裝機容量世界第一 建造技術(shù)領(lǐng)跑全球
中國水電 亮麗名片
7月以來,我國多個新的水利工程開工建設(shè),其中包括全球最大的水光互補電站——四川雅礱江柯拉光伏電站,東北地區(qū)首個抽水蓄能電站——黑龍江尚志抽水蓄能電站等。這些項目建成后,我國水電站家族將再添重磅新成員。
中國是水電大國,目前已有超過4萬座水電站,全國每10度電中,就有約2度來自川流不息的江河。從2012年三峽工程最后一臺機組投產(chǎn)發(fā)電開始,十年來,我國水電事業(yè)持續(xù)發(fā)展,水電建設(shè)令人驚嘆。2012年至2021年,我國水電裝機容量從2.49億千瓦增長至3.91億千瓦,水電發(fā)電量從0.9萬億千瓦時增長至1.3萬億千瓦時。2014年以來,我國的水電裝機容量和發(fā)電量一直穩(wěn)居世界第一。水電業(yè)務(wù)遍及全球140多個國家和地區(qū),占據(jù)了海外70%以上的水電建設(shè)市場份額。
從70萬千瓦到100萬千瓦
單機容量不斷增大為東部地區(qū)穩(wěn)定輸電
入伏以來,全國各地普遍高溫,江蘇省常熟市最近的最高氣溫幾乎每天都在35攝氏度左右。高溫之下,空調(diào)、電扇成為每家每戶的剛需,隨之而來的是用電負荷的攀升。最近,常熟電網(wǎng)調(diào)度負荷最高達到了338.93萬千瓦,創(chuàng)歷史新高。
高用電負荷之下,常熟電網(wǎng)的運行依然平穩(wěn),這背后,是來自“西電東送”清潔能源的有力支持。7月1日,白鶴灘至江蘇±800千伏特高壓直流輸電工程正式投產(chǎn),這一工程從四川省的白鶴灘水電站起步,一路跨越5個省市,通過這條大動脈,白鶴灘水電站的電運達江蘇常熟,只要7毫秒。
曾經(jīng)有段時間,包括江蘇在內(nèi)的東部地區(qū)電力負荷還很緊張,不少城市甚至還時有拉閘限電現(xiàn)象發(fā)生。而與東部電能缺口形成鮮明對比的,是西部豐富卻無用武之地的水能資源。面對這種形勢,我國創(chuàng)造性建設(shè)了“西電東送”工程,如同一條紐帶,把供需方連在了一起。
水電站,是“西電東送”工程中清潔電能的重要來源。截至今年上半年,僅長江干流6座梯級水電站累計發(fā)電量已突破3萬億千瓦時,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約9.1億噸。
水電站發(fā)電能力的大小,與它的“心臟”——發(fā)電機組密切相關(guān)。70萬千瓦、77萬千瓦、85萬千瓦、100萬千瓦,這組數(shù)據(jù),分別是三峽水電站、溪洛渡水電站、烏東德水電站、白鶴灘水電站的單個水輪發(fā)電機組容量。從70到100,不僅僅是數(shù)量的提升,更是從引進技術(shù)到核心技術(shù)完全國產(chǎn)化的標(biāo)志性跨越。
白鶴灘水電站是世界單機容量第一的巨型水電站,擁有16臺單機容量為100萬千瓦的發(fā)電機組,從設(shè)計到制造安裝,實現(xiàn)了全過程國產(chǎn)化。而在三峽工程開工前,我國能設(shè)計制造的最大容量的水電機組還只有32萬千瓦,三峽工程最初使用的70萬千瓦機組是引進了國外的技術(shù)。此后,我國用7年時間成功研制出自己的70萬千瓦水電機組,經(jīng)過溪洛渡、向家壩、烏東德水電站建設(shè),國產(chǎn)水電機組的單機容量又成功提升到85萬千瓦。短短幾年,縮小了和國外三十多年的技術(shù)差距。到了白鶴灘,我們終于走到了一個“無人區(qū)”——開始向100萬千瓦發(fā)起挑戰(zhàn)。
也許,正是因為走到“無人區(qū)”,許多技術(shù)只能靠自己,才催生了白鶴灘的數(shù)項國內(nèi)首創(chuàng)與世界第一。在白鶴灘水電站潔白的地下廠房,一個個巨大的圓形有序排列,這是發(fā)電機組的核心部件:轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)一圈可發(fā)電約150度,約為一個家庭一個月的用電量。轉(zhuǎn)子是眾多創(chuàng)新技術(shù)的凝聚。比如它所使用的材料磁軛鋼,來自太原鋼鐵的自主研制。在三峽大壩建造之時,國內(nèi)還沒有制造磁軛鋼的工藝,不得不高價從國外進口。而白鶴灘水電站的轉(zhuǎn)子需要擴大面積,國外的產(chǎn)品不符合要求,只能自己研制。接下這項任務(wù)的太原鋼鐵起初全廠上下沒人對這種材料的性能有深入了解,從零起步,他們用了5年的時間,成功研制出了更強更薄的磁軛鋼板,一個轉(zhuǎn)子由2萬層鋼板疊加起來,厚度卻只有4米。
