 一座水电站，缘江而起。 N座水电站，亦缘同一条江而起。总装机容量2250万千瓦的世界第一大水电站——三峡大坝电站和总装机容量为1600万千瓦的世界第二大水电站——白鹤滩水电站，巍峨矗立在同一条江上。 两者的区别是，三峡电站位于长江中下游的宜昌；而白鹤滩电站屹立在长江上游金沙江的下游干流河段，左岸为四川省宁南县，右岸为云南省巧家县。 金沙江起于青、川两省交界处的玉树州直门达，止于四川宜宾市东北翠屏区合江门，干流河长3000多公里，落差达3000多米，占长江干流总落差的95%，其坡陡流急，气势十分雄伟。丰沛的水流携带着大自然赋予的势能和动能，在山谷间奔腾激荡，为将其转化为源源不断的电能提供了无限可能，其蕴含的水力资源达1.1亿多千瓦，占长江水力资源的40%以上。为此，国家发改委已分别在金沙江的上中下游拟定了水电建设规划，在其下游河段，已如期建成向家坝、溪洛渡、乌东德和白鹤滩这4座梯级水电站，总装机规模4000多万千瓦，约相当于“两个三峡”。 今年6月底，三峡集团白鹤滩工程建设部宣布，白鹤滩水电站全部机组已具备并网发电条件。白鹤滩电站全部机组投产后，每年可节约标准煤1968万吨，减少二氧化碳排放5160万吨。 在白鹤滩水电站10台机组并网发电之际，记者采访了白鹤滩水电站的几位奋斗者，听听他们说，白鹤滩水电站的“世界第一”是怎么奋斗出来的。  为什么白鹤滩大坝要比三峡大坝高100多米？ 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，双曲拱型的大坝线条流畅、造型优美，如孔武有力的壮士一般轻轻托住了就像是半空中的一江碧水。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。 白鹤滩山势如此险峻，为何选作坝址？选择白鹤滩作为坝址，又意味着什么？ 汪志林（中国长江三峡集团有限公司建设部主任）： 金沙江下游河段地处青藏高原东麓的高山峡谷，地势险峻。白鹤滩作为水电站，选址的优点是高山峡谷河流落差大，水能蕴藏量巨大；且河谷狭窄，两岸山体岩石较好，适合修建高拱坝。从经济指标考虑，大坝使用的混凝土方量小，可节省投资，且修建高坝大库需要的移民和淹没损失也较小；但不足是，整个河段范围的地形条件天然险峻复杂，地震、滑坡崩塌及泥石流等自然灾害隐患较多，且阳光照射强烈，降水较为频繁集中，环境较为恶劣。 为了充分利用丰富的水能资源，国家统筹考虑各方面因素，最后确定自上而下依次分乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四个梯级开发，明确白鹤滩水电站为其中的第二个梯级。从2006年起，我们就启动了白鹤滩工程的预可行性研究，至2016年枢纽可行性研究通过审查，进行了大量的地质勘察和坝址比选工作，共对3个坝址、9条坝线的方案进行了研判，最终选定了现在的坝址及建设方案。白鹤滩坝址地质条件虽然复杂，但是河段顺直，地形完整，稳定性好，基岩主要为玄武岩、覆盖层不厚，具备修建高拱坝的良好天然地形地质条件。 正是白鹤滩独特的地形，决定其与三峡大坝完全不同的坝型。白鹤滩的坝顶高程834米、最大坝高289米；而三峡大坝的坝顶高程为185米，正常蓄水位是175米，所以三峡采用“宽、长、直”的混凝土重力坝坝体，坝顶总长为3035米，依靠其坝体自身的重量来抵消三峡水库的压力。而白鹤滩处于一个V字形的河谷，坝体比三峡要高100多米，大坝承受总水推力达1650万吨，所以采用了双曲面的拱形坝，坝体弧度优美，并不只是为了视觉“优美”，而是为了因地制宜地将水体的压力分散到两侧的山体上去，使大坝能抵御百年一遇的洪水，坝体更为安全和经济。 