1910年，中國(guó)第一座水電站石龍壩水電站只因幾名外國(guó)工程師的缺席便被迫停工;如今，中國(guó)水電總裝機(jī)容量和年發(fā)電量已先后躍居世界第一。百余年光陰已逝，中國(guó)水電為何能夠?qū)崿F(xiàn)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)的滄桑巨變?
堅(jiān)持自主創(chuàng)新是中國(guó)交出的答卷。
從三峽水電站到烏東德水電站，中國(guó)水電經(jīng)歷了“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，在開發(fā)利用、運(yùn)行管理、效益發(fā)揮等方面均實(shí)現(xiàn)了全方位的跨越。“中國(guó)的水電項(xiàng)目在改善民生與保護(hù)環(huán)境等方面都產(chǎn)生了積極影響，我相信，中國(guó)水電也將在創(chuàng)新方面繼續(xù)引領(lǐng)世界標(biāo)準(zhǔn)。”國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)主席邁克爾·羅杰斯稱贊道。
7月28日下午3時(shí)，伴隨著白鶴灘8號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪順利通過(guò)驗(yàn)收，全球第二大水電工程——白鶴灘水電站的16臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪加工制造正式宣告完成。以此為契機(jī)，本報(bào)記者對(duì)白鶴灘水電站建設(shè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了采訪，探秘中國(guó)水電的“創(chuàng)新密碼”。
沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫
“我在三峽工程工作過(guò)，現(xiàn)在又經(jīng)歷了白鶴灘，一輩子能參加兩個(gè)世界級(jí)水電工程，我感到非常自豪。”在壁立千仞的狹深河谷間，熱風(fēng)夾帶著水霧緩緩升騰，站在白鶴灘混凝土雙曲拱壩上，白鶴灘工程建設(shè)部黨委書記何煒感慨萬(wàn)千。
中國(guó)水電在西南，西南水電在金沙。2012年7月，正值中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“三峽集團(tuán)”)全面開發(fā)金沙江下游4個(gè)梯級(jí)水電站，受公司派遣，何煒來(lái)到白鶴灘投身工程籌建。
白鶴灘水電站位于四川省涼山州和云南省昭通市境內(nèi)，作為“老一輩”建設(shè)者，9年的現(xiàn)場(chǎng)錘煉，早已令何煒對(duì)白鶴灘建設(shè)的各類“疑難病癥”爛熟于心。少為人知的是，剛到壩區(qū)時(shí)，復(fù)雜的地質(zhì)條件曾讓他連續(xù)幾個(gè)月都輾轉(zhuǎn)反側(cè)。
河谷地帶，兩岸空間有限，必須通過(guò)開挖地下洞室布置引水發(fā)電設(shè)備。擺在建設(shè)團(tuán)隊(duì)面前的首道難題，便是世界水電站建設(shè)史中都格外少見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象——玄武巖柱狀節(jié)理。
“這其實(shí)是發(fā)育玄武巖中的一種原生張性破裂結(jié)構(gòu)，從形狀上看就像薯?xiàng)l一樣，開挖后則容易產(chǎn)生松弛、崩落等現(xiàn)象。”中國(guó)科學(xué)院院士陳祖煜介紹說(shuō)。
啃下硬骨頭，得下硬功夫。為找到最佳解決路徑，建設(shè)團(tuán)隊(duì)徹夜探討施工方案，組織考察各種隧道工程，大范圍搜尋可借鑒的技術(shù)，最終決定按照“開挖一層、分析一層、預(yù)測(cè)一層、驗(yàn)收一層”的工作程序，動(dòng)態(tài)優(yōu)化施工方案，以保障洞室群整體穩(wěn)定。
盡管已是倍加小心，但突如其來(lái)的巖爆問(wèn)題還是讓建設(shè)團(tuán)隊(duì)捏了一把汗。2019年5月1日，大壩右岸部分洞段出現(xiàn)巖爆，表面有開裂掉塊現(xiàn)象，白鶴灘施工被迫陷于停滯。
容不得絲毫猶豫，何煒與同事們立即在洞室內(nèi)部增設(shè)了大量監(jiān)測(cè)儀器，迅速組建由國(guó)內(nèi)多名巖石力學(xué)專家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深入研究巖體變化機(jī)理，一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑就此開啟。
