电站

曾经,重大水电工程招标中,中国人只能眼睁睁看着几家国际巨头瓜分数百亿元的诱人蛋糕。

而三峡工程外,中国规划在建的70万千瓦以上机组就有120台以上,大国重器必须掌握在自己手里。

在三峡之前的鲁布革、清江隔河岩、二滩、五强溪等项目,都是直接进口机组,国内企业只能分包制造非核心部件,无法涉足技术转让。

但在三峡左岸采购中,第一次有了实质性的核心技术转让。中方也下了大血本,总共花费7.4亿美元采购机组,还支付了1635万美元用于购买水力、电磁、通风、结构、加工等成套关键技术。技术受让方分别是哈尔滨电气、东方电气集团。

以此为契机,哈电、东电投入巨资进行技术改造,派遣数百人次赴海外取经,死磕70万千瓦机组核心技术,消化吸收后实现了赶超,仅用7年就缩小了与国外技术30多年的差距。此前,国内自主设计的水电机组最高容量仅为32万千瓦。

2004年,哈电、东电与外企同台竞技,各自赢得了三峡右岸4台发电机组合约,掀开了巨型机组国产化的篇章。三峡地下电站6台机组,也交由国内设计、制造。

来源:哈电集团

此后,瀑布沟、金安桥、龙滩、小湾、枸皮滩、水布桠、锦屏等水轮机组订单源源不断涌向东方电气,外企的长期垄断被彻底打破,中国本土水电设备制造业开始扬眉吐气。

2008年8月28日,金沙江向家坝、溪洛渡水电站26台机组招标采购合同尘埃落定,总金额达110多亿元,创下了世界最大水电机组采购纪录。

这次大手笔采购,巩固了三峡水电机组国产化的成果,“中国制造”首次成为了大赢家。

其中,哈尔滨电机厂中标10台,合同金额达44.27亿元。东方电气中标9台。不过,外资仍占据一定份额,天津阿尔斯通中标4台,上海福伊特西门子中标3台。

溪洛渡电站单机容量为77万千瓦,向家坝电站单机容量80万千瓦,又比三峡机组更上一层楼。

差不多同时,100万千瓦水轮发电机研发也被提上日程,将首批应用于白鹤滩水电站,由东电、哈电承建。

这在国内外史无前例,电压等级、绝缘水平、机组稳定性等难度系数更是成倍增加。

“100万千瓦”意味着能量密度极大,每个磁极容量是三峡水轮发电机的2倍,带来电压、电流两大问题。

首先,电压从22千伏特提高到24千伏特,必须解决绝缘问题。其次,转子工作时就像一个1万千瓦的大火炉在燃烧,如果通风冷却不充分,会烧毁整个机组。

就在2006年5月底,白鹤滩预可行性研究审查会上,白鹤滩还被视为一个不可能的项目。

但最终,中国工程师不仅成功攻破技术堡垒,还把损耗降到了最低,电能转化率高达96.7%,每一滴水都不浪费,达到了世界大型混流式机组最高水平。

从大禹治水到3000年前的后稷作水碓,再到都江堰、郑国渠、灵渠等流芳至今的工程,中国水利发展史源远流长,但现代水利兴起只有70多年时间。

“水电兴,则国运兴。”中国经济的高速发展离不开电力,传统化石能源已经对环境破坏巨大。水电作为低碳发电的支柱,对我国实现2030碳达峰有着战略意义。

经过近百年开发,从落后到赶超,如今,中国的全球水电霸主地位无人能及。

中国既是全球水电资源第一大国,也是最大开发国。

目前,全球前12大水电站,有5座在中国,分别是三峡、白鹤滩、溪洛渡、乌东德、向家坝。全球服役的70万千瓦以上机组有127台,中国就有104台。

来源:长江电力官网

据《2019年全国水利发展统计公报》,中国共有9.8万座水库,占全球水坝的一半,2万座在开工发电。中国已建水电总装机容量占世界的37%。高度超过30米的大坝有6539座,占世界的43%。

