来自 趣事 2021-08-18 12:52 的文章

中国水电有“创新密码”

1910年,中国第一座水电站——石龙坝水电站因多名外籍工程师缺席,被迫停工;如今,中国的总装机容量和年发电量已跃居世界首位。一百多年过去了,中国水电为什么能实现从无到有、从弱到强的巨大变化?
 
坚持自主创新是中国交出的答卷。
 
从三峡水电站到乌东德水电站,我国水电经历了从“跟随”到“并列运行”再到“领先”的转变,实现了开发利用、运行管理和效益发挥的全面跨越。“中国的水电项目对改善民生和保护环境产生了积极影响。我相信,中国水电在创新方面将继续走在世界前列。”国际大坝委员会主席迈克尔罗杰斯对此表示称赞。
 
7月28日下午3时,随着白鹤滩8号机组转轮成功验收,世界第二大水电工程白鹤滩水电站16台机组转轮加工制造正式宣布。以此为契机,本报记者采访了白鹤滩水电站建设团队,探寻中国水电的“创新密码”。
 
未发现温度裂缝
 
“我在三峡工程工作过,现在体验过白鹤滩。这辈子能参与两个世界一流的水电项目,我感到非常自豪。”白鹤滩工程建设部党委书记何伟站在白鹤滩混凝土双曲拱坝上,狭窄而深邃的河谷里,随着水雾缓缓升起的热风深深打动了他。
 
中国水电在西南,西南水电在金沙。2012年7月,当中国长江三峡集团公司(以下简称“三峡集团”)在金沙江下游全面开发4座梯级水电站时,何伟来到白鹤滩参与项目筹备。
 
白鹤滩水电站位于四川省凉山州和云南省昭通市境内。作为“老一辈”建设者,何伟早已熟知白鹤滩建设中的各种“疑难杂症”。鲜为人知的是,刚到坝区时,复杂的地质条件让他辗转了好几个月。
 
在河谷地区,两岸空间有限,必须通过开挖地下洞室来布置引水发电设备。施工队面临的第一个问题是玄武岩柱状节理,这是世界水电站建设史上罕见的地质现象。
 
“这实际上是发育玄武岩中的一种原始拉张破裂构造。形状像炸薯条,开挖后容易松弛塌陷。”中国科学院院士陈祖禹说。
 
啃硬骨头需要努力。为了找到最佳的解决路径,施工队彻夜讨论施工方案,组织对各种隧道工程进行勘察,广泛寻找参考技术,最终决定按照“开挖一层、分析一层、预测一层、验收一层”的工序动态优化施工方案,确保洞室群整体稳定。
 
尽管更加小心,突如其来的岩爆问题还是让施工队汗流浃背。2019年5月1日,大坝右岸部分隧道段发生岩爆,地表开裂堵塞,迫使白鹤滩施工停滞。
 
何伟和他的同事毫不犹豫地立即在洞室内部增加了大量的监测仪器,迅速组建了一支由国内多位岩石力学专家领衔的科研团队,并基于监测数据深入研究了岩体变化机理,从而开始了一场与时间的赛跑。
 
"救援和加固涉及许多技术问题,不能愚蠢地去做."何伟告诉记者,在初步变形稳定后,队员们第一时间进行现场勘察,做出科学判断和果断决策,争分夺秒开展应急加固工作,历时半年,圆满完成救援任务。
 
在水电建设行业,大体积混凝土的温控防裂一直是公认的世界级难题。“大坝施工需要浇筑大量混凝土,混凝土中水泥的水化反应会产生热量,使得混凝土浇筑后温度升高。如果不采取有效的温控措施,任由混凝土热胀冷缩,必然会产生裂缝。”工程建设部教授级高级工程师孙明伦解释说。
 
超级工程催生了新的材料和工艺。为了从源头上克服“无坝不裂”的困难,白鹤滩水电站首坝采用低热水泥混凝土。与常规中热水泥相比,低热水泥具有低水化热、高后强度和高抗裂性、高耐久性和耐磨性的特点。
 
