白鶴灘水電站背后的創新密碼

全球首臺百萬千瓦水輪發電機組、首次全壩使用低熱水泥混凝土、世界“最聰明”的智能大壩、世界最大的地下廠房……大國重器白鶴灘水電站實現了多個世界之最。而這背后，是中國幾代水電人數十年如一日的不懈探索，他們一步一個腳印，用行動書寫出中國水電裝備實現跨越式發展的篇章。

從中國制造到中國創造水電站單機容量世界第一

2022年9月22日，在萬眾矚目下，白鶴灘水電站左岸機房內液晶顯示器上8號機組的數字不斷跳動，白鶴灘水電站8號機組順利通過并網調試72小時試運行，正式轉入商業運行，這標志著白鶴灘水電站左岸機組全部投產發電。

百萬千瓦水輪發電機組

每個發電機組單機發電量達百萬千瓦，單機百萬千瓦是整個水電站最為獨一無二的標簽。

“單機百萬千瓦，可以說是前無古人，后無來者。”白鶴灘水電站工程樞紐部分設計總工程師陳建林介紹，在白鶴灘水電站前期論證過程中，發現白鶴灘的流量和水頭具有得天獨厚的優勢，可以達到百萬千瓦的標準。但在此之前，總發電量世界第一的三峽大壩單機發電量也只有70萬千瓦。要建造百萬千瓦的單機容量，沒有任何標準可以參考借鑒。

如何建成單機百萬千瓦水輪發電機組？對中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司（下簡稱“華東院”）來說，最重要的是進行可行性論證，并制定機組各項指標的標準。為了不浪費白鶴灘水電站的天然優勢，華東院專門成立了相關課題組，聯合業界的專家和學者進行了大量的分析論證工作，成功提出了百萬機組可行的研制參數指標，包括運行方式、葉片型式、轉輪加工方式等，從而指導我國制造廠自主研制出了國際領先水平的白鶴灘水電機組。

千百次試驗，千百次論證，研究人員歷經多年的心血，2021年6月28日，白鶴灘水電站1號和14號發電機組正式發電。那天，看著控制柜上跳動的數字，聽著廠房機組轟鳴的聲音，參建人員們熱淚盈眶。而單機發電量百萬千瓦的這一成就，實現了中國大型水電工程建設從中國制造到中國創造的歷史性跨越，攀上了當今世界水電行業的“珠穆朗瑪峰”。

精工鑄就“千層餅”“0.02毫米”彰顯工匠精神

白鶴灘水電站百萬千瓦水輪發電機組的核心部件——轉子磁軛，由16 000多張磁軛沖片疊成，高度近4米，直徑超過15米，重達1 200多噸，猶如一張超大號的“千層餅”。

就白鶴灘水電站百萬千瓦水輪發電機組而言，機組運行時轉子每分鐘轉速可達到111圈。這16 000多張磁軛沖片哪怕有一點細微的不均勻、不平整，都會造成整個轉子重量的不均勻，機組旋轉時就會產生巨大的離心力。

高速旋轉時巨大的離心力就會造成相關零部件損壞，威脅整個發電機組的安全，但是要想讓16 000多張磁軛沖片堆疊起來依然均勻平整，那每一層都必須做得極其均勻平整。

磁軛沖片采用了行業先進的數字化車間激光切割而成，有效確保了加工精度。每片沖片有60千克重、4毫米厚，需要建設者分900層手工疊裝成一個高3.6米、直徑超過15米的圓形，這其中需要1 500余根拉緊螺桿、3 000多個螺母進行固定。

磁軛疊裝

然而，即使每張沖片只有0.1毫米的偏差，疊裝后就會放大900余倍，如果不加以控制和調整，將會嚴重影響機組的安全穩定運行，這考驗著每一個技術人員的能力和心態。

轉子是個龐然大物，磁軛疊裝卻是“繡花功夫”。

在創造精品的過程中，東方電氣集團白鶴灘項目團隊通過精細稱重、動態監測等一系列手段，讓磁軛疊裝過程全程受控。通過控制轉子磁軛圓柱度和同心度，使磁軛和整個轉子形成“同心圓”。由于疊加的層數有900層之多，每疊裝150層，技術團隊就要在斷面上均衡選取54個點位進行精度測量，嚴格控制磁軛的半徑偏差，同時進行壓緊作業，以控制整體高度和圓度。

“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。”組裝的最終數據顯示，直徑15米的磁軛外圓，表面最高點與最低點之差沒超過0.36毫米，遠優于精品標準要求的1毫米，疊裝形成的磁軛中心相對理論中心偏差沒超過0.02毫米，僅相當于一根頭發絲直徑的1/3，遠優于精品標準要求的0.15毫米。

打破世界級魔咒特種水泥解決“無壩不裂”難題

從空中鳥瞰白鶴灘水電站，景色極為壯觀：在兩岸高聳的峽谷間，雙曲拱形的大壩線條流暢、造型優美，如孔武有力的壯士一般輕輕托住了如掛半空的一江碧水。而多柱白色的尾水從壩體噴涌而出，以一瀉千里之勢，直撲下游的溪洛渡而去。