“搶險(xiǎn)加固涉及很多技術(shù)問(wèn)題，不能蠻干。”何煒告訴記者，初次變形穩(wěn)定后，團(tuán)隊(duì)第一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)勘察，科學(xué)判斷、果斷決策，爭(zhēng)分奪秒開展應(yīng)急加固工作，歷時(shí)半年時(shí)間，圓滿完成搶險(xiǎn)任務(wù)。
水電建設(shè)業(yè)內(nèi)，大體積混凝土的溫控防裂一直是公認(rèn)的世界級(jí)難題。“大壩建設(shè)需要澆筑大量混凝土，混凝土中的水泥水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，使得混凝土澆筑后溫度上升。如果不采取有效的溫度控制措施，任由混凝土熱脹冷縮，難免會(huì)產(chǎn)生裂縫。”工程建設(shè)部教授級(jí)高級(jí)工程師孫明倫解釋道。
超級(jí)工程，催生了新材料和新工藝。為了從源頭上攻克“無(wú)壩不裂”難關(guān)，白鶴灘水電站首次全壩采用低熱水泥混凝土。與常規(guī)使用的中熱水泥相比，低熱水泥水化熱量低、后期強(qiáng)度高，具有高抗裂、高耐久性、耐沖磨性等特點(diǎn)。
事實(shí)上，低熱水泥的應(yīng)用絕非是突發(fā)奇想，而是經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的工程實(shí)踐。早在三峽三期工程中，低熱水泥混凝土便得到局部應(yīng)用。但由于其彼時(shí)剛研制出來(lái)，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，暫且無(wú)法全壩澆筑。
2013年，在三峽集團(tuán)的安排下，孫明倫開始負(fù)責(zé)低熱水泥混凝土的性能試驗(yàn)工作，為白鶴灘全壩應(yīng)用低熱水泥進(jìn)行全面研究。編制研究大綱、分析反應(yīng)機(jī)理、總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)……創(chuàng)造性進(jìn)行多輪低熱水泥考核性生產(chǎn)后，水泥各項(xiàng)性能終于達(dá)到工程要求。
從2017年4月12日開始，至2021年5月31日，1500多個(gè)日夜的奮戰(zhàn)下，采用低熱水泥混凝土澆筑的白鶴灘大壩澆筑到頂，總方量達(dá)803萬(wàn)立方米。“目前，我們的白鶴灘大壩已經(jīng)全部澆筑完成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫。”孫明倫驕傲地說(shuō)。
大壩“耳聰目明”
最大壩高289米、地下洞室總長(zhǎng)217公里，白鶴灘水電站可謂名副其實(shí)的“大塊頭”。然而，“大塊頭”一樣擁有“大智慧”，諸多智能建造技術(shù)貫穿于白鶴灘的全生命建設(shè)周期，助力其成為世界上“最聰明”的大壩。
正午時(shí)分，白鶴灘壩頂倉(cāng)面閃動(dòng)著一群橙色身影，工程師們正人手一臺(tái)筆記本電腦，精細(xì)調(diào)整傳感器角度，驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)……“你們這群高才生頂著大太陽(yáng)弄的啥哦，我是一點(diǎn)兒都看不懂，就感覺(jué)很高級(jí)呢。”旁邊的工人師傅不斷打趣道。
殊不知，工人口中的“高級(jí)貨”，正是白鶴灘智能建造的“關(guān)鍵一環(huán)”——大壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)。
從三峽工程開始，到后來(lái)的溪洛渡水電站，施工仿真技術(shù)在減少安全隱患、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管控等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但作為300米級(jí)特高拱壩，白鶴灘工程規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往的仿真技術(shù)已無(wú)法滿足新的需求。面對(duì)工程建設(shè)管控的全新挑戰(zhàn)，中國(guó)電建成都院數(shù)字工程團(tuán)隊(duì)勇挑重?fù)?dān)，努力搜尋“解題”新思路。
為了使超大體量混凝土澆筑進(jìn)度仿真能夠更加真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，身為技術(shù)負(fù)責(zé)人的王飛一頭扎進(jìn)工地現(xiàn)場(chǎng)。無(wú)論是方案設(shè)計(jì)，還是收集一線需求，他都是親力親為;無(wú)數(shù)個(gè)深夜里，他一遍又一遍地進(jìn)行著仿真測(cè)試。“研發(fā)出能代表當(dāng)今最先進(jìn)技術(shù)的仿真系統(tǒng)，這是我最大的心愿。”王飛告訴記者。
