[科普中国]-中国在建白鹤滩水电站有多牛？百万千瓦级水轮机让世界惊叹

白鹤滩水电站坐落于四川省凉山彝族自治州宁南县和云南省昭通市巧家县交界处，是金沙江下游开发建设的4座水电站中的第二梯级，上游与乌东德梯级电站相接，下游与溪洛渡梯级电站相连。该水电站以1600万千瓦的总装机容量排名世界第二（三峡水电站以2250万千瓦位列第一），是目前世界在建水电站中排名第一。白鹤滩水电站发电机组单机容量100万千瓦，位列世界第一；坝高289米，世界拱坝高度排名第三；总水推力1650万吨，世界排名第二。建成后多年平均发电量624.43亿千瓦时，为华东、华中、南方电网提供可再生清洁能源，每年可以节约标准煤1968万吨，减少烟尘排放22万吨，对减少温室气体排放、改善人类生活环境、缓解能源危机都有极大的社会意义。白鹤滩水电站作为世界级超级工程，在多个领域都步入了世界技术无人区，主要特性指标均居世界前列，这座水电站有哪些独特之处呢？全世界水电工程中最大规模洞室群为了将巨型发电机组装入地下厂房，工程师们为其设计了规模巨大、洞室数量众多的地下洞室群，将错综复杂的引水、厂房、尾水、导流、交通、通风等系统囊括其中。地下洞室群相互交错，土方开挖量达到2500万立方米，相当于10000个标准泳池的容积，其中电站厂房洞长438米，顶拱跨度34米，高88.7米；8个圆筒式调压室直径43～48米，高度91～107米，是世界已建水电工程跨度最大的圆筒调压室。全世界水电工程中第三高的拱坝白鹤滩水电站采用混凝土拱坝设计，最大高度289米，大致相当于100层楼高。基于大坝地形因素的考量，和三峡工程不同，白鹤滩水电站采用拱坝设计。大坝坐落在金沙江“V”字型河道上，水位落差大，坝体承受压力极大，如果按正常水位考虑，大坝将承受1650万吨水压。采用拱坝设计，一个是能充分利用V字型河道，以两侧山体为依托加强坝体结构；再一个是使坝体受力均匀，增大了坝体利用效率；在保证坝体安全性的同时，也减少了坝体工程用料，提高了工程的经济性。世界上第一座全坝使用低热混凝土的水电工程物质与水化合时所放出的热量称之为水化热。水泥在浇筑后由于自体发热，体积膨胀，遇寒又会收缩，如果养护期温度控制不好，混凝土凝固过程中由于热胀冷缩的原因，将产生温度裂缝。因此，大体积混凝土工程中不得使用水化热高的水泥。白鹤滩大坝工程使用的低热水泥比三峡工程的中热水泥水化热低15%，而后期强度性能优于中热水泥。现场施工期间对混凝土浇筑及养护进行了严格的温度控制，通过埋设数支温度计和冷却水管，并在浇筑好的混凝土铺着“保温被”等方式，对混凝土工程实施严格温度管控，使大坝具备与如此巨大的水压刚正面的能力。世界第一座采用单机100万千瓦水轮发电机组的水电工程从制造三峡工程70万千瓦巨型机组，再到溪洛渡、向家坝水电站80万千瓦机组，一直到世界最大单机容量100万千瓦的白鹤滩发电机组，我国具备了自主研制大型和超大型水轮发电机组的必要技术手段和能力。那么，为什么水轮发电机组要越做越大呢？我们先来看看水力发电的全过程。下图简单表示了水力发电站的整个流程。众所周知，水力发电的能量源头是水从高处降落的重力势能。上游水经过引水管道流至发电机组的水轮机，水的重力势能转化为水的动能，流水带动同轴的水轮机和发电机转子转动，发电机组将转子动能转化为电能，电能经过升压变压器输送至高压输电线路，完成了整个水力发电过程，流经水轮机的水经过尾水管排至下游水道。在这里可以看到水力发电受自然环境的影响非常大，大型或特大型水电站多位于边远地区的深山峡谷之中，当水电站装机容量规模确定后，只有使用较大容量的水轮发电机组，减少水电站装机台数，才能简化电站枢纽布置，节省工程投资，缩短工程建设周期，降低电站运行成本。