堪称“巨型印钞机”，白鹤滩水电站投产
文 | 华商韬略，作者丨杨倩
从一穷二白到称霸全球，中国水利人苦干了70年。
01 水电“珠峰”
近日，白鹤滩水电站低调投产，引发无数国人为之热泪盈眶。
这座超级巨无霸由中国三峡集团兴建，位于川滇交界，2017年8月正式破土动工，总投资2200亿元，总装机容量1600万千瓦，是仅次于三峡工程的恢弘之作。
但在更多指标上，白鹤滩要远远超过“全球一哥”三峡，站在全球水电群峰之巅。
作为水电站的“心脏”，水轮发电机组相当于手机芯片、电脑CPU，决定了水电站的技术水准。
水轮发电机组仿真模拟 来源：三峡小微
白鹤滩水轮发电机组单机容量100万千瓦，比三峡的70万千瓦还要高，突破了世界极限。
更值得骄傲的是，水轮机组全部由我国自主研发，具有里程碑式的意义。
2020年8月18日，白鹤滩水电站1号机组转子成功吊装 来源：中国水电四局
这样的水电机组左右两岸各8台，每台50多米高，重8000多吨，相当于一座埃菲尔铁塔，一艘驱逐舰，或者45头蓝鲸。
每台发电机每运转一秒，产生278度电，相当于一个普通家庭三个月用电量。
但在其每分钟111圈的高速转动下，硬币竖立在旁竟能纹丝不动。机组摆度平均小于100微米，不超过2根头发丝。
即便还未正式完工，白鹤滩水电站已拿下9项世界第一，堪称史诗级工程。
机组方面，就拿下四项全球第一，前无古人后无来者：
- 单机容量100万千瓦；
- 发电机额定效率不低于99.01%；
- 定子绕组温升不超过63K，转子绕组温升不超过58K，属全行业最严温升控制水平；
- 发电机最高电压等级24千伏，世界第一！
其全球在建规模、地下洞室群规模、300米级高拱坝抗震参数、圆筒式尾水调压室规模、无压泄洪洞群规模等都也打破了全球纪录。
在施工方面，白鹤滩水电站面临的是世界级挑战。
因其选址于金沙江峡谷，呈现不对称V字型，坝区地震基本烈度为8度，岩质“硬、脆、碎”。
两岸峭壁高悬，意味着常规施工无法开展。工程师便在两岸之间建了一道道钢梁索道，将混凝土搅拌车、挖掘机等从空中运送到施工点。为了防止水泥硬化，机器全程不能停止搅拌，对操作者的考验可想而知。
峡谷地形，也决定了其地下厂房隐藏于两岸山体之内，其洞室群规模为全球最大，开挖量2500万立方米，相当于1万个游泳池。地下室总长217公里，是北京到天津距离的1.7倍。
白鹤滩也在全球首次全坝采用低热水泥混凝土，创造了没有一条毫米级裂缝的奇迹。
水电站素有“无坝不裂”的魔咒。混凝土凝固时会放热膨胀，内外冷热不均，就会产生裂缝。任何轻微的裂缝，在白鹤滩大坝1650万吨的水推力下，都会埋下溃败隐患。
而温度控制，是无缝大坝的核心。为此，白鹤滩大坝内部安装了7000支温度计、上万个传感器以及循环冷却水管，精确控制水泥温度，成为全球最智能的大坝之一。
目前大坝已合龙蓄水，最大坝高289米，相当于100层楼。4台机组已投产发电，而全部16台机组将于明年7月投产发电。完全投产之前，可发电数百亿度。
若全部投产，发电1小时，一家人可用250年；发电1天，1亿人生活用电无忧。年平均发电量624.43亿千瓦时，可供应上海半年用电，相当于每年节约标煤2000多万吨。
在能量密度上，白鹤滩是三峡水电站的两倍。由于金沙江落差大，同等体积的水，流经白鹤滩时，能产生三峡两倍的电量。
未来，白鹤滩将成为“西电东送”的顶梁柱，与金沙江下游的乌东德、溪洛渡、向家坝联合调度，相当于两个三峡，共同构筑西部最大的清洁能源走廊，为长三角经济持续不断“输血”。
除了发电，白鹤滩还能兼顾防洪、拦沙、改善长江中下游通航条件等，综合效益显著。
其总库容206亿立方米，防洪库容为75亿立方米，约等于525个西湖，将有效调节长江汛期洪峰。