其实低热水泥的应用绝不是一时兴起,而是长期的工程实践。早在三峡三期工程中,当地就应用了低热水泥混凝土。但由于当时刚刚开发,质量还不稳定,暂时不能全坝浇筑。
 
2013年,在三峡集团的安排下,孙明伦开始负责低热水泥混凝土的性能试验,对低热水泥在白鹤滩大坝的应用进行了全面研究。编写研究大纲,分析反应机理,总结生产经验...创造性地进行了几轮低热水泥鉴定生产后,水泥各项性能最终达到工程要求。
 
2017年4月12日至2021年5月31日,浇筑低热水泥混凝土的白鹤滩大坝浇筑至顶部,总体积803万立方米。“目前,我们白鹤滩大坝已全部浇筑完成,未发现温度裂缝。”孙明伦自豪地说。
 
大坝“视野清晰”
 
白鹤滩水电站最大坝高289米,地下洞室总长217公里,可谓名副其实的“大人物”。但“大人物”有“大智慧”,多项智能建造技术贯穿白鹤滩整个生命建造周期,助力其成为世界上“最聪明”的大坝。
 
中午时分,白鹤滩大坝顶上闪现出一群橙色的身影。工程师们拿着一台笔记本电脑,微调传感器角度,验证收集的数据,并计算设计参数...“你们这些高天赋的学生正在用大太阳做这件事。哦,一点都不懂,感觉很高级。”旁边的工人师傅不断调侃道。
 
众所周知,工人口中的“精品”是白鹤滩智能施工的“关键环节”——大坝施工进度模拟系统。
 
从三峡工程到溪洛渡水电站,施工仿真技术在降低安全隐患、实现精确控制方面发挥了至关重要的作用。然而,白鹤滩工程作为一座300米高的拱坝,规模巨大,结构复杂,以往的仿真技术已不能满足新的要求。面对工程建设管控的新挑战,中国电力建设成都研究院数字化工程团队勇挑重担,努力寻求“问题解决”的新思路。
 
为了让超大混凝土浇筑进度模拟更真实地反映现场实际情况,王飞作为技术负责人一头扎进施工现场。无论是程序设计还是收集一线需求,他都亲自参与;在无数个深夜,他一遍又一遍地进行模拟测试。“开发一个能够代表当今最先进技术的仿真系统是我最大的愿望。”王飞告诉记者。
 
在他的带领下,数字工程团队集思广益,紧密联系,反复计算优化,最终打造了集建模、编制、计算、分析、绘图于一体的整体施工进度仿真系统。“这个系统不仅能模拟混凝土的浇筑场景,还能及时发现问题,提出合理建议。”王飞说,这对提高缆机等资源的利用效率起到了关键作用,为实现汛期和各阶段蓄水目标奠定了基础。
 
智能化建设也为白鹤滩水电站增添了一双“眼睛”,帮助其掌握“物理状态”。
 
据了解,白鹤滩大坝埋设有上万个监测传感器,可以采集温度、应力状态等数据,实时监测运输车辆、缆索起重机、振动器等设备的运行情况。截至目前,监测传感器累计采集温度数据3470万条,质量、安全、施工进度等数据超过10亿条,实现了全过程实时监测预警。“这就像一个人身体不适,他可以抽血化验,开药方治病。”工程建设部副部长陈形象地说。
 
在白鹤滩,智能设计无处不在。据白鹤滩技术管理部副主任周介绍,安装在他手机里的智能供水设备和移动实时诊断控制系统是他最亲密的“工作伙伴”。
 
“混凝土比人更细腻。”周告诉记者,由于混凝土往往升温过快,需要冷却水来控制整个温度变化过程。“过去,大坝供水系统依靠人工控制。按照规范要求,所有仓号至少要每4小时测量一次,需要大量人员,大坝温度情况比较滞后。”
 
