2022年12月20日,在建规模世界第一、装机规模世界第二的金沙江白鹤滩水电站16台百万千瓦水轮发电机组全部投产发电,标志着我国在长江上全面建成世界最大清洁能源走廊。据悉,其中8台机组由东方电气集团东方电机有限公司(以下简称“东方电机”)自主研制供货。
白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界的金沙江下游干流河段上,是“西电东送”国家重大工程的重要组成部分,是当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程。白鹤滩水电站装机总容量1600万千瓦,左右两岸分别安装8台单机容量100万千瓦的水电机组。其中,左岸8台机组全部由东方电机自主研制并供货。

白鹤滩首台转轮吊装 图据网络
自承接白鹤滩水电站左岸8台机组的研制任务以来,东方电机精心铸就大国重器,实现了机组完全自主研发,引领世界巨型水电进入“零配重”和摆度“5道”时代。自主研制的发电机组为单机容量达百万千瓦的水轮发电机组,创造了四个“一百”,即单机容量100万千瓦、具有100%自主知识产权、实现了100%国产化、所有产出重大部件和投运机组精品率100%。实现了“五项重大突破”,即机组核心部件采用数字化智能制造,产品质效大幅提升;机组转动部件重达2600吨,由上万个零部件构成,实现了“零配重”;机组稳定性好,摆度仅一根头发丝直径大小;发电机温升控制水平高,开创巨型水电机组新纪元;水轮机最优效率96.7%,发电机额定效率超过99%,行业领先。
设计:点石成金
2021年6月28日,白鹤滩水电站飞珠溅玉,白浪翻滚,在转轮匀速运动中,各种机械运转自如,混流式水轮机的设计点位、效率、空化指标得到精确控制,发电达到100万千瓦。白鹤滩水电站首批机组安全准点投产发电。100万千瓦的发电,是世界级先进水平,被誉为当今水电行业的“珠穆朗玛峰”。
如果说转轮是水电机的心脏,那么,485吨重的巨型座环是水电机组的基础,是墩子,是坚实有力的“双腿”,没有巨型座环的支撑,就好比一个人没有了双腿。而巨型顶盖,像一个人戴的一顶帽子或撑开的一把雨伞,要承受风霜雨雪的敲打,要接受雷鸣闪电的袭击,如果没有巨型顶盖的缓冲,转轮的安全系数可能为零。
宋敏、邓金杰、代继江、程猛等人是东方电气集团东方电机有限公司产品开发部水轮机设计主创人员, 正是他们设计的8台巨型座环以及巨型顶盖, 保证了白鹤滩机组的正常运转。
“工欲善其事,必先利其器。”担任水轮机机组设计主任的是宋敏,2013年,他就开始了白鹤滩水轮机投标方案的前期准备。他说:“白鹤滩水电站,不仅仅是我们这一代人的‘诗歌与远方’,是中国水电人的追求和梦想,也是东电几辈人想实现和达到的目标。是集世界水电先进技术的大成。”说这话时的他,神采飞扬目光清亮。
三峡电站发电量70万千瓦,乌东德水电站发电量70万千瓦,向家坝水电站发电量75万千瓦,溪洛渡水电站发电量77万千瓦。金沙江上游流域的溪洛渡、向家坝与白鹤滩水电站的单机容量均超越之前的三峡机组。 白鹤滩水电站计划单机容量要达到100万千瓦,是目前世界上单机容量最大的水轮机,是水轮机技术领域上等级、上台阶的项目。从77万千瓦到100万千瓦,跨了近30万千瓦的发电量,没有国内外现成模式,没有摆在桌面可借鉴的资料,一点一滴,一笔一画,要白手起家自己动手。东电各参建单位按照上级提出的“七个零”要求,即以“设计零疑点、制造零缺陷、安装零偏差、进度零延误、运行零非停、安全零事故、服务零投诉”,制定出精品机组的标准、规范和保证措施。标准远高于国家相关标准,也高于三峡工程标准。2002年到东电工作的宋敏,在老师傅与专家们言传身教下逐步成长,“设计零疑点”, 是他在设计工作中的首要任务。
