白鹤滩水电站背后的创新密码

全球首台百万千瓦水轮发电机组、首次全坝使用低热水泥混凝土、世界“最聪明”的智能大坝、世界最大的地下厂房……大国重器白鹤滩水电站实现了多个世界之最。而这背后，是中国几代水电人数十年如一日的不懈探索，他们一步一个脚印，用行动书写出中国水电装备实现跨越式发展的篇章。

从中国制造到中国创造水电站单机容量世界第一

2022年9月22日，在万众瞩目下，白鹤滩水电站左岸机房内液晶显示器上8号机组的数字不断跳动，白鹤滩水电站8号机组顺利通过并网调试72小时试运行，正式转入商业运行，这标志着白鹤滩水电站左岸机组全部投产发电。

百万千瓦水轮发电机组

每个发电机组单机发电量达百万千瓦，单机百万千瓦是整个水电站最为独一无二的标签。

“单机百万千瓦，可以说是前无古人，后无来者。”白鹤滩水电站工程枢纽部分设计总工程师陈建林介绍，在白鹤滩水电站前期论证过程中，发现白鹤滩的流量和水头具有得天独厚的优势，可以达到百万千瓦的标准。但在此之前，总发电量世界第一的三峡大坝单机发电量也只有70万千瓦。要建造百万千瓦的单机容量，没有任何标准可以参考借鉴。

如何建成单机百万千瓦水轮发电机组？对中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（下简称“华东院”）来说，最重要的是进行可行性论证，并制定机组各项指标的标准。为了不浪费白鹤滩水电站的天然优势，华东院专门成立了相关课题组，联合业界的专家和学者进行了大量的分析论证工作，成功提出了百万机组可行的研制参数指标，包括运行方式、叶片型式、转轮加工方式等，从而指导我国制造厂自主研制出了国际领先水平的白鹤滩水电机组。

千百次试验，千百次论证，研究人员历经多年的心血，2021年6月28日，白鹤滩水电站1号和14号发电机组正式发电。那天，看着控制柜上跳动的数字，听着厂房机组轰鸣的声音，参建人员们热泪盈眶。而单机发电量百万千瓦的这一成就，实现了中国大型水电工程建设从中国制造到中国创造的历史性跨越，攀上了当今世界水电行业的“珠穆朗玛峰”。

精工铸就“千层饼”“0.02毫米”彰显工匠精神

白鹤滩水电站百万千瓦水轮发电机组的核心部件——转子磁轭，由16 000多张磁轭冲片叠成，高度近4米，直径超过15米，重达1 200多吨，犹如一张超大号的“千层饼”。

就白鹤滩水电站百万千瓦水轮发电机组而言，机组运行时转子每分钟转速可达到111圈。这16 000多张磁轭冲片哪怕有一点细微的不均匀、不平整，都会造成整个转子重量的不均匀，机组旋转时就会产生巨大的离心力。

高速旋转时巨大的离心力就会造成相关零部件损坏，威胁整个发电机组的安全，但是要想让16 000多张磁轭冲片堆叠起来依然均匀平整，那每一层都必须做得极其均匀平整。

磁轭冲片采用了行业先进的数字化车间激光切割而成，有效确保了加工精度。每片冲片有60千克重、4毫米厚，需要建设者分900层手工叠装成一个高3.6米、直径超过15米的圆形，这其中需要1 500余根拉紧螺杆、3 000多个螺母进行固定。

磁轭叠装

然而，即使每张冲片只有0.1毫米的偏差，叠装后就会放大900余倍，如果不加以控制和调整，将会严重影响机组的安全稳定运行，这考验着每一个技术人员的能力和心态。

转子是个庞然大物，磁轭叠装却是“绣花功夫”。

在创造精品的过程中，东方电气集团白鹤滩项目团队通过精细称重、动态监测等一系列手段，让磁轭叠装过程全程受控。通过控制转子磁轭圆柱度和同心度，使磁轭和整个转子形成“同心圆”。由于叠加的层数有900层之多，每叠装150层，技术团队就要在断面上均衡选取54个点位进行精度测量，严格控制磁轭的半径偏差，同时进行压紧作业，以控制整体高度和圆度。

“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。”组装的最终数据显示，直径15米的磁轭外圆，表面最高点与最低点之差没超过0.36毫米，远优于精品标准要求的1毫米，叠装形成的磁轭中心相对理论中心偏差没超过0.02毫米，仅相当于一根头发丝直径的1/3，远优于精品标准要求的0.15毫米。

打破世界级魔咒特种水泥解决“无坝不裂”难题

从空中鸟瞰白鹤滩水电站，景色极为壮观：在两岸高耸的峡谷间，双曲拱形的大坝线条流畅、造型优美，如孔武有力的壮士一般轻轻托住了如挂半空的一江碧水。而多柱白色的尾水从坝体喷涌而出，以一泻千里之势，直扑下游的溪洛渡而去。