在他的帶領(lǐng)下，數(shù)字工程團(tuán)隊(duì)集思廣益、緊密聯(lián)動(dòng)，反復(fù)演算優(yōu)化，最終造就出集“建模-編譯-計(jì)算-分析-出圖”為一體的施工全過(guò)程進(jìn)度仿真系統(tǒng)。“這套系統(tǒng)既可以模擬出混凝土的澆筑場(chǎng)景，又能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出合理化建議。”王飛介紹稱，這對(duì)提高纜機(jī)等資源的利用效率起到了關(guān)鍵作用，為滿足各階段度汛及蓄水目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
智能建造，也為白鶴灘水電站添設(shè)了一雙雙“慧眼”，幫助其掌握“身體狀態(tài)”。
據(jù)了解，白鶴灘壩體內(nèi)埋設(shè)有上萬(wàn)個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器，可采集溫度、應(yīng)力狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸車、纜機(jī)、振搗機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。截至目前，監(jiān)測(cè)傳感器已累計(jì)采集3470萬(wàn)條溫度數(shù)據(jù)，質(zhì)量、安全、施工進(jìn)度等數(shù)據(jù)突破10億條，真正實(shí)現(xiàn)全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。“就好像一個(gè)人身體不適，自己就能抽血化驗(yàn)，并開出治病藥方。”工程建設(shè)部副主任陳文夫形象地比喻道。
在白鶴灘，智能設(shè)計(jì)無(wú)處不在。在白鶴灘技術(shù)管理部副主任周孟夏看來(lái)，其手機(jī)中安裝的智能通水成套裝備和移動(dòng)實(shí)時(shí)診斷控制系統(tǒng)便是他最親密的“工作伙伴”。
“混凝土比人還要嬌貴。”周孟夏告訴記者，由于混凝土往往升溫速度過(guò)快，這就需要借助冷卻通水來(lái)控制整個(gè)溫度變化過(guò)程。“以前，大壩通水系統(tǒng)全靠人工操控，按照規(guī)范要求至少每4個(gè)小時(shí)就要對(duì)所有倉(cāng)號(hào)進(jìn)行一次測(cè)溫，需要投入大量的人員，大壩溫度情況掌握也比較滯后。”
如今，智能通水系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感儀器，可實(shí)時(shí)感知混凝土狀態(tài)，通過(guò)智能調(diào)節(jié)通水流量、溫度和時(shí)間，在線個(gè)性化進(jìn)行溫度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體溫度的全過(guò)程智能化、精準(zhǔn)化管理。“有了智能通水系統(tǒng)后，點(diǎn)點(diǎn)手機(jī)，所有參數(shù)全都一目了然，工程師只需要按時(shí)檢查系統(tǒng)即可，非常方便。”何煒說(shuō)。
雖然智能溫控并不是一件新生事物，但周孟夏指出，從溪洛渡大壩到白鶴灘大壩，這實(shí)現(xiàn)了從自動(dòng)溫控到智能溫控的轉(zhuǎn)變，是智能化發(fā)展的一大步，也是近年來(lái)水電行業(yè)加快在5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興領(lǐng)域布局的可貴成果。
勇攀“水電珠峰”
在白鶴灘水電站6項(xiàng)位列世界第一的技術(shù)指標(biāo)中，百萬(wàn)機(jī)組格外引人注目。作為世界上首批100萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組，不僅實(shí)現(xiàn)了單機(jī)容量的巨大飛躍，其背后的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)標(biāo)簽還撐起了“中國(guó)創(chuàng)造”的底氣。
實(shí)際上，生產(chǎn)制造100萬(wàn)千瓦機(jī)組，絕非一蹴而就，而是一個(gè)長(zhǎng)期論證、自我革新與不斷實(shí)踐的過(guò)程。
1996年，因三峽電站左岸建設(shè)需要，中國(guó)通過(guò)國(guó)際招標(biāo)的形式首次引進(jìn)了14臺(tái)70萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組，中國(guó)企業(yè)東方電機(jī)和哈爾濱電機(jī)分別與中標(biāo)公司合作完成了機(jī)組的設(shè)計(jì)制造。雖然國(guó)內(nèi)企業(yè)承擔(dān)了不少的供貨任務(wù)，但由于精加工能力有欠缺，更多的還是在給外國(guó)企業(yè)“打工”。“5000元一噸的高強(qiáng)鋼，人家賣我們7000元，也只能咬著牙買下來(lái)。”何煒回憶稱。
