【消費電子實驗室-2021/6/29】6月28日上午9點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。

一開始，只有微弱的聲響從遙遠的地下傳來，當(dāng)達到額定轉(zhuǎn)速后，腳下的地開始輕微的震動，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點左右，在白鶴灘水電站左岸的地下廠房里，3號機組正在進行過速試驗�！斑^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。東電負責(zé)左岸機組的研發(fā)，而他是這個研發(fā)團隊的負責(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�！耙驗檫@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日先行投入運行。因此在白鶴灘水電站進行可行性研究時，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)倍增加，因為100萬帶來的負荷太大了。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。如果設(shè)計得不夠好，柔軟的水會化作最尖利的“矛”，只消半年左右的時間，就可以把一個鋼化葉片表面打得坑坑洼洼，進而影響整個機組的壽命，嚴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多萬元。

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�！壁w永智說。

三峽建工（集團）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荷范圍內(nèi)，都實現(xiàn)了無空化運行。

造成機組不穩(wěn)定的另一個重要因素是壓力脈動。哈電集團哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司（簡稱哈電）副總經(jīng)理陶星明對《中國新聞周刊》解釋，當(dāng)水進入一個混流式水輪機，在真機運行時穩(wěn)定運行的范圍較窄，由于現(xiàn)實中的水流千變?nèi)f化，一旦偏離設(shè)計工況，水流內(nèi)部容易產(chǎn)生紊流或擾動，也就是所謂的壓力脈動。當(dāng)壓力脈動增大到一定程度時，可能帶來葉片損傷、機組疲勞、機組壽命縮短等后果。

歷史上有很多因為振動而產(chǎn)生重大安全事故的例子，最典型的是俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站事故。2009年8月17日，該電站水輪機頂蓋軸承的振動振幅超過了允許值的4倍，造成頂蓋螺栓斷裂，并瞬間爆發(fā)出來。渦輪連同發(fā)電機轉(zhuǎn)子被強大的能量彈射出運轉(zhuǎn)位置，近200米高程的水壓從機組殘破漏洞中噴射而出，瞬間摧毀了整個發(fā)電廠廠房，造成75人死亡。

和其他機組相比，白鶴灘百萬機組水頭高，最高落差達243.1米，容量大，對機組的穩(wěn)定性提出了更大挑戰(zhàn)。哈電負責(zé)右岸機組研發(fā)，為了提高水輪機的穩(wěn)定性，哈電在右岸采用了長短葉片的創(chuàng)意。常規(guī)的轉(zhuǎn)輪都是15個葉片，但哈電的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)由15個長葉片，15個短葉片組成，一共是30個葉片。

陶星明指出，和常規(guī)葉片相比，長短葉片由于葉片總面積的增加，做功面積增加，整體效率更高，最高效率達到了96.7%，加權(quán)平均率是96.16%。此外，葉片進口適應(yīng)來流的能力增強，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的水流更平穩(wěn)，轉(zhuǎn)輪出口流速分布更合理，水輪機穩(wěn)定性會更好。葉片數(shù)的增多，也降低了無葉區(qū)（導(dǎo)葉出口和轉(zhuǎn)輪進口之間的區(qū)域）的壓力脈動幅值。

百萬機組的難度系數(shù)成倍增加，指的是其綜合技術(shù)難度系數(shù)，單機容量僅僅是一個最直觀的指標(biāo)，在它的背后，需要把所有性能指標(biāo)全部優(yōu)化提升，成為全能冠軍，這才是最大的挑戰(zhàn)。

白鶴灘水電站右岸地下廠房機組安裝現(xiàn)場。攝影/本刊記者 霍思伊

技術(shù)的突破并非一蹴而就。

巨型水電站涉及的不只是一條江、一個省或一個地區(qū)，而是牽涉全國能源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃，因此國家很早就開始了布局。

早在1988年，長江水利委員會就提出了金沙江梯級水電站的開發(fā)規(guī)劃，認為金沙江水急坎陡，江勢驚險，河床陡峻，流水侵蝕力強，有很大的水電開發(fā)潛力，可以開發(fā)成18級梯級水電站，既可西電東送，又兼顧金沙江與長江干流的防洪。當(dāng)時，長江委就建議在金沙江的下游段從上到下依次開發(fā)烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩。其中先行開發(fā)溪洛渡與向家壩，然后是白鶴灘和烏東德。白鶴灘是梯級的第二級。

2006年5月底，在白鶴灘預(yù)可行性研究審查會上，水利工程專家潘家錚院士感慨：“要知道，在相當(dāng)長的時期內(nèi)，這個項目似乎遙不可及，要支持它需要領(lǐng)導(dǎo)的高瞻遠矚和果斷決策�！痹谂思义P說這話之前的十年，中國還沒有自主研發(fā)大型水電站的實力。當(dāng)時，包括水輪機、發(fā)電機設(shè)計等核心技術(shù)幾乎都掌握在外國公司手中，但在1996年，這一切開始改變。