壩高289米，相當于100層樓，整體澆筑低熱水泥混凝土803萬立方米，從外形看，白鶴灘水電站絕對是個大塊頭。

在業界，水電混凝土大壩都面臨一個魔咒——“無壩不裂”，這是橫亙在水電站建設過程中的世界級難題。白鶴灘水電站尤其如此，規模巨大，壩體結構不對稱，加上持續的干熱、大風天氣，導致溫控難度極大。

為此，科研人員研制出特種水泥——低熱硅酸鹽水泥，也叫低熱水泥。它具有水化熱低、放熱速率慢、堿含量低、后期強度增進率高等優良性能，為解決大體積混凝土開裂問題提供了更好的技術途徑。同時，在每一方澆筑的混凝土中，都埋設有數支溫度傳感器和循環冷卻水管，可以實時監測混凝土內部的溫升，并進行相應降溫。

鳥瞰白鶴灘水電站

自開澆以來，白鶴灘水電站大壩沒有出現一條溫度裂縫。2019年，在鉆孔取芯質量檢查過程中，人們從大壩取出25.7米混凝土長芯，混凝土芯樣光滑密實、骨料分布均勻、氣泡少。這樣一份高質量混凝土澆筑施工成績單的背后是建設者對大國重器質量細節的精準把控。

智能高拱壩建設“最強大腦”提升工程效率

從長江到金沙江，三峽集團組織創新“300米級溪洛渡拱壩智能化建設關鍵技術”，開創了我國智能高拱壩建設的先河。而白鶴灘水電站則借助物聯網、云計算以及大數據等技術，向建設管理智能化又邁出了一大步。

在白鶴灘工程建設部技術管理部副主任周孟夏看來，手機中安裝的智能通水系統和施工過程智能監控系統，是他最親密的“工作伙伴”?！按髩问┕ぶ?，混凝土溫度控制的主要手段是冷卻通水，以前全靠人工操控。按照規范，至少每4個小時就要對所有倉號進行一次測溫，需要投入大量的人員手工操作，大壩溫度情況掌握也比較滯后。”

如今，智能通水系統不僅能實時感知溫度，還可以自主分析溫度變化趨勢，按照預設的控制算法進行自動調控。在降低人工作業強度的同時，極大提升了工程效率與溫控精度。

“這個‘最強大腦’還可以積累工程實踐數據，通過大數據分析完善預設的經驗算法，進行部分自主決策，進而實現現場快速響應。如此一來，工程師便能從大量日常管理工作中解放出來，僅在數據異常時糾偏處理即可，管理效率隨之提高?！敝苊舷慕榻B。

白鶴灘水電站工程夜景

白鶴灘水電站左岸地下廠房全景

“最強大腦”高效整合物質流與數據流，為精細化施工創造了更大的空間。

以混凝土振搗為例，振搗幾遍，振搗棒型號如何選擇，初振多久，復振多久，這些專業試驗的參數都會印成標準化工藝手冊，用以培訓員工。

如今，這些標準被“翻譯”成代碼進入智能系統，智能系統實時分析振搗棒的覆蓋范圍、插入深度、振搗時長等數據是否“合格”，讓施工質量不再僅靠人工肉眼觀察和經驗判斷，而是“數”說了算。

地下洞室群規模世界第一開挖量足夠填滿兩個西湖

要將16個重量超過8 000噸的百萬千瓦水輪發電機組裝在陡峭的山體下，意味著需要在左右岸掏出兩個長約450米、寬34米、高88.7米的龐大宮殿，相當于要在地下挖出兩個足球場。

指針撥回到2014年，地下廠房啟動首層開挖，“一定要保證地下廠房安全”是地下廠房修建的關鍵。而由于規模大，地質條件差，圍巖的穩定性問題逐步凸顯。

為了保證地下廠房的安全性，設計師和工程師們決定使用精細爆破，采取微量化裝藥的方式，根據巖石的特性將其分為10層，由上至下分層開挖，逐層爆破。由于圍巖的不穩定性，每一層都需要根據地質條件、監測數據的變化，對開挖支護及時進行動態調整。

從某種程度上來說，這個難度比修建大壩大得多，即使在大家一層一層精細的設計和施工下，圍巖還是出現了突變。2018年元旦前幾日，在白鶴灘水電站右岸小樁號部位，圍巖變形連續幾天出現了突增，單日最大增幅超過4毫米，大大超過了每天0.2毫米的允許變形增量，連續超過了“預警”和“危險”兩個等級。

面對如此嚴峻的圍巖突變，設計團隊立即緊急攻關，及時拿出了應對方案，并迅速與參建方達成了共識。經過灌漿、增強預應力錨索等方式，成功將圍巖補強加固，及時避免了危險的產生。

2019年，在歷時50多個月的精心“打磨”下，總長438米的地下廠房終于建成。白鶴灘水電站兩岸地下洞室群規模宏大，達世界第一。左右岸的引水發電系統及附屬洞室、施工洞室、交通洞室，構成了一個龐大的地下洞室群，兩岸地下洞室總長達217千米，地下洞室的總開挖量達2 500萬立方米，足夠填滿兩個西湖。