在建设过程中，建设者攻克了首次利用柱状节理玄武岩作为特高拱坝基础、高地应力复杂地质条件世界最大规模地下厂房洞室群围岩稳定、窄河谷高水头巨泄量巨型高拱坝泄洪消能系列技术等一系列世界级技术难题，才确保了白鹤滩水电站的建成。  那个“无坝不裂”的魔咒是怎么打破的？ 白鹤滩水电站300米级的高拱坝，面临着两个严峻考验：一是地处青藏高原的边界地带，是地震的高发地段，抗震等级必须特别高；二是筑坝过程中，当混凝土被浇筑入模时，混凝土会与水发生“水化反应”——迅速地加热和膨胀，然后又会随着温度的下降而收缩。这一胀一缩，而且是长期、反复地热胀冷缩，最终会在坝体上产生裂缝。因此世界上很多水电站有“无坝不裂”之说。一旦“地震+裂缝”，后果不堪设想。 李文伟（中国长江三峡集团有限公司科技创新部主任）： 白鹤滩工程处于地震活动强烈的川、滇地震带，坝址的地震动参数在300米级高坝中是世界最高的。为此，我们请来国内多家科研单位专家开展专题研究，形成了成果丰富的拱坝抗震理论，从理论上破解了300米级高坝抗震的难题，提出的大坝抗震措施合理可行。现在，白鹤滩水电站大坝的抗震参数，已经达到了世界第一。 拱坝建设过程中的混凝土温控防裂，是白鹤滩水电站建设中遇到的六大技术难题之一，这也是世界性难题。在三峡、溪洛渡、向家坝等大型工程研究应用的基础上，我们针对白鹤滩水电站的特点，通过大量系统的科学试验和设计计算分析研究，最终决定在白鹤滩工程全面应用低热水泥混凝土技术并配合精细化温控措施，取得了显著的大坝混凝土温控防裂效果，提高了混凝土抗裂安全性，保证了水工结构的完整性和耐久性,创下了在300米特高拱坝全坝使用低热水泥混凝土的世界第一。 其具体举措为：创新优化了低热水泥的矿物组成和制备工艺，制定了适用于水工混凝土的低热水泥技术标准。该水泥具有水化热低、放热速度慢、收缩小、后期强度高、抗裂性优良的特性，并建立了低热水泥生产工艺全过程质量控制精细化管理与监造体系，实现了规模化稳定生产，还形成了一套完整的特高拱坝低热水泥混凝土温控防裂技术标准、施工工法和全过程质量控制体系，成为首部行业标准。这一技术创新，将大坝的抗裂安全系数提高10%以上，打破了“无坝不裂”的魔咒，为混凝土温控防裂开辟了新的技术途径，为世界坝工建设提供了中国方案。  还有比水电机组单机容量创“世界第一”更难的吗？ 白鹤滩水电站创下了六项“世界第一”,除上述大坝抗震和全坝使用低热水泥混凝土两项外,还有水轮发电机组单机容量、圆筒式尾式水调压井规模、地下溶洞群规模和无压泄洪洞群规模等四项世界第一。其中，水轮发电机组单机容量世界第一最为令人瞩目。 肖海航（前东方电气集团东方电机有限公司技术管理部副部长）： 水轮发电机组单机容量是一个水电站最重要的核心指标。白鹤滩水电站共安装了16台单机容量百万千瓦的水轮发电机，总装机容量达到了1600万千瓦。虽然三峡大坝的总装机容量为2250万千瓦，但它左、右岸及地下厂房安装的是32台单机容量为70万千瓦水轮发电机组和2台5万千瓦电源电站。当时，我国还没有自主设计制造高性能70万千瓦级水轮发电机组的能力。东电不甘人后，唯有潜心科技创新！如今，在白鹤滩地下厂房的中国创新名片——发电机定子蒸发冷却技术应用，及机组设计制造全面国产化，再到溪洛渡、向家坝的80万千瓦级水电机组与国外通同台竞技实现技术超越，中国大容量水电机组逐步从技术跟随走向技术引领。从2006年始，由中国长江三峡集团公司领衔挂帅，组织协调了长江科学研究院、华东勘测设计研究院、东方电机和哈尔滨电机等单位，向百万千瓦水轮发电机组的研制发起冲击。白鹤滩水电站的并网发电，说明我们的水电机组创新研制能力已经站在全球领跑的位置上。 水电站使用的水轮发电机组，由水轮机和发电机这两大部分组成，水轮机将水的势能和动能转化为机械能输送到发电机，发电机将机械能转化为电能，转化效率是水轮机和发电机最为关键的性能指标。