原本攀枝花到宜宾七分之六的险滩无法通航，也终将成为历史。
02 蒙尘历史
白鹤“晾翅”，再次向世界秀出中国水电的肌肉。
但翻开我国水电大跃进的峥嵘史，也不乏辛酸往事。
此前，中国大型水电项目连续落成的高光时刻，并不能掩盖技术落后的短板，中国水电工程师们，半个多世纪以来一直灰头土脸。
水轮发电机组是水电站的核心部件，由水轮机、发电机构成。在水流推动之下，水轮机把水能转化为机械能，再带动“转子”切割“定子”磁场产生电能。
外国企业在此领域已有上百年积累，中国最初只是亦步亦趋的追赶者。
1827年，法国工程师B·富尔内隆制成6马力的反击式水轮机。1849年，经美国工程师J·B·弗朗西斯设计改进，形成了现代混流式水轮机。
从1878年法国建成世界第一座水电站开始，世界水电已经走过143年历史。
1910年，中国才建成首座现代水电站，即云南昆明石龙坝水电站，拥有两台240千瓦的水轮发电机，发电机来自德国西门子，水轮机来自奥地利。
云南昆明石龙坝水电站水轮发电机上的铭牌
新中国成立初期，在苏联的技术援助下，中国水电装备制造从零起步，建立了哈尔滨电机厂、德阳东方电机厂等。
哈尔滨电机厂作为中国大型水电机组“长子”，如今占据了国产装机总量的二分之一。
但我国水电发展之初，极度依赖进口设备，屡陷价格畸高、捆绑销售、配适性差、技术封锁的困境。
20世纪以来，中国几乎所有重大水利项目，都离不开外国巨头的技术援助，美国GE、德国福伊特（Voith）、法国阿尔斯通、瑞士ABB、日立、三菱等长期垄断着这个行业。
欧洲巨头福伊特制造的水轮机和发电机，贡献全球水力发电量的三分之一。福伊特于1994年进入中国，为中国80个水电站提供了超过240个发电机组，在三峡、溪洛渡、广西龙滩、云南小湾、青海拉西瓦等大型工程中身影频现。
福伊特公司设计制造的乌东德水电站左岸电站2号机组(U2)转子 来源：福伊特官微
1997年，长江三峡水电站上马了当时世界最大的混流式水轮发电机组，单机出力为70万千瓦，转轮直径为9.7米。
在三峡32台70万千瓦水轮发电机组中，阿尔斯通、GE水电都参与了14台机组的设计生产，是三峡项目最大的供应商。
其中，左岸电站14台全由外企承包，VGS联合体（福伊特、西门子、GE）制造6台，阿尔斯通/ABB联合体供货8台。
早在1919年，孙中山在《建国方略》中首次提出开发三峡水电的构想，“以水闸堰其水”。
直到1994年，长江三峡水利工程才正式动工兴建。
虽然三峡工程机电设备关键技术攻关从80年代就启动，仍然遭遇卡脖子的困境。
三峡集团白鹤滩工程建设部机电项目部主任康永林仍然记得，三峡电站发电机组核心部件转子所需的硅钢片只能依靠进口，自主研发右岸机组时，外方突然提价2倍。
无奈之下，三峡集团只能与宝钢联手研发。
“如果当时放弃了自主研发，可能白鹤滩的硅钢片还是受制于人。”
03 发奋图强
“成了！”
1951年12月22日，站在机组顶端测量水轮发电机数据，直到叶片慢慢停止转动，吴天霖激动地脱口而出。
天寒地冻中，中国第一个自主研发的水轮发电机在哈尔滨电机厂诞生了。
这台水轮机组装机容量仅有800千瓦，水轮机高1.5米、底座直径1米，在今天的巨无霸面前不值一提，但在当时超越了最高水平210千瓦，完成了不可能的奇迹。
曾在美国西屋公司实习过的吴天霖等工程师白天做试验，夜晚苦学技术，用两个月完成了设计图纸，通过上百个日夜的奋斗，终于实现了中国水电机组设备零的突破。
随后，这颗“中国芯”被安装在四川龙溪河下硐电站，1959年迁到四川苏雄水电站，服役了近60年。
70年后的今天，与新中国成立之初全国发电装机总容量184万千瓦相比，我国水电装机总容量增长了200多倍。