宋敏在做方案的几年时间里, 陆续有技术人员参与水轮机巨型座环与巨型顶盖的设计,包括邓金杰、代继江、程猛等,他们在办公室里集思广益,反复论证,在书本里找灵感,在图纸上走走停停;有时画图,独立思考,有时聚集,各献良策。有争得面红耳赤的时刻,针尖对麦芒,互不相让,拿出自己的依据、理论要点、书本知识,试图说服对方,这个才是最佳设计方案。 当意见得到统一,有了最佳选择时,又有“相逢一笑泯恩仇”的快意,争论时的意气和不快,说话的轻重缓急音高音低,在那一刻烟消云散。
在做设计时,反反复复,花费很多时间和精力,2015年做出方案,2016年、2017年做了进一步的修改,又出新方案,光是方案就做了几十个。那两年,他经常在办公室里加班加点。遇到难题时,吃饭不香睡眠不安,半夜在床上翻来覆去,眼睛盯着床铺上方白色房顶,就是睡不着。几千张图纸,上万个数据,每一张都要验证,每一个数据都要复核。
白鹤滩水电站安全准点投产发电,发电量上了100万千瓦,宋敏在现场,激动的他不禁喜极而泣,心情难以言表。
精准:万无一失
白鹤滩水电站特点是电力大, 功率高, 在建规模世界第一。 巨型座环和巨型顶盖尺寸大,吨位重,它的安全性、稳定性、可靠性是摆在水电机组设计师们面前的难题。如果没有点石成金的本领,没有锲而不舍的追求,没有百折千回的毅力,没有万无一失的精准,就做不好巨型顶盖和巨型座环的设计。
1982年出生的邓金杰是白鹤滩水电机机组设计副主任。他在接到巨型顶盖和巨型座环设计任务时,知道白鹤滩水轮发电机组的设计远远高于常规机组, 具有较大的技术难度和技术风险。白鹤滩机组最大水头243.1米,水头高是上游下游的水位落差大,水轮机最大出力1015兆瓦,在200米水头以上机组中水头和出力均高于之前建造的溪洛渡水电站。 在设计工作中,邓金杰最先考虑的是顶盖与座环的安全性,安全摆在第一,再说稳定性,最后还有可靠性。
巨型顶盖固定在巨型座环上面, 顶盖采用钢板焊接结构,其设计和制造保证整体顶盖具有足够的强度和刚度。 顶盖厚重、低应力、低振动是巨型顶盖结构技术的关键。巨型顶盖直径11.6米,自身有380吨重,它承受水压是12000多吨。顶盖做得大,就坚固,水压力大时它不会变形,让整个水轮机组稳定。邓金杰他们在设计时,要让座环与顶盖承受24000万吨的水压,整整多了一倍。双倍的压力,就是为安全系数考虑的。
巨型座环具有足够的强度和刚度,以保证当蜗壳充水或放空时支承传递到其上的重垂直荷载, 包括传递到座环上的发电机重量和水轮机上部及蜗壳重量在内的机械荷载、 水力荷载、蜗壳最大内水压力和土建结构荷载。邓金杰在2015年开始做巨型座环图纸设计。光是座环图纸设计,前后做了5次。 画图纸,一次要画一个多月,一个多月出400多张图纸,每张图纸上面还有尺寸数据。做5次,一次一次不合格,心里很有压力。有时也很沮丧,对着图纸,看着电脑,皱着眉毛,话都不想多说。到饭点了也不想去吃饭,总想怎么样把图纸做好,怎么样才能通过验收。
在2016年的一次例会上,邓金杰说:“这个项目很重要,我尽力来做。”主任设计宋敏就说:“要确保100分,不能够说尽力。”听了宋敏掷地有声的话语,每个人都表态,一定要做到万无一失。