东方电机白鹤滩水电站使用的水轮发电机组，水轮机转轮真机最高效率达到了96.68%，加权平均效率达到了95.91%，居世界领先水平，而发电机的效率更达到了99.01%，在大型水轮发电机领域毫无疑问的世界第一。说实话，实现99.01%比水电机组单机容量100万千瓦所创的“世界第一”更难，百万千瓦级的水轮发电机组效率要突破98.8%，实现对99%的超越，尽管看起来只有千分位的提升，但必须对机组进行一系列的创新优化才可能实现的，这也是东方电机“与时俱进、追求卓越”的具体体现。发电机效率要从几乎已经是极限的98.8%，进一步提升到99.01%，我们从电磁设计入手，进行一系列的技术优化，电负荷、磁负荷设计优化、铜损（电流流过铜绕组引起的损耗）优化、铁损（交变磁场在硅钢中引起的损耗）优化、风磨耗（旋转摩擦及风阻带来的损耗）优化，这几乎涉及到发电机所有的关键部套、关键材料及相关技术突破。 虽然看来整个发电机效率只提高了0.21%，但1台百万千瓦机组的0.21%，就意味着每1小时可多输出电能0.21万度。按照白鹤滩16台机组计算，就可每小时多输出电能3.36万度，1天24小时就可多输出电能80.64万度，不考虑其他社会效益，单纯从发电计算，年经济效益可上亿元。更重要的是，一旦突破了这个技术瓶颈，这创新成果就可以应用到将来新建的发电机组上去，带来的是整个行业的变化。  买不到生产高等级硅钢技术？那还有路可走吗？ 任何人走进白鹤滩水电站位于大坝左右两岸的地下洞室群，无不为之震撼：两个洞室各有8台世界上首批研制成功的百万千瓦级水轮发电机组，每台机组高50米，由3万多个部件组成，重达8000吨，相当于法国埃菲尔铁塔的重量。这超巨型混流式水轮发电机组，可谓当之无愧的世界水电的巅峰之作，是名副其实的“国之重器”。建设三峡电站时，水轮发电机组的国产化率只有8%，而白鹤滩水电站百万千瓦级水轮发电机组国产化率实现了100%。这巨大的跨越中，中国宝武宝钢股份作为水轮发电机组重要部件供货商又贡献了什么？ 王志成（宝钢股份硅钢事业部无取向硅钢产品首席工程师）： 在白鹤滩水电站的16台水轮发电机组中，发电机定子全部采用了我们宝钢的无取向硅钢，这是我们为百万千瓦级水轮发电机组特制的高端硅钢，性能达到了国际领先水平。 硅钢，损耗低，磁导率高，是电力、电子工业不可或缺的含碳极低的硅铁软磁合金，也是需求量最大的金属功能材料。中国宝武研制硅钢已有40多年。2004年春季，我入职宝钢时，宝钢宝山基地已有无取向硅钢产品，记得当时最高牌号是B50A470。这牌号其实就是技术等级，表明硅钢的厚度为0.5毫米，每公斤损耗4.7瓦，只能用于空调和冰箱压缩机，现在看来是硅钢中的低端产品。而宝钢向白鹤滩提供的取向硅钢和无取向硅钢，已经是全球硅钢产品中的最高等级，无取向硅钢的损耗降到了每公斤2.4瓦以下。 宝钢在硅钢领域从跟随到领先的巨变，是打破关键核心技术被“卡脖子”的过程，也是秉持“钢铁报国”初心、敢为人先的创新过程。在三峡工程建设的前期，我国尚不具备高等级无取向硅钢稳定供应能力。宝钢为了攻克无取向硅钢难关，只能奋发图强，潜心研制，终于通过自主创新闯出了中国硅钢产业的新天地。 如果说生产一块普通热轧板只需要三五天时间，而生产一卷高端无取向硅钢从炼铁开始到成品交货，则需要半个月左右的时间，其工序从炼铁、炼钢、热轧、常化酸洗、冷轧、最终退火、涂膜、成品，哪道工序都必须达到精品级的质量管控。在白鹤滩水轮发电机定子招标中，宝钢股份的无取向硅钢中标，但东电和哈电下的标书要求极高：超纯净的炼钢、采用C6环保涂层和超低的铁损控制。