堪稱“巨型印鈔機”，白鶴灘水電站投產
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文 | 華商韜略，作者丨楊倩
從一窮二白到稱霸全球，中國水利人苦干了70年。
01 水電“珠峰”
近日，白鶴灘水電站低調投產，引發無數國人為之熱淚盈眶。
這座超級巨無霸由中國三峽集團興建，位于川滇交界，2017年8月正式破土動工，總投資2200億元，總裝機容量1600萬千瓦，是僅次于三峽工程的恢弘之作。
但在更多指標上，白鶴灘要遠遠超過“全球一哥”三峽，站在全球水電群峰之巔。
作為水電站的“心臟”，水輪發電機組相當于手機芯片、電腦CPU，決定了水電站的技術水準。
水輪發電機組仿真模擬? 來源：三峽小微
白鶴灘水輪發電機組單機容量100萬千瓦，比三峽的70萬千瓦還要高，突破了世界極限。
更值得驕傲的是，水輪機組全部由我國自主研發，具有里程碑式的意義。
2020年8月18日，白鶴灘水電站1號機組轉子成功吊裝? 來源：中國水電四局
這樣的水電機組左右兩岸各8臺，每臺50多米高，重8000多噸，相當于一座埃菲爾鐵塔，一艘驅逐艦，或者45頭藍鯨。
每臺發電機每運轉一秒，產生278度電，相當于一個普通家庭三個月用電量。
但在其每分鐘111圈的高速轉動下，硬幣豎立在旁竟能紋絲不動。機組擺度平均小于100微米，不超過2根頭發絲。
即便還未正式完工，白鶴灘水電站已拿下9項世界第一，堪稱史詩級工程。
機組方面，就拿下四項全球第一，前無古人后無來者：
- 單機容量100萬千瓦；
- 發電機額定效率不低于99.01%；
- 定子繞組溫升不超過63K，轉子繞組溫升不超過58K，屬全行業最嚴溫升控制水平；
- 發電機最高電壓等級24千伏，世界第一！
其全球在建規模、地下洞室群規模、300米級高拱壩抗震參數、圓筒式尾水調壓室規模、無壓泄洪洞群規模等都也打破了全球紀錄。
在施工方面，白鶴灘水電站面臨的是世界級挑戰。
因其選址于金沙江峽谷，呈現不對稱V字型，壩區地震基本烈度為8度，巖質“硬、脆、碎”。
兩岸峭壁高懸，意味著常規施工無法開展。工程師便在兩岸之間建了一道道鋼梁索道，將混凝土攪拌車、挖掘機等從空中運送到施工點。為了防止水泥硬化，機器全程不能停止攪拌，對操作者的考驗可想而知。
峽谷地形，也決定了其地下廠房隱藏于兩岸山體之內，其洞室群規模為全球最大，開挖量2500萬立方米，相當于1萬個游泳池。地下室總長217公里，是北京到天津距離的1.7倍。
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白鶴灘也在全球首次全壩采用低熱水泥混凝土，創造了沒有一條毫米級裂縫的奇跡。
水電站素有“無壩不裂”的魔咒。混凝土凝固時會放熱膨脹，內外冷熱不均，就會產生裂縫。任何輕微的裂縫，在白鶴灘大壩1650萬噸的水推力下，都會埋下潰敗隱患。
而溫度控制，是無縫大壩的核心。為此，白鶴灘大壩內部安裝了7000支溫度計、上萬個傳感器以及循環冷卻水管，精確控制水泥溫度，成為全球最智能的大壩之一。
目前大壩已合龍蓄水，最大壩高289米，相當于100層樓。4臺機組已投產發電，而全部16臺機組將于明年7月投產發電。完全投產之前，可發電數百億度。
若全部投產，發電1小時，一家人可用250年；發電1天，1億人生活用電無憂。年平均發電量624.43億千瓦時，可供應上海半年用電，相當于每年節約標煤2000多萬噸。
在能量密度上，白鶴灘是三峽水電站的兩倍。由于金沙江落差大，同等體積的水，流經白鶴灘時，能產生三峽兩倍的電量。
未來，白鶴灘將成為“西電東送”的頂梁柱，與金沙江下游的烏東德、溪洛渡、向家壩聯合調度，相當于兩個三峽，共同構筑西部最大的清潔能源走廊，為長三角經濟持續不斷“輸血”。