當(dāng)年6月24日，中國三峽總公司在人民大會堂舉行了三峽左岸14臺機組的國際招標(biāo)發(fā)布會，當(dāng)時，來自日本、俄羅斯、加拿大、法國、德國、挪威、瑞士與阿根廷等國的制造商都盯住了這塊“大蛋糕”。為了拿下它，幾家水電巨頭強強聯(lián)合，組成“聯(lián)營體”搶標(biāo)。

長達2000頁的招標(biāo)文件上明確規(guī)定：投標(biāo)者對供貨設(shè)備的經(jīng)濟和技術(shù)負全部責(zé)任，必須與中國有資格的制造企業(yè)聯(lián)合設(shè)計、合作制造，中國制造企業(yè)分包份額不低于合同總價的25％，左岸14臺機組的最后２臺由我方制造、外商監(jiān)造。技術(shù)受讓方分別是哈電和東電。

在三峽之前的魯布革、清江隔河巖、二灘、五強溪等項目，都是直接進口機組，國內(nèi)企業(yè)只能分包制造一些非核心部件，分包中沒有技術(shù)轉(zhuǎn)讓項目。但在三峽左岸中，第一次有了實質(zhì)性的核心技術(shù)轉(zhuǎn)讓。技術(shù)轉(zhuǎn)讓的內(nèi)容由國內(nèi)制造企業(yè)提出清單，實際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)讓了中國所需的出全部技術(shù)。當(dāng)然，中方也為此“大出血”，機組采購總共花了7.4億美元，還支付了1635萬美元購買設(shè)計軟件。

最終，德國福伊特、加拿大GE水電公司與西門子組成的VGS聯(lián)營體中標(biāo)6臺，和東電合作。法國阿爾斯通和瑞士ABB組成的聯(lián)營體中標(biāo)8臺，和哈電合作。

哈電集團電機公司副總工程師覃大清對《中國新聞周刊》回憶，當(dāng)時，一些水電行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)明確意識到，中國的水電核心技術(shù)必須打破外國壟斷，否則早晚有一天會被市場淘汰。他們的這套打法后來被總結(jié)為：引進、消化吸收、再創(chuàng)新。

中國能建葛洲壩機電公司副總經(jīng)理、總工程師陳強參與了三峽左岸建設(shè)。他對《中國新聞周刊》回憶，當(dāng)時讓他印象最深的是，西方企業(yè)不僅在技術(shù)上比中國進步很多，在設(shè)計理念上也非常先進。

三峽項目分為左岸、右岸和地下電站共三期建設(shè)。左岸項目結(jié)束后，在右岸建設(shè)中，中國已開始嘗試機組的國產(chǎn)化設(shè)計、制造。右岸共12臺機組，哈電、東電與阿爾斯通“三分天下”，這是中國企業(yè)首次在同一項目中和外企同臺競爭，而且是獨立設(shè)計。在投標(biāo)階段進行水輪機模型同臺試驗時，哈電和東電的總體性能雖略遜于阿爾斯通，但在一些單項指標(biāo)上，已經(jīng)開始超越，比如機組的穩(wěn)定性。

左岸的模型驗收時，中方工程師發(fā)現(xiàn)并命名了一種“特殊壓力脈動”的獨特現(xiàn)象，即在高負荷的局部區(qū)域會出現(xiàn)壓力脈動突然增強的情況。外國方也不知其成因，認為這是機組的固有特性，難以避免。

1996年，覃大清剛從日本回國，正好參與了三峽左岸項目。他回憶，當(dāng)時大家對機組穩(wěn)定性的認識還很粗淺，國內(nèi)剛起步的水電行業(yè)還在主攻效率和空化。但左岸發(fā)現(xiàn)“特殊壓力脈動”后，哈電和東電立刻投入對機組穩(wěn)定性的研究，并很快調(diào)整思路，轉(zhuǎn)輪的設(shè)計也旨在擴大機組的穩(wěn)定運行范圍，同時兼顧其他性能。后來證明，這個思路是正確的，也為白鶴灘機組打下了基礎(chǔ)。

康永林指出，對百萬機組而言，和效率相比，更重要的是穩(wěn)定性。“發(fā)100萬的電的確是我們的目標(biāo)，但這個電的品質(zhì)要高，機組越穩(wěn)定，輸出的電壓和頻率也更穩(wěn)定。電能品質(zhì)的高低會影響到科研、工業(yè)等關(guān)乎中國發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。因此，電能質(zhì)量的好與壞是影響一個國家工業(yè)化實力的重要指標(biāo)�！彼�說。

