白鶴灘水電站大壩壩面 謝 雷 攝
堅持自主創(chuàng)新是中國交出的答卷。
從三峽水電站到烏東德水電站，中國水電經(jīng)歷了“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，在開發(fā)利用、運行管理、效益發(fā)揮等方面均實現(xiàn)了全方位的跨越。“中國的水電項目在改善民生與保護環(huán)境等方面都產(chǎn)生了積極影響，我相信，中國水電也將在創(chuàng)新方面繼續(xù)引領(lǐng)世界標準。”國際大壩委員會(ICOLD)主席邁克爾·羅杰斯稱贊道。
7月28日下午3時，伴隨著白鶴灘8號機組轉(zhuǎn)輪順利通過驗收，全球第二大水電工程——白鶴灘水電站的16臺機組轉(zhuǎn)輪加工制造正式宣告完成。以此為契機，本報記者對白鶴灘水電站建設(shè)團隊進行了采訪，探秘中國水電的“創(chuàng)新密碼”。
沒有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫
“我在三峽工程工作過，現(xiàn)在又經(jīng)歷了白鶴灘，一輩子能參加兩個世界級水電工程，我感到非常自豪。”在壁立千仞的狹深河谷間，熱風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萬千。
中國水電在西南，西南水電在金沙。2012年7月，正值中國長江三峽集團有限公司(以下簡稱“三峽集團”)全面開發(fā)金沙江下游4個梯級水電站，受公司派遣，何煒來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)場錘煉，早已令何煒對白鶴灘建設(shè)的各類“疑難病癥”爛熟于心。少為人知的是，剛到壩區(qū)時，復(fù)雜的地質(zhì)條件曾讓他連續(xù)幾個月都輾轉(zhuǎn)反側(cè)。
河谷地帶，兩岸空間有限，必須通過開挖地下洞室布置引水發(fā)電設(shè)備。擺在建設(shè)團隊面前的首道難題，便是世界水電站建設(shè)史中都格外少見的地質(zhì)現(xiàn)象——玄武巖柱狀節(jié)理。
“這其實是發(fā)育玄武巖中的一種原生張性破裂結(jié)構(gòu)，從形狀上看就像薯條一樣，開挖后則容易產(chǎn)生松弛、崩落等現(xiàn)象。”中國科學院院士陳祖煜介紹說。
啃下硬骨頭，得下硬功夫。為找到最佳解決路徑，建設(shè)團隊徹夜探討施工方案，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)測一層、驗收一層”的工作程序，動態(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，但突如其來的巖爆問題還是讓建設(shè)團隊捏了一把汗。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)測儀器，迅速組建由國內(nèi)多名巖石力學專家領(lǐng)銜的科研團隊，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)深入研究巖體變化機理，一場與時間的賽跑就此開啟。
“搶險加固涉及很多技術(shù)問題，不能蠻干。”何煒告訴記者，初次變形穩(wěn)定后，團隊第一時間現(xiàn)場勘察，科學判斷、果斷決策，爭分奪秒開展應(yīng)急加固工作，歷時半年時間，圓滿完成搶險任務(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的世界級難題。“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，難免會產(chǎn)生裂縫。”工程建設(shè)部教授級高級工程師孫明倫解釋道。
超級工程，催生了新材料和新工藝。為了從源頭上攻克“無壩不裂”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、后期強度高，具有高抗裂、高耐久性、耐沖磨性等特點。
事實上，低熱水泥的應(yīng)用絕非是突發(fā)奇想，而是經(jīng)過了長期的工程實踐。早在三峽三期工程中，低熱水泥混凝土便得到局部應(yīng)用。但由于其彼時剛研制出來，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，暫且無法全壩澆筑。
2013年，在三峽集團的安排下，孫明倫開始負責低熱水泥混凝土的性能試驗工作，為白鶴灘全壩應(yīng)用低熱水泥進行全面研究。編制研究大綱、分析反應(yīng)機理、總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗……創(chuàng)造性進行多輪低熱水泥考核性生產(chǎn)后，水泥各項性能終于達到工程要求。
從2017年4月12日開始，至2021年5月31日，1500多個日夜的奮戰(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803萬立方米。“目前，我們的白鶴灘大壩已經(jīng)全部澆筑完成，沒有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫。”孫明倫驕傲地說。
大壩“耳聰目明”
最大壩高289米、地下洞室總長217公里，白鶴灘水電站可謂名副其實的“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。
正午時分，白鶴灘壩頂倉面閃動著一群橙色身影，工程師們正人手一臺筆記本電腦，精細調(diào)整傳感器角度，驗證采集數(shù)據(jù)，計算設(shè)計參數(shù)……“你們這群高才生頂著大太陽弄的啥哦，我是一點兒都看不懂，就感覺很高級呢。”旁邊的工人師傅不斷打趣道。
殊不知，工人口中的“高級貨”，正是白鶴灘智能建造的“關(guān)鍵一環(huán)”——大壩施工進度仿真系統(tǒng)。
從三峽工程開始，到后來的溪洛渡水電站，施工仿真技術(shù)在減少安全隱患、實現(xiàn)精準管控等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但作為300米級特高拱壩，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)已無法滿足新的需求。面對工程建設(shè)管控的全新挑戰(zhàn)，中國電建成都院數(shù)字工程團隊勇挑重擔，努力搜尋“解題”新思路。