除了發電，白鶴灘還能兼顧防洪、攔沙、改善長江中下游通航條件等，綜合效益顯著。
其總庫容206億立方米，防洪庫容為75億立方米，約等于525個西湖，將有效調節長江汛期洪峰。
原本攀枝花到宜賓七分之六的險灘無法通航，也終將成為歷史。
02 蒙塵歷史
白鶴“晾翅”，再次向世界秀出中國水電的肌肉。
但翻開我國水電大躍進的崢嶸史，也不乏辛酸往事。
此前，中國大型水電項目連續落成的高光時刻，并不能掩蓋技術落后的短板，中國水電工程師們，半個多世紀以來一直灰頭土臉。
水輪發電機組是水電站的核心部件，由水輪機、發電機構成。在水流推動之下，水輪機把水能轉化為機械能，再帶動“轉子”切割“定子”磁場產生電能。
外國企業在此領域已有上百年積累，中國最初只是亦步亦趨的追趕者。
1827年，法國工程師B·富爾內隆制成6馬力的反擊式水輪機。1849年，經美國工程師J·B·弗朗西斯設計改進，形成了現代混流式水輪機。
從1878年法國建成世界第一座水電站開始，世界水電已經走過143年歷史。
1910年，中國才建成首座現代水電站，即云南昆明石龍壩水電站，擁有兩臺240千瓦的水輪發電機，發電機來自德國西門子，水輪機來自奧地利。
云南昆明石龍壩水電站水輪發電機上的銘牌
新中國成立初期，在蘇聯的技術援助下，中國水電裝備制造從零起步，建立了哈爾濱電機廠、德陽東方電機廠等。
哈爾濱電機廠作為中國大型水電機組“長子”，如今占據了國產裝機總量的二分之一。
但我國水電發展之初，極度依賴進口設備，屢陷價格畸高、捆綁銷售、配適性差、技術封鎖的困境。
20世紀以來，中國幾乎所有重大水利項目，都離不開外國巨頭的技術援助，美國GE、德國福伊特（Voith）、法國阿爾斯通、瑞士ABB、日立、三菱等長期壟斷著這個行業。
歐洲巨頭福伊特制造的水輪機和發電機，貢獻全球水力發電量的三分之一。福伊特于1994年進入中國，為中國80個水電站提供了超過240個發電機組，在三峽、溪洛渡、廣西龍灘、云南小灣、青海拉西瓦等大型工程中身影頻現。
福伊特公司設計制造的烏東德水電站左岸電站2號機組(U2)轉子? 來源：福伊特官微
1997年，長江三峽水電站上馬了當時世界最大的混流式水輪發電機組，單機出力為70萬千瓦，轉輪直徑為9.7米。
在三峽32臺70萬千瓦水輪發電機組中，阿爾斯通、GE水電都參與了14臺機組的設計生產，是三峽項目最大的供應商。
其中，左岸電站14臺全由外企承包，VGS聯合體（福伊特、西門子、GE）制造6臺，阿爾斯通/ABB聯合體供貨8臺。
早在1919年，孫中山在《建國方略》中首次提出開發三峽水電的構想，“以水閘堰其水”。
直到1994年，長江三峽水利工程才正式動工興建。
雖然三峽工程機電設備關鍵技術攻關從80年代就啟動，仍然遭遇卡脖子的困境。
三峽集團白鶴灘工程建設部機電項目部主任康永林仍然記得，三峽電站發電機組核心部件轉子所需的硅鋼片只能依靠進口，自主研發右岸機組時，外方突然提價2倍。
無奈之下，三峽集團只能與寶鋼聯手研發。
“如果當時放棄了自主研發，可能白鶴灘的硅鋼片還是受制于人。”
03 發奮圖強
“成了！”
1951年12月22日，站在機組頂端測量水輪發電機數據，直到葉片慢慢停止轉動，吳天霖激動地脫口而出。
天寒地凍中，中國第一個自主研發的水輪發電機在哈爾濱電機廠誕生了。
這臺水輪機組裝機容量僅有800千瓦，水輪機高1.5米、底座直徑1米，在今天的巨無霸面前不值一提，但在當時超越了最高水平210千瓦，完成了不可能的奇跡。
曾在美國西屋公司實習過的吳天霖等工程師白天做試驗，夜晚苦學技術，用兩個月完成了設計圖紙，通過上百個日夜的奮斗，終于實現了中國水電機組設備零的突破。
隨后，這顆“中國芯”被安裝在四川龍溪河下硐電站，1959年遷到四川蘇雄水電站，服役了近60年。
70年后的今天，與新中國成立之初全國發電裝機總容量184萬千瓦相比，我國水電裝機總容量增長了200多倍。