如今,智能过水系统可以通过感温仪器实时感知混凝土状态,智能调节水流、温度和时间,进行在线个性化温控,实现对坝体温度全过程的智能精准管理。“有了智能水系统,所有参数一目了然,工程师只需要按时检查系统,非常方便。”何伟说。
 
虽然智能温控不是什么新鲜事,但周指出,从溪洛渡大坝到白鹤滩大坝,实现了从自动温控到智能温控的转变,这是智能化发展的一大步,也是近年来加快水电产业在5G、大数据、云计算等新兴领域布局的宝贵成果。
 
勇敢地攀登“水电珠峰”
 
在世界排名第一的白鹤滩水电站六大技术指标中,百万机组尤为引人注目。作为全球首批100万千瓦水轮发电机组,不仅实现了单机容量的巨大飞跃,还以背后的国产技术标签支撑了“中国创造”。
 
事实上,100万千瓦机组的生产不是一步到位的过程,而是一个长期示范、自我创新、不断实践的过程。
 
1996年,因三峡电站左岸建设需要,我国首次通过国际招标引进14台70万千瓦水轮发电机组。中国企业东方电气和哈尔滨电气与中标方合作,分别完成了机组的设计和制造。虽然国内企业承担了很多供货任务,但由于缺乏整理能力,仍在为国外企业工作。“5000元一吨的高强钢,人家卖给我们7000元,只能用牙买。”何伟回忆道。
 
落后的技术必须被别人控制。为了解决发展困境,中国水电开启了追赶重大装备国产化之路。
 
东方电气白鹤滩项目总代表王晓军表示,通过参与三峡水电站70万千瓦水轮发电机组的开发,短短几年时间就缩小了与国外先进技术30多年的差距;之后,他参与了溪洛渡水电站77万千瓦发电机组的研发,生产技术也有了质的提升。如今,白鹤滩水电站百万千瓦机组的成功投运,意味着中国引领世界水电装备制造进入“无人区”,向“水电珠峰”发起冲击。
 
然而,攀登“水电珠峰”怎么可能是一条坦途?事实上,“国之重器”的核心技术是靠海量的设计图纸、试验结果和计算报告积累起来的。
 
“白鹤滩之前,我国建成机组最大单机容量为85万千瓦,制造100万千瓦机组。发展的难度不是简单的加减,而是多重落差。”工程建设部工程师陈豪说,机身上每个孔的布局和每个叶片的角度都非常讲究,任何看似普通的部件背后都有惊人的计算量。
 
转子是水轮发电机组发电部分的“心脏”,也是机组中最难的部件,直接影响机组的运行效率和稳定性。“转子高4.1米,可以组装到1955吨。它需要承受相当于30万辆车的力,同时加速。”陈豪说:“我们的额定转速是111 rpm,但在极限测试中,即使达到额定转速的151%,也能保证转子完好无损。”
 
在降低损耗、控制污染的同时,如何有效控制机组的轴承性能和冷却效果也是巨型机组制造中的难题之一。为此,白鹤滩特别采用了低损耗轴承技术,使总推力损失降低了25%以上,均满足了高可靠性、高效率、清洁环保的要求。
 
R&D很难,安装和制造也不容易。以转轮焊接为例,所需的马氏体不锈钢材料需要预热,因此工人应穿着厚重的防烫服,趴在异常狭小的空间内进行操作。“普通人可能去不了袖手旁观,而我们工人的师傅在里面工作,他们的手可以像机械臂一样稳定,保证整个焊缝没有缺陷。”陈豪说。
 
大国创新精神与工匠精神的紧密结合,造就了前所未有的高质量百万台。对于高度超过50米的发电机组,一台发电机组的重量约等于一艘驱逐舰的重量,但发电机组的整体摆动不超过一根头发。即使硬币竖立在机架的盖板上,也不会掉下来。
 
“白鹤滩百万千瓦国产化机组的应用,将进一步稳固我国水电技术的世界领先地位,推动我国水电更好更快‘走出去’,为服务国家发展战略提供更加稳定的支撑。”