從三峽左岸到右岸，中企在消化吸收外國先進技術(shù)的同時，也在跨越式追趕，進行再創(chuàng)新。右岸時，哈電不再采用國外企業(yè)給發(fā)電機定子線圈通水冷卻的辦法，改為空氣冷卻，徹底消除了原有的漏水問題，使運行更加安全。后來在白鶴灘上的技術(shù)審查會上，由于百萬機組的負荷巨大，冷卻是一個關(guān)鍵的技術(shù)難關(guān)，專家在技術(shù)審查會上多次提到，不能用水冷，可靠性太低，必須使用空冷。

趙永智表示，在三峽右岸建設(shè)時期，和三四年前相比，中國水電的研發(fā)實力已經(jīng)有了顯著進步，但和西方的水電研發(fā)水平相比，在水輪機和發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)化效率，以及制造、質(zhì)量控制等一系列流程上，仍有一定差距。當(dāng)時，幾家老牌外國企業(yè)處于第一梯隊，實力相當(dāng)。但從左岸到右岸，既是我國自主研發(fā)的起點，也是中國水電騰飛的起點，這個階段持續(xù)了好幾年，中國水電在此時期開始積累實力，蓄勢待發(fā)。

溪洛渡與向家壩水電站在建設(shè)時，已進入21世紀的頭十年。和三峽時相比，此時中國在機組核心技術(shù)的研發(fā)能力已經(jīng)追上西方，同處于世界領(lǐng)先水平。接下來，就是烏東德和白鶴灘項目。以穩(wěn)定性指標(biāo)為例，據(jù)趙永智介紹，和三峽右岸時相比，白鶴灘機組的壓力脈動幅值總體上降低了約30%。

在三峽集團機電技術(shù)中心負責(zé)人劉潔看來，中國現(xiàn)在的水電技術(shù)，尤其是在混流式水輪發(fā)電機的設(shè)計研發(fā)上，已經(jīng)超越西方，最好的例證就是白鶴灘的招標(biāo)。當(dāng)時，哈電、東電和GE（阿爾斯通已被其收購）、福伊特同臺競爭，在試驗臺上將各自設(shè)計的模型進行數(shù)據(jù)比對，哈電和東電機組的性能略勝一籌，因此，最后是兩家中國企業(yè)中標(biāo)。

在溪洛渡、向家壩和烏東德項目中，中標(biāo)方仍有外國企業(yè)的身影，但在白鶴灘上，首次徹底實現(xiàn)了全國產(chǎn)化。

目前，世界前五大水電站中，中國就有四座。劉潔指出，全球在建和投運的70萬千瓦以上機組有127臺，其中中國有104臺。

對于白鶴灘水電站100萬千瓦的單機容量，最初有一些猶豫和爭議。中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院白鶴灘項目副經(jīng)理何明杰對《中國新聞周刊》回憶，設(shè)計院一直在比較90萬千瓦、95萬千瓦和100萬千瓦三種方案，召開了多次專題會討論。在2006年可研階段的一次討論會上，有專家提出疑問，我國雖然在大型機組上已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，但要想實現(xiàn)100萬千瓦，有幾個關(guān)鍵技術(shù)需要突破原有的極限。

覃大清舉例說，首先，白鶴灘之前的發(fā)電機電壓最高也只有20千伏，如三峽電站，但白鶴灘要求額定電壓是24千伏，電壓升高以后，就給高壓絕緣系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。其次是冷卻問題，因為百萬機組負荷過大，對冷卻的要求極高，我國原本擅長的空冷技術(shù)需要進一步升級。一開始，專家們擔(dān)心直接進入“百萬時代”風(fēng)險太大，主張留出2臺100萬機組做技術(shù)試驗，其余機組仍采用技術(shù)成熟的80萬。但后來，這些技術(shù)障礙先后被攻克。

到了2011年4月，在一次重要的研討會上，大部分專家基本同意全部采用100萬千瓦。時任三峽集團三峽機電工程技術(shù)有限公司黨委副書記兼總經(jīng)理胡偉明在會上明確指出，百萬機組在科研上已經(jīng)論證充分，技術(shù)上不存在大問題。

2011年10月27日～29日，白鶴灘單機容量審查會一共持續(xù)了三天，最終，“百萬方案”被正式通過，與會專家一致認為，100萬千瓦有難度、有挑戰(zhàn)，但是可以實現(xiàn)。

站在白鶴灘水電站壩頂抬頭看去，有七條跨度超過1000米的纜索橫貫金沙江。前一天剛下過雨，水氣混合著因湍急猛浪而翻卷上來的水霧，讓纜機仿佛在云層中穿行。七臺纜機使用七種顏色，這是世界上最大的纜機群，白鶴灘人稱它們?yōu)椤捌呦膳�”�?/div>