2018年,習(xí)近平總書記考察三峽工程時指出:“正是因為我們過去靠自己迎難克堅,才有了今天的成績。不僅建設(shè)了三峽,還培養(yǎng)了一批人才隊伍、掌握了全面的自主創(chuàng)新技術(shù),我們現(xiàn)在開發(fā)了一個又一個的‘三峽’。”
白鶴灘水電站發(fā)電機組的研制單位——東方電氣集團工程師王笑君表示,中國水電自三峽工程起就開始大步追趕國外先進水準(zhǔn),白鶴灘水電站發(fā)電機組的研制意味著中國在水電裝備研制上實現(xiàn)了“從并跑到領(lǐng)跑”,已經(jīng)做到最高水平,沒有對手了。
東方電氣集團有關(guān)負責(zé)人表示,企業(yè)參加了三峽、溪洛渡和白鶴灘水電站發(fā)電機組的研制,生產(chǎn)技術(shù)取得了質(zhì)的提高。“當(dāng)年和東方電氣同臺競爭的國外水電巨頭,如今還會請我們過去解決技術(shù)問題。”
更高更薄更智能的“無縫大壩”
筑壩技術(shù)突飛猛進大大提升水電站安全性能
長江是世界上最大的清潔能源走廊,水電站眾多。沿著長江干流一路向下,依次有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩6座大型水電站。如果從空中俯瞰,可以看到6座造型不同的大壩矗立江水之上,氣勢恢宏。
大壩是水電站的標(biāo)志性建筑物,也是水電站調(diào)蓄洪水的重要工程。大壩的筑造技術(shù)和性能高低,是一個國家水電站建設(shè)水平的重要體現(xiàn)。從三峽工程到烏東德工程再到白鶴灘工程,黨的十八大以來,我國水電站建設(shè)在壩高、壩型和筑壩技術(shù)上的發(fā)展突飛猛進,特別是相較十年前,新材料、人工智能等新興技術(shù)在大壩建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用,賦予大壩更強大的、更智能化的性能。
“無壩不裂”,這在世界水電站建設(shè)中是一個長期存在的難題,但中國的水電工程師們卻創(chuàng)造出了“無縫大壩”。三峽集團白鶴灘工程建設(shè)部教授級高級工程師孫明倫介紹,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,熱脹冷縮,讓大壩容易產(chǎn)生裂縫。為了避免這一問題,工程師們研制出了一種新材料——低熱水泥混凝土。
2013年,孫明倫承擔(dān)了白鶴灘、烏東德全壩應(yīng)用低熱水泥混凝土的研究任務(wù)。雖然早在三峽三期工程中,低熱水泥混凝土便得到局部應(yīng)用,但由于質(zhì)量尚不穩(wěn)定,無法全壩澆筑。為此,孫明倫與同事們進行了多輪性能試驗和考核性生產(chǎn),終于在2017年開筑的白鶴灘和烏東德大壩上實現(xiàn)了低熱水泥混凝土的全壩應(yīng)用。孫明倫驕傲地說,直到大壩澆筑封頂,都沒有發(fā)現(xiàn)一條溫度裂縫。
除了新材料,在我國近年來建設(shè)的水電站大壩中,也越來越多地看到人工智能、3D打印等新興技術(shù)的身影,許多是第一次應(yīng)用。2014年開工建設(shè)的雅礱江兩河口水電站大壩是國內(nèi)第一座用“施工全過程智能化技術(shù)”修建的300米級超高土石壩。作為我國海拔最高的百萬千瓦級水電站,兩河口水電站的很多施工點位施工危險性極高。為此,建設(shè)方在施工現(xiàn)場全程采用了智能化無人施工設(shè)備,技術(shù)人員只需遠程操作即可。而去年年底開工建設(shè)的黃河羊曲水電站更是將3D打印技術(shù)概念運用到壩體建設(shè)中,有效減少了施工中的人為錯誤。
對于我國水電站建設(shè)來說,更多創(chuàng)新技術(shù)在大壩中的應(yīng)用讓大壩不僅能建得越來越高、越來越薄,施工效率也大大提升。黨的十八大以來我國開工建設(shè)并建成投產(chǎn)的首個千萬千瓦級世界級巨型水電工程——烏東德水電站最大壩高270米,底厚51米,厚高比僅為0.19,是世界上最薄的300米級特高拱壩;2017年主體工程開建的白鶴灘水電站最大壩高可達289米,相當(dāng)于一座100層的高樓,而它的壩頂最窄處寬度卻僅有14米。目前在建的雙江口水電站,預(yù)計建成后壩高將達到314米,比三峽大壩要高出100多米。
隨著我國水電站建設(shè)技術(shù)的日益成熟,我國水電站建設(shè)企業(yè)也開始走向國際市場。中國能建集團總工程師和建生介紹,2019年1月,蘇丹央行發(fā)行了一版新的貨幣,其中100蘇丹鎊的背面印著三座水壩,其中兩座是由中國企業(yè)承建的,一座是由中國企業(yè)加高的。中國建設(shè)的緬甸耶涯水電站在高溫多雨的惡劣氣候條件下僅用40個月時間就完工,埃塞俄比亞特克澤水電站的大壩建成僅用了38個月。
在保護中發(fā)展在發(fā)展中保護
一座水電站染綠的不止庫區(qū)