自2014年年底以來，中國水電裝機容量和發電量穩居世界第一，水電資源為我國第二大能源主體。2020年，中國水電發電量1.35萬億千瓦時，水電裝機容量3.7億千瓦，占全球之比超過30%。
而我國自研水輪機組裝機容量也不斷躍上新臺階。
1980年底，哈電集團成功制造出12.5萬千瓦水輪發電機組，為當時我國最高級別，專供葛洲壩水電站，其后又相繼完成了12套。這是當時我國首次完全自主研發設計的大型水電機組。
1997年，三峽工程從引進技術、合作生產到自主制造特大型水輪發動機組，迅速了縮小與世界先進技術的差距。
三峽水電站
曾經，重大水電工程招標中，中國人只能眼睜睜看著幾家國際巨頭瓜分數百億元的誘人蛋糕。
而三峽工程外，中國規劃在建的70萬千瓦以上機組就有120臺以上，大國重器必須掌握在自己手里。
在三峽之前的魯布革、清江隔河巖、二灘、五強溪等項目，都是直接進口機組，國內企業只能分包制造非核心部件，無法涉足技術轉讓。
但在三峽左岸采購中，第一次有了實質性的核心技術轉讓。
中方也下了大血本，總共花費7.4億美元采購機組，還支付了1635萬美元用于購買水力、電磁、通風、結構、加工等成套關鍵技術。技術受讓方分別是哈爾濱電氣、東方電氣集團。
以此為契機，哈電、東電投入巨資進行技術改造，派遣數百人次赴海外取經，死磕70萬千瓦機組核心技術，消化吸收后實現了趕超，僅用7年就縮小了與國外技術30多年的差距。此前，國內自主設計的水電機組最高容量僅為32萬千瓦。
2004年，哈電、東電與外企同臺競技，各自贏得了三峽右岸４臺發電機組合約，掀開了巨型機組國產化的篇章。
三峽地下電站6臺機組，也交由國內設計、制造。
來源：哈電集團
此后，瀑布溝、金安橋、龍灘、小灣、枸皮灘、水布椏、錦屏等水輪機組訂單源源不斷涌向東方電氣，外企的長期壟斷被徹底打破，中國本土水電設備制造業開始揚眉吐氣。
2008年8月28日，金沙江向家壩、溪洛渡水電站26臺機組招標采購合同塵埃落定，總金額達110多億元，創下了世界最大水電機組采購紀錄。
這次大手筆采購，鞏固了三峽水電機組國產化的成果，“中國制造”首次成為了大贏家。
其中，哈爾濱電機廠中標10臺，合同金額達44.27億元。東方電氣中標9臺。不過，外資仍占據一定份額，天津阿爾斯通中標4臺，上海福伊特西門子中標3臺。
溪洛渡電站單機容量為77萬千瓦，向家壩電站單機容量80萬千瓦，又比三峽機組更上一層樓。
差不多同時，100萬千瓦水輪發電機研發也被提上日程，將首批應用于白鶴灘水電站，由東電、哈電承建。
這在國內外史無前例，電壓等級、絕緣水平、機組穩定性等難度系數更是成倍增加。
“100萬千瓦”意味著能量密度極大，每個磁極容量是三峽水輪發電機的2倍，帶來電壓、電流兩大問題。
首先，電壓從22千伏特提高到24千伏特，必須解決絕緣問題。其次，轉子工作時就像一個1萬千瓦的大火爐在燃燒，如果通風冷卻不充分，會燒毀整個機組。
就在2006年5月底，白鶴灘預可行性研究審查會上，白鶴灘還被視為一個不可能的項目。
但最終，中國工程師不僅成功攻破技術堡壘，還把損耗降到了最低，
電能轉化率高達96.7%，每一滴水都不浪費，達到了世界大型混流式機組最高水平。
04 全球開花
從大禹治水到3000年前的后稷作水碓，再到都江堰、鄭國渠、靈渠等流芳至今的工程，中國水利發展史源遠流長，但現代水利興起只有70多年時間。
“水電興，則國運興。”中國經濟的高速發展離不開電力，傳統化石能源已經對環境破壞巨大。水電作為低碳發電的支柱，對我國實現2030碳達峰有著戰略意義。
經過近百年開發，從落后到趕超，如今，中國的全球水電霸主地位無人能及。
中國既是全球水電資源第一大國，也是最大開發國。
目前，全球前12大水電站，有5座在中國，分別是三峽、白鶴灘、溪洛渡、烏東德、向家壩。
