在建規模全球第一、單機容量世界第一、裝機規模全球第二……今年6月28日，一陣歡呼聲中，金沙江白鶴灘水電站的左右兩岸兩臺百萬千瓦水輪發電機組高速轉動，首批機組正式投產發電。
白鶴灘水電站是國家能源戰略布局“西電東送”的骨干電源點，是長江防洪體系的重要組成部分。在工程施工建設中，工程人員們攻克多項世界級難題，創造了多項紀錄。與此同時，全球單機容量最大功率百萬千瓦的水輪發電機組，實現了我國高端裝備制造的重大突破。這標志著我國大型水電工程建設完成從“中國制造”到“中國創造”的歷史性跨越。
在建規模世界最大 300米級大壩無一毫米級溫度裂縫
從1991年開始白鶴灘梯級電站建設的前期研究，到2004年白鶴灘水電站全面啟動可行性研究，從2010年正式籌建，再到今年5月31日大壩全線澆筑到頂，經歷三十載艱辛磨礪，白鶴灘水電站終于迎來首批機組投產發電。
作為世界上目前在建規模最大的水電工程，白鶴灘水電站是金沙江下游四個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的第二個梯級，在建設中創造了多項世界紀錄：地下洞室總長217公里，地下洞室群規模世界第一；攔河拱壩高289米，相當于100層樓高，為世界第三；最大泄洪量達到每秒42348立方米，6分鐘即可灌滿整個西湖，樞紐泄洪功率世界第三。
據三峽集團董事長雷鳴山介紹，白鶴灘水電站核心技術均為自主研制，“2022年7月全部機組投產發電后，白鶴灘水電站將成為僅次于三峽水電站的世界第二大水電站。”
在群山峽谷之中建設水電站，發電廠房建在哪？如何讓每臺高50米、重量超8000噸的水輪發電機組安臥其中？對此，三峽集團白鶴灘工程建設部主任汪志林介紹，水電站的引水發電系統設備被安置在兩側山體專門開挖的地下洞室中，地下洞室開挖量達2500萬立方米，“足夠填滿2個西湖”。
與此同時，左右岸的引水發電系統共布置了超過160條隧洞，由進水口、壓力管道、尾水隧洞、尾水出口等建筑物組成，加上各種廊道、管道，從而構成一個龐大的地下洞室群。而左右兩岸的地下廠房長達438米，高度近90米，相當于30層樓高，跨度34米，也是世界之最。這里，正是16臺百萬千瓦機組的“棲息之地”。
施工建設中，工程人員還攻克了300米級特高拱壩溫控防裂的世界級難題。
“白鶴灘水電大壩最大壩高289米，整體計劃澆筑低熱混凝土803萬立方米，規模巨大。”三峽集團白鶴灘工程建設部黨委書記何煒說，大體積混凝土的溫控防裂一直是工程界的難題。混凝土中的水泥水化反應會產生熱量，使得混凝土澆筑后溫度上升，之后再緩慢冷卻到環境溫度。如果不采取有效的溫控措施，任由混凝土熱脹冷縮，難免會產生裂縫。
而白鶴灘水電站大壩做到了沒有一條毫米級的溫度裂縫。何煒介紹，這一方面得益于“北斗”系統的助力，另一方面得益于自主研發的低熱水泥。為實現“無縫”目標，工程人員利用北斗導航系統實現對澆筑階段的實時監控、全面感知。而為從源頭上解決溫度裂縫問題，白鶴灘特高拱壩采用我國自主研發的低熱水泥，有效控制混凝土最高溫度，防止混凝土溫度裂縫。
智能建造系統 破解世界超大“泄洪消能”難題
大量混凝土澆筑條件下，如何實現智能建造，是三峽集團白鶴灘工程建設部工程師劉春風一直關注的重點。得益于長期的水電工程建設經驗，在白鶴灘水電站建設過程中，智能建造系統給每一倉混凝土原材料配上“身份證”，實現智能配比和可追溯。
如今，盯著系統，輕點鼠標，大壩施工全過程數據、科研成果等模塊便依次展開。劉春風介紹，系統實現了全天候不間斷，迅速回應著動態監督、評價預警、終端推送等多方需求，保證最客觀、最直接的數據助力現場科學決策。