青海省海南州,黃河干流之上,羊曲水電站正在緊鑼密鼓的建設(shè)之中。作為黃河上游清潔能源調(diào)控重要樞紐,羊曲水電站全部建成投產(chǎn)后年均發(fā)電量為47.32億千瓦時,相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗146.7萬噸,減少二氧化碳排放量441.2萬噸。秉持保護黃河流域生態(tài)的理念,水電站在建設(shè)中設(shè)計了臨時和永久性生態(tài)放水洞等設(shè)施,并安裝了廢水處理回用裝置,對工程尾水和生活污水進行循環(huán)利用。
相較于傳統(tǒng)能源,水電無疑具有更加濃厚的生態(tài)底色。近年來,隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和生態(tài)文明建設(shè)的推進,水電行業(yè)的“綠色”已不僅僅體現(xiàn)在能源的清潔上,也體現(xiàn)在建設(shè)、管理的方方面面。
7月中旬,金沙江上游首座水電站——蘇洼龍水電站首臺機組正式投產(chǎn)發(fā)電。除了各類先進的發(fā)電設(shè)施,蘇洼龍水電站還配備了一個占地60余畝的魚類增殖站和一個升魚機。在魚類增殖站中,數(shù)萬尾魚苗在此健康成長,而升魚機則給金沙江的魚兒裝了一部“電梯”,將下游無法游過大壩的魚類聚集起來,通過隧洞送回上游。
近年來,增殖站幾乎成為各大水電站的標(biāo)配。水利部水電水利規(guī)劃設(shè)計總院院長彭程表示,秉持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展宗旨,我國水電協(xié)調(diào)保護與開發(fā)的關(guān)系,經(jīng)多年實踐和發(fā)展,形成了“預(yù)防、減緩、修復(fù)”的生態(tài)環(huán)境保護措施體系。在魚類保護方面,通過生態(tài)流量下泄、棲息地保護、過魚措施、增殖放流等多種魚類保護措施技術(shù),在各水電基地及主要流域取得了典型的水電生態(tài)環(huán)境保護案例,尤其在魚類人工繁殖技術(shù)研究方面,為維護水生生物多樣性作出重要貢獻。
2020年6月,金沙江烏東德水電站首批機組投產(chǎn)發(fā)電,習(xí)近平總書記作出重要指示,強調(diào)要堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,科學(xué)有序推進金沙江水能資源開發(fā),推動金沙江流域在保護中發(fā)展、在發(fā)展中保護,更好造福人民。三峽集團烏東德工程建設(shè)部有關(guān)負責(zé)人介紹,烏東德水電站開發(fā)之初,就在距離壩址4.6公里處建設(shè)了增殖放流站,承擔(dān)烏東德和白鶴灘兩座水電站的珍稀魚類增殖放流任務(wù)。為了順應(yīng)魚類產(chǎn)卵期需求,水電站建設(shè)了生態(tài)流量泄放等設(shè)施,并利用人造洪峰開展生態(tài)調(diào)度,促進魚類產(chǎn)卵。
烏東德水電站的建設(shè)還帶動了當(dāng)?shù)氐木G色發(fā)展。站在烏東德水電站的大壩上極目遠眺,綠水倒映著青山,藍天陪伴著森林,宛若一幅美麗的畫卷,正如“烏東德”在苗語中的涵義:“云霧繚繞的地方”。然而,十幾年前,這里還是一片只有黃土的荒涼河谷,周邊不通水、不通電也不通路。烏東德水電站的建設(shè)過程也是一個綠化過程,自籌建以來,施工人員就在荒山峽谷中種草種樹,逐步形成“山水林田湖草”的景觀。
在烏東德水電站大壩南岸的山腰上,一排排嶄新的小院整齊排列,房前屋后鮮花盛開、瓜果飄香。這里是當(dāng)?shù)貛靺^(qū)移民搬遷安置最大的承載區(qū)——烏東德鎮(zhèn)金瑞社區(qū)。村民張付超是當(dāng)年在金沙江上為紅軍擺渡的船工后代,搬遷前一家人住著簡易空心磚房,收入不穩(wěn)定。搬到金瑞社區(qū)后,一家5口人住進嶄新小洋樓。隨著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的改善,來旅游的人也越來越多,在社區(qū)幫助下,張付超開了一家“老船工之家”民宿,一家人年收入達4萬余元。
一座水電站,染綠的不止庫區(qū)。在千里之外的粵港澳大灣區(qū),南方電網(wǎng)的輸電線路中,來自烏東德水電站的清潔電能正源源不斷給這片繁華區(qū)域帶來綠色新動能。三峽集團烏東德電廠廠長王金濤表示,截至2022年上半年,烏東德水電站累計發(fā)電量超600億千瓦時,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1838萬噸,減排二氧化碳5028萬噸。