座环的蜗壳设计,有开档尺寸,固定导叶,蜗盖尺寸,座环流道尺寸等问题。一张图变成了400多张图,还至少需要3个尺寸,长、宽、高。 第一步,根据图纸逐个找尺寸建方案,把蜗壳大的形状设计出来,然后计算好承受力,定了座环板子厚度,让研究中心强度组看看。第一次拿去核算,强度不够,固定导叶和环板之间接合部位应力不够,因为应力是有要求的,应力不够导致座环环板变形大。此外,固定导叶受力面积偏小,设计不合格。回来后,邓金杰抓紧时间找原因,又把座环环板加厚,减小变形。第二次改好了拿到研究中心强度组,经过他们测试,还是不行。拿回来,又计算,又修订,第三次才成功。
2018年3月,他们设计的首台巨型座环通过业主验收,精度、尺寸、材料合格;制作工艺符合要求,合格。邓金杰与团队人员的脸上露出了笑容。
2019年8月15日,白鹤滩百万千瓦水电建设工地传来喜讯,“东电造”白鹤滩最后一台座环率先到达工地, 标志着东电为白鹤滩项目提供的左岸8台精品座环完美收官,并创造了同等级座环制造史上的新纪录。
智能:科技闪光
白鹤滩百万千瓦整机数字样机的制作人是水电机机组设计副主任代继江。
代继江喜欢打羽毛球、乒乓球,看电影,还爱看连环画。他把连环画中的图像与机械产品形状相联系,使他制作的整机数字样机每一根线条和节点、圆弧、叶片、蜗壳,都是优化和调整过的,完美如音乐的音符一气呵成,经得起时间的弹拨。
百万千瓦整机数字样机是为以后的工程图制作的, 是数字化、智能化的产物。 为今后产品推介、编书、写论文提供素材,提供高清图片,激光雕刻,艺术模型。
从2015年开始,代继江的工作量非常大,他要制作整体数字样机,还要协助主任设计宋敏做其他工作,同时还担任东方电机多布项目水轮机主任设计, 几方面的工作都要兼顾。有时,一个构思,一个设想,一个点子,正在头脑里电闪火花之间冒出来,心想这是金点子,马上拿笔铺纸记录下来,突然,一个电话或者一个招呼,另外的项目必须马上就位,于是,放下手里的笔,先去处理那边的事情。等事情处理好回来,金点子稍纵即逝。
推广数字化转型,数字化设计的技术部分,代继江花了大量精力大量时间来做。整机数字化制作的白鹤滩水轮发电机组总装、白鹤滩水轮机总装、白鹤滩导水机组、白鹤滩主体模型,给后面水轮机设计模式带来质的转化。他做的样机突破点在于开展白鹤滩项目的同时,克服设计周期紧张,对后来项目的验证、结合、管线布置、后期运输的项目推进都有保障。
代继江说自己刚进白鹤滩工作时,并没有过多的想法,只想着先干起来再说,但在白鹤滩项目组干了一段时间,就爱上了这一行。 “是先干一行,才爱上一行,是越来越爱干这一行了,因为自己的工作有了成就感。”2020年、2021年,代继江去白鹤滩工地现场, 负责现场安装技术服务,还做项目验收工作,他发现自己的工作越来越有意义。在重大部件安装节点,一是现场学习,二是技术交底。自己团队设计的水电机组的安装过程都在预料之中,一切正常,各项参数达到了国际领先水平,他心里的高兴劲头就不说了。
团队成员程猛,是西安交大毕业生。2008年到东电上班,2018年从重金工分厂调入白鹤滩水电机机组设计团队工作。参与了三次复核图纸,图纸改版,他做事严谨、细致、敏捷。“利用自重复位的水轮机中心补气阀” 实用新型专利里有他的创意。有了这个专利,如果水轮发电机顶部在机组运行时,出现涡带压力低,机组出现异常振动,在发电机顶部装补气阀,自动补气,把气加入到注水层里,可以解决机组异常振动。
刚开始做项目时,他们是三十而立的年轻人,在白鹤滩项目工作几年时间里逐渐成长,这里是他们攻坚克难的主战场,也是人生站得端走得直的关键节点。 他们目标明确,立场坚定,他们双目炯炯,长身挺立,走在东电厂区,走在白鹤滩水电站,他们意气风发斗志昂扬。