宝钢硅钢事业部将此项目作为“国之重器”来攻关，2016年7月《清洁发电装备用高端无取向硅钢的开发和应用》这一国家重点研发项目正式立项，如今已交出完美答卷：达到国际领先水平，并在国际上首次建立大型水轮发电机定子铁心用钢专用技术标准。 一台100万千瓦水轮发动机的定子有1000多吨重，直径19米，需要无取向硅钢材料800多吨，然后再冲制成50万片硅钢片，重达700吨。宝钢股份宝山基地和青山基地共为白鹤滩项目核心发电机组和配套输电变压器提供了近3万吨关键核心硅钢——包括取向硅钢和无取向硅钢材料。  怎么摘下取向硅钢这个钢铁产品“皇冠上的明珠”？ 宝钢不仅保障了白鹤滩水电站高效发电，还确保了清洁电能的高效输出。2020年12月，宝钢股份新型耐热刻痕取向硅钢机组正式投产。今年7月1日，全长2080公里的白鹤滩至江苏±800千伏特高压直流工程竣工投产。白鹤滩水电站发出的绿色电能，仅需7毫秒便能到达千里之外的江苏。该输电工程用换流变压器的取向硅钢100％采用宝钢产品，宝钢股份的取向硅钢机组功不可没。 杨勇杰（宝钢股份中央研究院首席研究员/工程师）： 硅钢分为取向硅钢和无取向硅钢两种，两者在硅含量、组织织构、生产工艺和产品用途上均有不同。取向硅钢就像整齐划一的队伍，所有晶粒易磁化方向与带钢长度方向一致，长度方向电磁性能极高；而无取向硅钢的晶粒取向随机分布。无取向硅钢片主要用于制造各类电机，而高性能取向硅钢是超/特高压、高能效变压器的核心软磁材料，是长距离、低损耗输配电装备的标配。 但正因为取向硅钢所有的晶粒取向保持一致，所以它是钢铁产品中制造难度最大的品种，工艺要求极其苛刻，生产一卷取向硅钢带材通常要一个月时间，被誉为钢铁产品“皇冠上的明珠”。在21世纪开始的很长一段时间，世界上只有1家企业能够生产，且年产量不足10万吨。然而，仅我国“西电东送”与高效电网建设年需求就在50万吨以上，成为“国之重器”的发展瓶颈。 当项目急需高牌号无取向硅钢时，国外硅钢供应商却拒绝供应；后来宝钢“求”到一家国外厂商，对方却坐地起价，当场提价1000美元/吨。在2003年全国人大会议期间，一位国家领导人接见了宝钢代表，要求宝钢尽快供应高等级硅钢，保障国家电力安全。谁都知道如能购买成熟技术，肯定比从头研发快捷得多。为此，宝钢领导亲自带队遍访全球硅钢生产厂，谋求技术引进，但几乎全部厂家都一口拒绝，只有一家企业勉强同意出售其过时技术，还提出了令人难以接受的苛刻条件。这让宝钢深刻体会到，在关乎国运的核心技术面前，没有捷径可走。于是，宝钢人义无反顾地走踏上了研发高端取向硅钢之路。 从投入三峡工程这一国家重大工程开始，宝钢取向硅钢的产品等级和产能规模上不断提升，2013年，宝钢低温取向硅钢开发与产业化项目，获得了国家科技进步奖一等奖。2018年，宝钢取向硅钢应用于±1100千伏全球最高电压等级直流换流变压器，有力支撑我国特高压输电技术世界领先。如今，宝钢股份不仅取向硅钢的产量稳居世界第一，高端产品产能在60万吨以上，彻底结束了国外企业的长期垄断，还把取向硅钢这一原来的“战略储备物资”变为出口国际市场的拳头产品。宝钢还连续十多次发布代表世界最高技术水平的“全球首发牌号”，向全球硅钢第一品牌迈进。 如今，宝钢的取向硅钢、无取向硅钢和厚板低焊接裂纹敏感性高强度水电用钢，以及热轧高强度磁轭钢板，广泛应用于有“世界最大清洁能源走廊”之称的金沙江上乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝等大型水电站。如果我国现有所有的高耗能变压器都能采用宝钢的060高等级产品，可大幅降低输配电网损耗，每年节电量可超过三峡水电站年度发电量，为国家“双碳”战略的落实和社会可持续发展奠定了材料基础。 |
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