在安全穩定的地下洞室開挖完成之后，如何保證大體積混凝土澆筑的質量則是工程人員考慮的重點。“地下廠房橋機最大起重量達1300噸，牽引轉子轉輪吊裝時，需要巖壁梁來承擔這樣巨大的荷載。”汪志林說，如果巖壁梁混凝土澆筑不密實不緊固，后果難以想象。
為了戰勝挑戰，工程人員將白鶴灘地下洞室的建筑物外立面做到了“免裝修”水平。汪志林介紹，“免裝修”就是外立面光滑細膩，混凝土直接澆出，后期不用裝修就已有陶瓷般的觸摸感。這得益于工程人員在澆筑模板選型、結構布置等方面的精益求精。“比如模板的選擇，常規的鋼模板可以重復利用，可一旦模板變形，便會導致澆出的混凝土坑坑洼洼。”為此，建設者們選用了只可使用兩次的模板，以此保證澆筑的平整與光滑。
金沙江流域降水年內分配極不均勻，年降水主要集中在5至10月，可占到年降水量的80%以上。白鶴灘拱壩位于金沙江上的河谷狹窄處，汛期來勢兇猛的強降雨匯入金沙江后，洪水向大壩奔涌而來。最大泄洪量每秒42348立方米，下泄落差高達190米，9萬兆瓦的能量需要消剎。如此大的“泄洪消能”，在世界上難度也最大。
為解決窄河谷、大泄量條件下泄洪消能等問題，負責設計的華東勘測設計研究院采用壩身孔口和岸邊泄洪洞聯合泄洪的方式進行泄洪。工程師們通過對壩身最大泄量的深入研究，合理確定了壩身與岸邊泄洪洞之間的泄量分配比例。針對壩身泄洪消能，工程師們在綜合分析下游河床承受能力、壩身孔口布置方式、壩身開孔對壩體結構影響等因素的基礎上，通過大量水工模型試驗驗證，決定采用“壩身兩層孔口”的布置方案，將壩身孔口的最大泄量控制在30000立方米每秒，泄洪建筑物超泄能力強、運行可靠性高，有效解決了超大泄洪規模不對稱拱壩壩身泄洪消能的技術難題。
“零配重”百萬千瓦機組 助力碳達峰碳中和
據了解，白鶴灘水電站裝機總容量1600萬千瓦，左右兩岸分別安裝8臺100萬千瓦水電機組。6月28日，首批2臺機組投產發電。
據研制發電機組的東方電機有限公司相關負責人介紹，白鶴灘水電站單機容量為百萬千瓦，是世界上單機容量最大的水電機組。水輪機最優效率達到96.7%，發電機額定效率超過99%，是世界效率指標最高的水輪發電機組。
同時，機組定子繞組溫升不超過63K，轉子繞組溫升不超過58K，為水電行業最嚴格的溫升控制水平；額定電壓24千伏，為水電行業最高電壓等級。
發電機組核心部件實現了智能制造。東方電機有限公司工藝部相關負責人鄒應冬介紹，白鶴灘發電機核心部件定子線棒、轉子線圈、定子沖片的生產制造，采用了數字化車間生產，生產效率大幅提高，運營成本大幅降低 ，產品研制周期大幅縮短，產品不良品率和能耗大幅降低。
與以往不同，此次運行機組轉動部件由上萬個零部件構成，重達2600噸，但在總裝后卻實現了“零配重”，成為全球首個巨型水輪發電機組不需試運行配重即滿足精品指標的案例，也是水電史上首個“零配重”機組。
東方電機白鶴灘項目部現場負責人冷建華介紹，百萬千瓦機組由轉輪、轉子、主軸等組成，上萬個零部件組裝。“這些零部件如果不是一個機床生產的，可能都會出現細微的重量差別，那么轉起來就會出現力矩不平衡偏差，需要‘配重’之后才能進入下一個環節。”冷建華說，但白鶴灘百萬千瓦機組實現了“零配重”，幾乎沒有力矩不平衡，說明在研發設計、制造加工、安裝偏差控制上均做到了極致。
值得注意的是，水電站的水輪發電機組零部件已全部實現國產化。據介紹，東方電機充分總結以往經驗，形成了包括機組總體設計、轉輪研發、核心部件制造、磁極繞組空內冷技術、低損耗軸承技術、24千伏絕緣系統、平衡受力新型轉子支架開發等一系列自主知識產權和核心技術。
“水電站完全建成后，年均發電量約624億千瓦時，每年可節約標準煤1968萬噸，減排二氧化碳5160萬噸。”汪志林說，這對于我國按期實現2030年碳達峰、2060年碳中和目標將發揮重要作用。