為了使超大體量混凝土澆筑進度仿真能夠更加真實地反映現(xiàn)場實際情況，身為技術(shù)負責人的王飛一頭扎進工地現(xiàn)場。無論是方案設(shè)計，還是收集一線需求，他都是親力親為;無數(shù)個深夜里，他一遍又一遍地進行著仿真測試。“研發(fā)出能代表當今最先進技術(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)字工程團隊集思廣益、緊密聯(lián)動，反復(fù)演算優(yōu)化，最終造就出集“建模-編譯-計算-分析-出圖”為一體的施工全過程進度仿真系統(tǒng)。“這套系統(tǒng)既可以模擬出混凝土的澆筑場景，又能及時發(fā)現(xiàn)問題，提出合理化建議。”王飛介紹稱，這對提高纜機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)有上萬個監(jiān)測傳感器，可采集溫度、應(yīng)力狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控運輸車、纜機、振搗機等設(shè)備的運轉(zhuǎn)。截至目前，監(jiān)測傳感器已累計采集3470萬條溫度數(shù)據(jù)，質(zhì)量、安全、施工進度等數(shù)據(jù)突破10億條，真正實現(xiàn)全過程實時監(jiān)控和預(yù)警。“就好像一個人身體不適，自己就能抽血化驗，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)計無處不在。在白鶴灘技術(shù)管理部副主任周孟夏看來，其手機中安裝的智能通水成套裝備和移動實時診斷控制系統(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快，這就需要借助冷卻通水來控制整個溫度變化過程。“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個小時就要對所有倉號進行一次測溫，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)通過溫度傳感儀器，可實時感知混凝土狀態(tài)，通過智能調(diào)節(jié)通水流量、溫度和時間，在線個性化進行溫度調(diào)控，實現(xiàn)對壩體溫度的全過程智能化、精準化管理。“有了智能通水系統(tǒng)后，點點手機，所有參數(shù)全都一目了然，工程師只需要按時檢查系統(tǒng)即可，非常方便。”何煒說。
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，這實現(xiàn)了從自動溫控到智能溫控的轉(zhuǎn)變，是智能化發(fā)展的一大步，也是近年來水電行業(yè)加快在5G、大數(shù)據(jù)、云計算等新興領(lǐng)域布局的可貴成果。
勇攀“水電珠峰”
在白鶴灘水電站6項位列世界第一的技術(shù)指標中，百萬機組格外引人注目。作為世界上首批100萬千瓦水輪發(fā)電機組，不僅實現(xiàn)了單機容量的巨大飛躍，其背后的國產(chǎn)化技術(shù)標簽還撐起了“中國創(chuàng)造”的底氣。
實際上，生產(chǎn)制造100萬千瓦機組，絕非一蹴而就，而是一個長期論證、自我革新與不斷實踐的過程。
1996年，因三峽電站左岸建設(shè)需要，中國通過國際招標的形式首次引進了14臺70萬千瓦水輪發(fā)電機組，中國企業(yè)東方電機和哈爾濱電機分別與中標公司合作完成了機組的設(shè)計制造。雖然國內(nèi)企業(yè)承擔了不少的供貨任務(wù)，但由于精加工能力有欠缺，更多的還是在給外國企業(yè)“打工”。“5000元一噸的高強鋼，人家賣我們7000元，也只能咬著牙買下來。”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，中國水電開始了一條重大裝備國產(chǎn)化的趕超之路。
東方電機白鶴灘項目現(xiàn)場總代表王笑君表示，企業(yè)通過參與三峽水電站70萬千瓦水輪發(fā)電機組研制，短短幾年間就縮小了與國外先進技術(shù)30多年的差距;之后參與溪洛渡水電站77萬千瓦發(fā)電機組研制，生產(chǎn)技術(shù)也取得質(zhì)的提高。如今，白鶴灘水電站百萬千瓦發(fā)電機組順利投運，意味著中國已經(jīng)帶領(lǐng)世界水電裝備制造進入“無人區(qū)”，并向著“水電珠峰”發(fā)起沖擊。
然而，攀登“水電珠峰”，怎會是一片坦途?“國之重器”的核心技術(shù)，實則是海量的設(shè)計圖紙、試驗結(jié)果與計算報告共同積累而成的。
“在白鶴灘之前，國內(nèi)已建機組的最大單機容量是85萬千瓦，制造100萬千瓦機組，研制難度并不是簡單的加減法，而是成倍的差距。”工程建設(shè)部工程師陳浩說，機身上每一個孔的布置、每一個葉片的角度都大有講究，任何一個看似尋常的部件背后都蘊含著驚人的計算量。
轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機組發(fā)電機部分的“心臟”，也是機組中制造難題最多的部件，直接影響機組運行效率與穩(wěn)定性。“轉(zhuǎn)子高4.1米，組裝完能有1955噸，轉(zhuǎn)動起來需要承受相當于30萬輛小轎車同時加速產(chǎn)生的力。”陳浩說道，“我們的額定轉(zhuǎn)速是111轉(zhuǎn)，但在極限試驗中，即使達到額定轉(zhuǎn)速的151%，轉(zhuǎn)子也可保證完好無損。”
在降低損耗、控制污染的同時，如何有效控制機組軸承性能、冷卻效果，也是巨型機組制造的難題之一。對此，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)，手能像機械臂一樣穩(wěn)，保證整條焊縫沒有任何缺陷。”陳浩說。
創(chuàng)新精神與大國工匠精神的緊密結(jié)合，造就了史無前例的精品百萬機組。高度超過50米的發(fā)電機組，一臺的重量約等于一艘驅(qū)逐艦，但轉(zhuǎn)動起來的整體擺幅卻不超過一根頭發(fā)絲，即便在機組的機架蓋板上立硬幣也不會倒。
“白鶴灘百萬千瓦國產(chǎn)化機組的應(yīng)用，將進一步穩(wěn)固中國水電技術(shù)的世界領(lǐng)先地位，推動中國水電更好更快‘走出去’，為服務(wù)國家發(fā)展戰(zhàn)略提供更加穩(wěn)固的支撐。”何煒告訴記者。