坝高289米，相当于100层楼，整体浇筑低热水泥混凝土803万立方米，从外形看，白鹤滩水电站绝对是个大块头。

在业界，水电混凝土大坝都面临一个魔咒——“无坝不裂”，这是横亘在水电站建设过程中的世界级难题。白鹤滩水电站尤其如此，规模巨大，坝体结构不对称，加上持续的干热、大风天气，导致温控难度极大。

为此，科研人员研制出特种水泥——低热硅酸盐水泥，也叫低热水泥。它具有水化热低、放热速率慢、碱含量低、后期强度增进率高等优良性能，为解决大体积混凝土开裂问题提供了更好的技术途径。同时，在每一方浇筑的混凝土中，都埋设有数支温度传感器和循环冷却水管，可以实时监测混凝土内部的温升，并进行相应降温。

鸟瞰白鹤滩水电站

自开浇以来，白鹤滩水电站大坝没有出现一条温度裂缝。2019年，在钻孔取芯质量检查过程中，人们从大坝取出25.7米混凝土长芯，混凝土芯样光滑密实、骨料分布均匀、气泡少。这样一份高质量混凝土浇筑施工成绩单的背后是建设者对大国重器质量细节的精准把控。

智能高拱坝建设“最强大脑”提升工程效率

从长江到金沙江，三峡集团组织创新“300米级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术”，开创了我国智能高拱坝建设的先河。而白鹤滩水电站则借助物联网、云计算以及大数据等技术，向建设管理智能化又迈出了一大步。

在白鹤滩工程建设部技术管理部副主任周孟夏看来，手机中安装的智能通水系统和施工过程智能监控系统，是他最亲密的“工作伙伴”。“大坝施工中，混凝土温度控制的主要手段是冷却通水，以前全靠人工操控。按照规范，至少每4个小时就要对所有仓号进行一次测温，需要投入大量的人员手工操作，大坝温度情况掌握也比较滞后。”

如今，智能通水系统不仅能实时感知温度，还可以自主分析温度变化趋势，按照预设的控制算法进行自动调控。在降低人工作业强度的同时，极大提升了工程效率与温控精度。

“这个‘最强大脑’还可以积累工程实践数据，通过大数据分析完善预设的经验算法，进行部分自主决策，进而实现现场快速响应。如此一来，工程师便能从大量日常管理工作中解放出来，仅在数据异常时纠偏处理即可，管理效率随之提高。”周孟夏介绍。

白鹤滩水电站工程夜景

白鹤滩水电站左岸地下厂房全景

“最强大脑”高效整合物质流与数据流，为精细化施工创造了更大的空间。

以混凝土振捣为例，振捣几遍，振捣棒型号如何选择，初振多久，复振多久，这些专业试验的参数都会印成标准化工艺手册，用以培训员工。

如今，这些标准被“翻译”成代码进入智能系统，智能系统实时分析振捣棒的覆盖范围、插入深度、振捣时长等数据是否“合格”，让施工质量不再仅靠人工肉眼观察和经验判断，而是“数”说了算。

地下洞室群规模世界第一开挖量足够填满两个西湖

要将16个重量超过8 000吨的百万千瓦水轮发电机组装在陡峭的山体下，意味着需要在左右岸掏出两个长约450米、宽34米、高88.7米的庞大宫殿，相当于要在地下挖出两个足球场。

指针拨回到2014年，地下厂房启动首层开挖，“一定要保证地下厂房安全”是地下厂房修建的关键。而由于规模大，地质条件差，围岩的稳定性问题逐步凸显。

为了保证地下厂房的安全性，设计师和工程师们决定使用精细爆破，采取微量化装药的方式，根据岩石的特性将其分为10层，由上至下分层开挖，逐层爆破。由于围岩的不稳定性，每一层都需要根据地质条件、监测数据的变化，对开挖支护及时进行动态调整。

从某种程度上来说，这个难度比修建大坝大得多，即使在大家一层一层精细的设计和施工下，围岩还是出现了突变。2018年元旦前几日，在白鹤滩水电站右岸小桩号部位，围岩变形连续几天出现了突增，单日最大增幅超过4毫米，大大超过了每天0.2毫米的允许变形增量，连续超过了“预警”和“危险”两个等级。

面对如此严峻的围岩突变，设计团队立即紧急攻关，及时拿出了应对方案，并迅速与参建方达成了共识。经过灌浆、增强预应力锚索等方式，成功将围岩补强加固，及时避免了危险的产生。

2019年，在历时50多个月的精心“打磨”下，总长438米的地下厂房终于建成。白鹤滩水电站两岸地下洞室群规模宏大，达世界第一。左右岸的引水发电系统及附属洞室、施工洞室、交通洞室，构成了一个庞大的地下洞室群，两岸地下洞室总长达217千米，地下洞室的总开挖量达2 500万立方米，足够填满两个西湖。