技術(shù)落后，就要受制于人。為了破解發(fā)展困局，中國(guó)水電開始了一條重大裝備國(guó)產(chǎn)化的趕超之路。
東方電機(jī)白鶴灘項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)總代表王笑君表示，企業(yè)通過(guò)參與三峽水電站70萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組研制，短短幾年間就縮小了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)30多年的差距;之后參與溪洛渡水電站77萬(wàn)千瓦發(fā)電機(jī)組研制，生產(chǎn)技術(shù)也取得質(zhì)的提高。如今，白鶴灘水電站百萬(wàn)千瓦發(fā)電機(jī)組順利投運(yùn)，意味著中國(guó)已經(jīng)帶領(lǐng)世界水電裝備制造進(jìn)入“無(wú)人區(qū)”，并向著“水電珠峰”發(fā)起沖擊。
然而，攀登“水電珠峰”，怎會(huì)是一片坦途?“國(guó)之重器”的核心技術(shù)，實(shí)則是海量的設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算報(bào)告共同積累而成的。
“在白鶴灘之前，國(guó)內(nèi)已建機(jī)組的最大單機(jī)容量是85萬(wàn)千瓦，制造100萬(wàn)千瓦機(jī)組，研制難度并不是簡(jiǎn)單的加減法，而是成倍的差距。”工程建設(shè)部工程師陳浩說(shuō)，機(jī)身上每一個(gè)孔的布置、每一個(gè)葉片的角度都大有講究，任何一個(gè)看似尋常的部件背后都蘊(yùn)含著驚人的計(jì)算量。
轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)部分的“心臟”，也是機(jī)組中制造難題最多的部件，直接影響機(jī)組運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。“轉(zhuǎn)子高4.1米，組裝完能有1955噸，轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)需要承受相當(dāng)于30萬(wàn)輛小轎車同時(shí)加速產(chǎn)生的力。”陳浩說(shuō)道，“我們的額定轉(zhuǎn)速是111轉(zhuǎn)，但在極限試驗(yàn)中，即使達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的151%，轉(zhuǎn)子也可保證完好無(wú)損。”
在降低損耗、控制污染的同時(shí)，如何有效控制機(jī)組軸承性能、冷卻效果，也是巨型機(jī)組制造的難題之一。對(duì)此，白鶴灘專門采用了低損耗軸承技術(shù)，降低推力總損耗25%以上，全部滿足高可靠性、高效、清潔環(huán)保等各項(xiàng)要求。
研發(fā)難，安裝制造也并非易事。以轉(zhuǎn)輪焊接為例，所需的馬氏體不銹鋼材料需預(yù)加熱，工人因此要穿著厚重的防燙服，趴在異常狹小的空間里進(jìn)行操作。“普通人站在旁邊可能就受不了，而我們的工人師傅在里面作業(yè)，手能像機(jī)械臂一樣穩(wěn)，保證整條焊縫沒(méi)有任何缺陷。”陳浩說(shuō)。
創(chuàng)新精神與大國(guó)工匠精神的緊密結(jié)合，造就了史無(wú)前例的精品百萬(wàn)機(jī)組。高度超過(guò)50米的發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)的重量約等于一艘驅(qū)逐艦，但轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的整體擺幅卻不超過(guò)一根頭發(fā)絲，即便在機(jī)組的機(jī)架蓋板上立硬幣也不會(huì)倒。
“白鶴灘百萬(wàn)千瓦國(guó)產(chǎn)化機(jī)組的應(yīng)用，將進(jìn)一步穩(wěn)固中國(guó)水電技術(shù)的世界領(lǐng)先地位，推動(dòng)中國(guó)水電更好更快‘走出去’，為服務(wù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略提供更加穩(wěn)固的支撐。”何煒告訴記者。
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評(píng)論