同时，由于位置偏远、交通不便，对于大型设备的运输及安装都需要周密考虑。所以，在工程师们攻克一系列技术难题后，超大型水电机组便应运而生。白鹤滩水电站采用的是混流式水轮机，其水流先从四周由径向流入转轮，后从转轮下方以轴向方向排出，适用于高水头、大容量的水力发电环境。如下图，我们把混流式水电机组分解成主要大部件来看看各自功能。在最下面的是水轮机机组的蜗壳和导水机构。蜗壳将压力水管引来的水流以最小的水流能量损失，均匀地引入导水机构，使转轮四周所受的水流作用力均匀并使水流产生一定的旋转量。导水机构使水流以一定的速度和方向流入转轮，并能够根据外界负荷变化调节入水量，确保水轮机具有良好的水力特性和最佳的输出功率。转轮是水轮机的核心部件，其作用就是进行能量转换，把水的动能转换成转轮旋转的机械能，大型水轮机组主要使用混流式水轮机，它的特点是水以径向流入转轮，再以轴向从水轮机流出，在水头高、发电容量大的条件下，能够最大限度利用水流能量。转轴的作用就是将转轮的转动机械能量传递至上方的发电机转子。转轴外部与转轮相固定，并一起安装在导水机构中间；转轴上方与发电机转子的大轴固定连接。最上方是水轮发电机组的转子和定子。经过励磁的转子在转轮带动下，在定子线圈中旋转，定子线圈感应得到三相交流电，就是水轮机组发出的电能。白鹤滩100万千瓦水轮机组的主要技术突破有哪些？发电机机组主要性能指标重大突破。白鹤滩水电站采用的100万千瓦水轮发电机组，其单机容量位列世界第一，为实现更大容量的功率输出，一方面可以提高发电机工作电流，另外一方面就是提高输出电压。我国三峡工程单机额定电流22.45kA，额定电压20kV；白鹤滩工程单机额定电流达到了28kA，额定电压达到了24kV。额定电流的大幅提升，需要攻克发电机组载流回路、结构尺寸及散热系统等主要技术课题，额定电压的提高对定子绕组的绝缘材料、绝缘结构及绝缘工艺也提出了更高的要求。攻克超大容量机组冷却技术难关。100万千瓦级水轮发电机定子、转子的发热量巨大,电机的冷却难度也越来越大，如果没有行之有效的冷却系统将使绝缘寿命大幅降低，严重情况下还会导致导体与绝缘间产生较大的热应力，从而出现脱壳击穿烧毁绝缘的危险。目前最主流的水轮机冷却方式是空气冷却，该方法结构布置简单、安装维护方便、运行更加可靠，但应用在如此超大容量机组上，不仅是一个新的技术飞跃，更是一个巨大的挑战。白鹤滩工程机组空冷技术的重大突破，填补了世界百万级水轮发电机通风冷却领域的技术空白。发电机推力轴承技术难度属世界级水平。水轮发电机组推力轴承是承受水轮机转子重量的，受力方向在垂直方向，可以说是它顶着转子，实现了转子的顺滑旋转。100万千瓦级水轮发电机推力轴承负荷大，需要攻克轴承支承结构和油循环冷却系统等技术难题。白鹤滩水轮发电机组推力轴承采用双层巴氏合金瓦，推力瓦固定在机架上，镜板固定在推力头上，镜板压在推力瓦上随转子转动，推力瓦与镜板间有一层油膜，以此实现转动部件和固定部件之间的衔接。白鹤滩水电站作为世界在建规模第一，水电发电机组单机容量世界第一的超级工程，在多学科工程及科研领域方面都达到了世界领先水平，并在众多关键技术领域取得了举世瞩目的成就。工程计划于2021年4月开始水库蓄水、7月首批机组投产发电，2023年工程整体完工。工程建成后对推动长江经济带发展、促进节能减排和加强流域防洪减灾能力都有着十分重要的战略意义。作者 | 牛奔 内蒙古电力公司高级工程师审稿 | 戴成龙 内蒙古电力公司高级工程师编辑 | 王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国