自2014年年底以来，中国水电装机容量和发电量稳居世界第一，水电资源为我国第二大能源主体。2020年，中国水电发电量1.35万亿千瓦时，水电装机容量3.7亿千瓦，占全球之比超过30%。
而我国自研水轮机组装机容量也不断跃上新台阶。
1980年底，哈电集团成功制造出12.5万千瓦水轮发电机组，为当时我国最高级别，专供葛洲坝水电站，其后又相继完成了12套。这是当时我国首次完全自主研发设计的大型水电机组。
1997年，三峡工程从引进技术、合作生产到自主制造特大型水轮发动机组，迅速了缩小与世界先进技术的差距。
三峡水电站
曾经，重大水电工程招标中，中国人只能眼睁睁看着几家国际巨头瓜分数百亿元的诱人蛋糕。
而三峡工程外，中国规划在建的70万千瓦以上机组就有120台以上，大国重器必须掌握在自己手里。
在三峡之前的鲁布革、清江隔河岩、二滩、五强溪等项目，都是直接进口机组，国内企业只能分包制造非核心部件，无法涉足技术转让。
但在三峡左岸采购中，第一次有了实质性的核心技术转让。
中方也下了大血本，总共花费7.4亿美元采购机组，还支付了1635万美元用于购买水力、电磁、通风、结构、加工等成套关键技术。技术受让方分别是哈尔滨电气、东方电气集团。
以此为契机，哈电、东电投入巨资进行技术改造，派遣数百人次赴海外取经，死磕70万千瓦机组核心技术，消化吸收后实现了赶超，仅用7年就缩小了与国外技术30多年的差距。此前，国内自主设计的水电机组最高容量仅为32万千瓦。
2004年，哈电、东电与外企同台竞技，各自赢得了三峡右岸４台发电机组合约，掀开了巨型机组国产化的篇章。
三峡地下电站6台机组，也交由国内设计、制造。
来源：哈电集团
此后，瀑布沟、金安桥、龙滩、小湾、枸皮滩、水布桠、锦屏等水轮机组订单源源不断涌向东方电气，外企的长期垄断被彻底打破，中国本土水电设备制造业开始扬眉吐气。
2008年8月28日，金沙江向家坝、溪洛渡水电站26台机组招标采购合同尘埃落定，总金额达110多亿元，创下了世界最大水电机组采购纪录。
这次大手笔采购，巩固了三峡水电机组国产化的成果，“中国制造”首次成为了大赢家。
其中，哈尔滨电机厂中标10台，合同金额达44.27亿元。东方电气中标9台。不过，外资仍占据一定份额，天津阿尔斯通中标4台，上海福伊特西门子中标3台。
溪洛渡电站单机容量为77万千瓦，向家坝电站单机容量80万千瓦，又比三峡机组更上一层楼。
差不多同时，100万千瓦水轮发电机研发也被提上日程，将首批应用于白鹤滩水电站，由东电、哈电承建。
这在国内外史无前例，电压等级、绝缘水平、机组稳定性等难度系数更是成倍增加。
“100万千瓦”意味着能量密度极大，每个磁极容量是三峡水轮发电机的2倍，带来电压、电流两大问题。
首先，电压从22千伏特提高到24千伏特，必须解决绝缘问题。其次，转子工作时就像一个1万千瓦的大火炉在燃烧，如果通风冷却不充分，会烧毁整个机组。
就在2006年5月底，白鹤滩预可行性研究审查会上，白鹤滩还被视为一个不可能的项目。
但最终，中国工程师不仅成功攻破技术堡垒，还把损耗降到了最低，
电能转化率高达96.7%，每一滴水都不浪费，达到了世界大型混流式机组最高水平。
04 全球开花
从大禹治水到3000年前的后稷作水碓，再到都江堰、郑国渠、灵渠等流芳至今的工程，中国水利发展史源远流长，但现代水利兴起只有70多年时间。
“水电兴，则国运兴。”中国经济的高速发展离不开电力，传统化石能源已经对环境破坏巨大。水电作为低碳发电的支柱，对我国实现2030碳达峰有着战略意义。
经过近百年开发，从落后到赶超，如今，中国的全球水电霸主地位无人能及。
中国既是全球水电资源第一大国，也是最大开发国。
目前，全球前12大水电站，有5座在中国，分别是三峡、白鹤滩、溪洛渡、乌东德、向家坝。
