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向巨型水轮发电机组“无人区”挺进

金沙江干热河谷 ， 岸坡陡峭 。
车从云南省禄劝县驶下108国道 ， 即进入嵌在崇山峻岭之中的乌东德进厂公路 。
多年来 ， 建设者沿着这条路 ， 在两个“无人区”之间穿梭——
一个是荒山峡谷无水、无电、无通讯的“无人区”；
一个是世界水电无先例、无经验、无参数的单机容量“无人区” 。
向巨型水轮发电机组“无人区”挺进
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乌东德水电站摄影：许健
拓荒 ， 从一张图纸开始 。
2006年 ， 三峡集团联合国内外机组设计、制造、施工等单位 ， 探索巨型水轮发电机组可行性 ， 攻破设计制造、工艺材料等诸多难题 ， 引领中国水电装备制造行业实现新跨越 。
乌东德左右岸地下厂房 ， 首批机组在做投产发电的最后冲刺 。
透过机头罩小窗 ， 可以看到一条银色的送风管道弯折向下 。 顺着管道 ， 机组约31米宽、50米高的空间向下展开 ， 发电机、主轴、水轮机等部件汇总成一个巨大的能量转换器 ， 将流水变为电能 。
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乌东德水电站七号机组有水调试摄影：黄杰
乌东德水电站年平均发电量为389.1亿千瓦时 ， 可满足广州市一年工业用电量的八成以上 。
这背后 ， 是诸多世界级的难题 。
随着单机容量的增大 ， 水力设计、核心部件、结构材料将因“量变”产生“质变” 。 即使一个螺栓孔、一根定位筋设计有微小误差 ， 都会对机组稳定性产生很大影响 。
时间回到2006年 ， 巨型水轮发电机组设想之初 。
彼时 ， 三峡电厂左岸单机容量70万千瓦机组正处于机电安装阶段；向家坝水电站单机容量80万千瓦的水轮机组 ， 还只是一张图纸 。 长江勘测规划设计研究院在大量前期研究的基础上 ， 提出《乌东德、白鹤滩水电站1000MW级水轮发电机组创新研究立项申请书》 ， 乌东德机组创新研究至此开始 。
在环环相扣的研究中 ， 转轮占据着机组研究“半壁江山”——
转轮形如旋起的裙摆 ， 是整个机组的“心脏” ， 经水流推动旋转 ， 进而带动转子切割磁感线 ， 产生感应电流 。 其设计、制造与安装 ， 不仅直接关系着机组功率大小 ， 更影响着整个水电站的质量与可靠性 。
自2005年起 ， 国内外顶尖的水电机组制造厂商着手开展乌东德机组研发设计的相关工作 。
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转轮加工厂全景资料图片
乌东德电站左岸机组供应商福伊特公司负责人告诉采访人员 ， 此次转轮是“公司投入人力、物力的百年之最” 。 光是模拟实验阶段 ， 就有来自水力开发、CFD计算、机械设计等6个专业的20多人参与 ， 完成了80种转轮、30种导叶以及30种尾水管的设计 。
经过漫长的选优流程 ， 福伊特团队提供的1：25转轮模型 ， 不但达到了设计性能 ， 更使转轮的关键性能指标迈上新台阶 。
400余吨的巨型转轮 ， 若干部件误差要比头发丝还小 ， 这又对制造工艺提出了极高的要求 。
三峡集团三峡机电公司闫海桥参与了转轮加工时的平衡分析与配重研究 。 他的团队经过对比分析、结合实地条件 ， 创新了平衡测量方法 ， 机组带负荷旋转时 ， 可立一枚硬币不倒 。
江海不择细流 ， 方能成其大 。
“目前 ， 中国水电装备行业已具备百万千瓦级机组设计生产能力 ， 但我们并没有故步自封 ， 而是持续向世界敞开胸怀 。 乌东德水轮发电机组采用了国际化合作方式 ， 表明我们既要坚持自主创新 ， 也要吸纳先进技术 ， 与世界水电共同成长 。 ”三峡机电公司党委书记、董事长张成平说 。
细心的工程师统计过乌东德水轮发电机组的重量 ， 8000余吨——逼近埃菲尔铁塔的重量 。 而且 ， 这个“庞然大物”不仅要有固定的几何构造 ， 关键部件还要“转”起来 。
因此 ， 设计时要考虑多种复杂因素 ， 水轮机发电机组要有一副既坚固又灵巧的好“身板” ， 要有足够的抗冲击、抗撕裂的韧性 ， 又要实现灵巧精确的运转性能 。
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乌东德水电站工程左岸转轮加工厂内的转轮摄影：黄杰
早在乌东德水电站尚处于设计阶段时 ， 三峡集团便开始着手准备材料供货商招标 。 在当时的条件下 ， 即使是国内外最顶尖的供货商都无法全部满足相关技术性能指标 。 随着多年的科研攻关 ， 宝武集团、太钢集团、舞阳钢铁、新城钢铁等中国企业逐渐具备了产品供货能力 。