全球服役的70萬千瓦以上機組有127臺，中國就有104臺。
來源：長江電力官網
據《2019年全國水利發展統計公報》，中國共有9.8萬座水庫，占全球水壩的一半，2萬座在開工發電。中國已建水電總裝機容量占世界的37%。高度超過30米的大壩有6539座，占世界的43%。
在國內水利如火如荼發展的同時，我國輸出“三峽”標準和建設經驗，業務遍及全球140多個國家和地區，在海外投資水電項目超過2000億元，其中大部分項目分布在東南亞，并逐步拓展到非洲、拉美和南亞。
截至2019年，中國企業參與的海外水電站項目約320座，占據了七成以上海外水電工程市場，排頭兵為中國水利水電建設集團公司（簡稱“中國水電”）、三峽集團、葛洲壩集團、大唐集團等。
在大中型水電站領域，中國水電是全球最大工程承包商，占據市場份額超過50%，也是國內占比超過80%的龍頭。
如今，無論是喜馬拉雅山大斷裂帶的巴基斯坦NJ水電站、庫容超過三峽的馬來西亞巴貢水電站，還是有“東非電塔”之稱的埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站，都成為了體現中國建設實力的標志性工程。
“敢叫日月換新天”。事實上，中國水電工程師們在每個海外項目中碰到的難題都沒有先例可循，但又憑借刻苦攻堅的精神，將它們都踩在了腳下。
中國公司承建的海外水電站，也紛紛成為老撾、幾內亞、蘇丹等業主國紙幣上的寵兒。
2010年，金康水電站登上5000幾內亞法郎的貨幣。2015年，凱樂塔水電站正式運行，并亮相新版20000幾內亞法郎貨幣。
即使埃博拉疫情肆虐，中國依然順利交付了上述工程，幾內亞首都科納克里也告別了一天停電400次的窘迫。
2019年1月，三座水壩登上了最新版蘇丹100鎊面值紙幣的背面。
其中之一的麥洛維大壩位于世界最長河流尼羅河，全長9.2公里，是世界最長大壩。2008年建成之后，蘇丹打破了半個多世紀的缺電尷尬，一舉擁有了先進的國家電網。
該工程歷時5年半建成，位于半沙漠地區，施工條件十分惡劣、技術難度超乎想象。由于壩體太長，采用了除拱壩之外的5種壩型，工程量與三峽相比有過之而無不及，創造了沙漠中的奇觀。
麥洛維大壩
鑒于中國工程建設的高水準，蘇丹政府已決定由中國企業承建蘇丹接下來的15個水電項目。
在非洲，水能資源位居全球第二，但開發率不到10%。近6億人用不上電，9億人靠薪火維生，無異于“捧著金碗要飯”。
如今，在中國支持下，蘇丹、幾內亞、埃塞俄比亞等非洲國家都紛紛實現了用電自由。
“到2030年，撒哈拉以南非洲、東南亞和拉丁美洲的新增水電項目中，一半以上將由中國公司建造、投資或擁有。”2021年6月底，國際能源署（IEA）發布的一份報告指出。
從起初篳路藍縷，無力“裝備中國”，如今“裝備全球”，“中國裝備”已經脫胎換骨，完成了質的飛躍。
哈爾濱電氣集團董事長斯澤夫從業40年，見證了中國水利裝備制造業由弱到強，從落后追趕到并跑者，從仰視到平視的偉大轉變，這個過程僅僅花了不到20年時間。
在斯澤夫看來，中國公司與國際巨頭同臺競技，屢屢斬獲訂單，答案卻再簡單不過，“靠的就是堅守吃苦、埋頭苦干的精神”。
參考資料：
- [1]《白鶴灘水電站與共和國裝備制造業“長子”哈電集團不為人所知的二三事》對話·CCTV財經
- [2]《建成世界唯一百萬千瓦機組水電站有多難?》中國新聞周刊
- [3]《李永安：我水輪發電機組已具完全自主設計制造能力》新華網
- [4]《歷時5年半，中國在尼羅河上修了座“非洲三峽”》了不起的中國工程
- [5]《提氣！中國包攬世界大中型水電站市場》中國能源報
- [6]《電機史話》清華大學出版社 作者：戴慶忠
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