全球服役的70万千瓦以上机组有127台，中国就有104台。
来源：长江电力官网
据《2019年全国水利发展统计公报》，中国共有9.8万座水库，占全球水坝的一半，2万座在开工发电。中国已建水电总装机容量占世界的37%。高度超过30米的大坝有6539座，占世界的43%。
在国内水利如火如荼发展的同时，我国输出“三峡”标准和建设经验，业务遍及全球140多个国家和地区，在海外投资水电项目超过2000亿元，其中大部分项目分布在东南亚，并逐步拓展到非洲、拉美和南亚。
截至2019年，中国企业参与的海外水电站项目约320座，占据了七成以上海外水电工程市场，排头兵为中国水利水电建设集团公司（简称“中国水电”）、三峡集团、葛洲坝集团、大唐集团等。
在大中型水电站领域，中国水电是全球最大工程承包商，占据市场份额超过50%，也是国内占比超过80%的龙头。
如今，无论是喜马拉雅山大断裂带的巴基斯坦NJ水电站、库容超过三峡的马来西亚巴贡水电站，还是有“东非电塔”之称的埃塞俄比亚吉布Ⅲ水电站，都成为了体现中国建设实力的标志性工程。
“敢叫日月换新天”。事实上，中国水电工程师们在每个海外项目中碰到的难题都没有先例可循，但又凭借刻苦攻坚的精神，将它们都踩在了脚下。
中国公司承建的海外水电站，也纷纷成为老挝、几内亚、苏丹等业主国纸币上的宠儿。
2010年，金康水电站登上5000几内亚法郎的货币。2015年，凯乐塔水电站正式运行，并亮相新版20000几内亚法郎货币。
即使埃博拉疫情肆虐，中国依然顺利交付了上述工程，几内亚首都科纳克里也告别了一天停电400次的窘迫。
2019年1月，三座水坝登上了最新版苏丹100镑面值纸币的背面。
其中之一的麦洛维大坝位于世界最长河流尼罗河，全长9.2公里，是世界最长大坝。2008年建成之后，苏丹打破了半个多世纪的缺电尴尬，一举拥有了先进的国家电网。
该工程历时5年半建成，位于半沙漠地区，施工条件十分恶劣、技术难度超乎想象。由于坝体太长，采用了除拱坝之外的5种坝型，工程量与三峡相比有过之而无不及，创造了沙漠中的奇观。
麦洛维大坝
鉴于中国工程建设的高水准，苏丹政府已决定由中国企业承建苏丹接下来的15个水电项目。
在非洲，水能资源位居全球第二，但开发率不到10%。近6亿人用不上电，9亿人靠薪火维生，无异于“捧着金碗要饭”。
如今，在中国支持下，苏丹、几内亚、埃塞俄比亚等非洲国家都纷纷实现了用电自由。
“到2030年，撒哈拉以南非洲、东南亚和拉丁美洲的新增水电项目中，一半以上将由中国公司建造、投资或拥有。”2021年6月底，国际能源署（IEA）发布的一份报告指出。
从起初筚路蓝缕，无力“装备中国”，如今“装备全球”，“中国装备”已经脱胎换骨，完成了质的飞跃。
哈尔滨电气集团董事长斯泽夫从业40年，见证了中国水利装备制造业由弱到强，从落后追赶到并跑者，从仰视到平视的伟大转变，这个过程仅仅花了不到20年时间。
在斯泽夫看来，中国公司与国际巨头同台竞技，屡屡斩获订单，答案却再简单不过，“靠的就是坚守吃苦、埋头苦干的精神”。
参考资料：
- [1]《白鹤滩水电站与共和国装备制造业“长子”哈电集团不为人所知的二三事》对话·CCTV财经
- [2]《建成世界唯一百万千瓦机组水电站有多难?》中国新闻周刊
- [3]《李永安：我水轮发电机组已具完全自主设计制造能力》新华网
- [4]《历时5年半，中国在尼罗河上修了座“非洲三峡”》了不起的中国工程
- [5]《提气！中国包揽世界大中型水电站市场》中国能源报
- [6]《电机史话》清华大学出版社 作者：戴庆忠
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