在国内水利如火如荼发展的同时,我国输出“三峡”标准和建设经验,业务遍及全球140多个国家和地区,在海外投资水电项目超过2000亿元,其中大部分项目分布在东南亚,并逐步拓展到非洲、拉美和南亚。

截至2019年,中国企业参与的海外水电站项目约320座,占据了七成以上海外水电工程市场,排头兵为中国水利水电建设集团公司(简称“中国水电”)、三峡集团、葛洲坝集团、大唐集团等。

在大中型水电站领域,中国水电是全球最大工程承包商,占据市场份额超过50%,也是国内占比超过80%的龙头。

如今,无论是喜马拉雅山大断裂带的巴基斯坦NJ水电站、库容超过三峡的马来西亚巴贡水电站,还是有“东非电塔”之称的埃塞俄比亚吉布Ⅲ水电站,都成为了体现中国建设实力的标志性工程。

“敢叫日月换新天”。事实上,中国水电工程师们在每个海外项目中碰到的难题都没有先例可循,但又凭借刻苦攻坚的精神,将它们都踩在了脚下。

中国公司承建的海外水电站,也纷纷成为老挝、几内亚、苏丹等业主国纸币上的宠儿。

2010年,金康水电站登上5000几内亚法郎的货币。2015年,凯乐塔水电站正式运行,并亮相新版20000几内亚法郎货币。

即使埃博拉疫情肆虐,中国依然顺利交付了上述工程,几内亚首都科纳克里也告别了一天停电400次的窘迫。

2019年1月,三座水坝登上了最新版苏丹100镑面值纸币的背面。

苏丹100镑面值纸币

其中之一的麦洛维大坝位于世界最长河流尼罗河,全长9.2公里,是世界最长大坝。2008年建成之后,苏丹打破了半个多世纪的缺电尴尬,一举拥有了先进的国家电网。

该工程历时5年半建成,位于半沙漠地区,施工条件十分恶劣、技术难度超乎想象。由于坝体太长,采用了除拱坝之外的5种坝型,工程量与三峡相比有过之而无不及,创造了沙漠中的奇观。

麦洛维大坝

鉴于中国工程建设的高水准,苏丹政府已决定由中国企业承建苏丹接下来的15个水电项目。

在非洲,水能资源位居全球第二,但开发率不到10%。近6亿人用不上电,9亿人靠薪火维生,无异于“捧着金碗要饭”。如今,在中国支持下,苏丹、几内亚、埃塞俄比亚等非洲国家都纷纷实现了用电自由。

“到2030年,撒哈拉以南非洲、东南亚和拉丁美洲的新增水电项目中,一半以上将由中国公司建造、投资或拥有。”2021年6月底,国际能源署(IEA)发布的一份报告指出。

从起初筚路蓝缕,无力“装备中国”,如今“装备全球”,“中国装备”已经脱胎换骨,完成了质的飞跃。

哈尔滨电气集团董事长斯泽夫从业40年,见证了中国水利装备制造业由弱到强,从落后追赶到并跑者,从仰视到平视的伟大转变,这个过程仅仅花了不到20年时间。

在斯泽夫看来,中国公司与国际巨头同台竞技,屡屡斩获订单,答案却再简单不过,“靠的就是坚守吃苦、埋头苦干的精神”。

[1]《白鹤滩水电站与共和国装备制造业“长子”哈电集团不为人所知的二三事》对话·CCTV财经

[2]《建成世界唯一百万千瓦机组水电站有多难?》中国新闻周刊

[3]《李永安:我水轮发电机组已具完全自主设计制造能力》新华网

[4]《历时5年半,中国在尼罗河上修了座“非洲三峡”》了不起的中国工程

[5]《提气!中国包揽世界大中型水电站市场》中国能源报

[6]《电机史话》清华大学出版社 作者:戴庆忠

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