在水轮发电机组中 ， 最大、最重的埋件是座环 。 座环如同一个大的“钢圈” ， 与混凝土结构一起承担着发电机、水轮机等部件传导的冲击力 。
三峡集团采用270毫米高强度抗撕裂钢板——不亚于大型航空母舰甲板厚度的钢板 。
当时 ， 国内外没有一家供应商具有相应研制能力 。
为此 ， 南阳汉冶特钢有限公司组建专门团队 ， 围绕乌东德座环特点开展研究 ， 先后完成近10项技术攻关 。 产品成型后 ， 工作人员逐个核验 ， 逐项改进 ， 最终突破了270毫米厚钢板锻造的世界性难题 ， 推动钢板综合性能赶超国际先进 ， 实现替代进口 。
如果说抗撕裂钢板对韧性要求高 ， 那么硅钢片（一种含硅的钢铁 ， 用以产生发电所需要的磁场）则向供应商提出了“抗压”挑战 。
2011年起 ， 宝武集团开始开展相关立项研究 ， 通过6年时间攻关 ， 研制出的升级钢板在抗压的同时 ， 还达到了磁性更强的目的 ， 并将材料不平度降到每米1毫米以下 。 依托于乌东德工程 ， 宝武集团就此填补了国内高级别磁轭钢的技术空白 。
此外 ， 水轮机组蜗壳所用钢板材料、定子线棒所用材料等的“版本升级” ， 也促推着国内外厂商在新材料、新工艺、新技术方面陆续实现“零的突破” 。
参建各方在接受采访时认为 ， 三峡集团在国家重大工程建设中 ， 用先进标准倒逼“中国制造”升级 ， 推动我国从水电制造大国向制造强国转变 。
85万千瓦单机容量、愈加复杂的运行工况与电厂“无人值班、少人值守”的集约化运行模式叠加 ， 让水电站自动化系统变得结构更复杂、响应更快速、决策更智能 。
机组四周密布有上百个高精度传感器 ， 实时反馈系统运行情况 ， 为各项控制决策提供依据 。
这里是“电气二次”的主战场 。
电气二次设备如同电厂的神经中枢 ， 保障着机组在各种复杂工况下正常运行 。
每秒成千上万条指令信息 ， 都要在统一的监控系统上汇集、交互、运算、发出 ， 这些都要在毫秒级别的时间内完成 ， 否则 ， 失之毫厘 ， 谬以千里！作为电力生产的平台 ， 监控系统要求内部逻辑清晰、多重任务并行、实时响应迅速 。 任何一个微小的偏差都可能危害机组乃至整个电站和电网调度安全 ， 造成不可估量的损失 。
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乌东德水电站左岸地下电站85万千瓦水轮发电机组转子成功吊装资料图片
综合工业信息安全、监控系统性能等多重因素 ， 乌东德水电站在计算机监控系统和工业信息安全防护系统上煞费苦心 。 整个监控系统平台、操作系统、数据库等软件全部要求国产化 。 以操作系统为例：乌东德电站计算机监控系统使用国产自主可控操作系统——凝思操作系统 ， 它的核心安全机制具有完全自主知识产权 。 选择一个操作系统 ， 就相当于选择了一个生态 ， 从底层架构到上层软件 ， 不同供货商提供的产品不能全部兼容 ， 需要三峡机电公司反复组织供货商进行设备集成和调试 。
调试现场 ， 来自上海、天津、南京、成都等各参建方召开多轮设计讨论会、联络会、技术交底会；一个传感器出了故障 ， 要从第一个环节开始 ， 一步步排查；不同工况对系统参数要求不同 ， 调试团队要顾及各系统间工况的平衡 ， 进行十几次甚至上百次反复调校 ， 才能保证水轮机组达到最佳状态 。 现场调试 ， 完全依靠调试团队多年的经验和锲而不舍的精神 。 这是一门技术 ， 更是一门艺术 ， 是一种纯粹的“工匠精神” 。
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技术人员正在对转轮进行平整度检测资料图片
“国产化推进过程中 ， 产品质量、生命周期都需要有平台去检验 ， 有舞台去展示 。 以什么样的路径实现国产化 ， 国产化范围有多大 ， 三峡集团是宏观上的把控者和引领者 。 ”张成平说 。
在核心产品上 ， 推动国产化做强、做精；在产品选择上 ， 顺应全球化包容、开放 。
在人迹罕至的深山峡谷 ， 大家拉起手来 ， 在世界水电“无人区”探索前行 。
这座国家“十三五”规划的重要标志性工程 ， 背后镌刻着两段相互交融的历史——
一段是国家对民族工业的大力扶持 。 自三峡工程起 ， 全国数以百计的单位、院校 ， 数以万计的建设者与科研人员 ， 投入到三峡以及此后金沙江四座巨型水电站的工作中 ， 探索着巨型水电机组可行之路 。
另一段 ， 则是中国水电重大装备制造企业始终向全球市场开放 ， 与世界分享水电经验与标准 ， 兼收并蓄 ， 使乌东德工程成长为世界水电又一“巨轮” 。
而这背后 ， 是建设者多年来一棒接一棒 ， 摸索着中国水电“创新发展”之路 。
这条路没有捷径 。
【向巨型水轮发电机组“无人区”挺进】但 ， 无限风光在险峰 。


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