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第22集 三峡工程中的水电科技

第22集 三峡工程中的水电科技 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-07   浏览数:
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  在世界水电建设史上,三峡工程可以说是从倡议到建成历时最长的水利枢纽工程。这项超级工程坐落在长江之上,拥有的水能资源,居世界各条大河的首位,占据我国水能资源的一半以上。从重庆到宜昌,长江的水位落差120米,其中蕴含的水能,相当于燃烧5000万吨优质煤炭所产生的能量。换句话说,在修建三峡大坝之前,每年都会从长江的这一江段上白白流失5000万吨煤炭。 

  因此,开发利用三峡的丰富水能资源,既是几代中国人孜孜以求的梦想,也成为了修建三峡工程的核心任务之一。然而,对于这座工程的设计和建造人员来说,他们当初面对的一个重要问题是:在这滚滚东去的江流之上,三峡工程需要拥有怎样的水电科技,才能与三峡丰沛的水力资源相匹配呢? 

  在今天的科学故事开始前,我们先来了解一下三峡大坝的整体结构。三峡工程中,举世闻名的长江三峡大坝包括主体建筑物及导流工程两部分,全长约3335米,其中坝体总长2309米,中间留出483米泄洪坝段。 

  三峡电站建在泄洪坝段的两侧,面向下游左边的被人们称为左岸电站,布置了14台机组;右边的称为右岸电站,布置了12台机组。但这26台机组只利用了90%的水能资源,于是三峡建设者在右岸的山体内部,增建了一个地下电站,布置6台机组。至此,三峡电站32台机组,使流经这里95%的水能资源得到了利用。 

  三峡工程拥有如此大规模的装机容量,可以说是前无古人的大胆设计。然而,在建造这样一座世界上最大的水电站时,对水电科技的建设,无疑是一项前所未有的挑战。 

  由于三峡电站所在的位置是西陵峡河段,河道宽度只有2000多米,布置水轮发电机组的位置有限,所以大容量的水轮发电机组,成为了必然的选择,只有这样才能尽可能充分地开发三峡的水力资源。为此,三峡建设者按照设计制造的世界最高水平,选定了70万千瓦的水轮发电机组。简单地说,就是这种机组每小时能发电70万度。 

  需要注意的是,三峡工程在建设以前,我们国家水轮机设备的制造能力只有30多万千瓦机组,而三峡工程的水轮发电机组是70万,以当时的条件,我们国内工厂还不具备这一个设计制作能力,所以我们左岸大坝的14台机组是采取国际招标的形式获得的。 

  但是在这个招标的过程当中,我们国家提出了引进、消化、吸收再创新的这样一个技术路线,也就是就要求所有的国外的投标商必须向我们国内的工厂转让技术、联合设计、合作生产,此外还可以借助大型工程的市场优势,提升我国民族装备制造业。 

  1997年12月11号,在三峡大坝左岸厂房坝段浇筑下了第一方立方米混凝土的同时,三峡大坝也开始为70万千瓦的机组量身定做电站厂房,同时一起动工的还有重庆长寿区到万县第一回500千伏的输电工程,从此拉开了三峡电力外送的序幕。 

  我们电网的建设进度和三峡机组的装机进度是要完全适应的——因为机组装好了可以发电了,而发电以后则需要通过电力网输送过去,所以电网建设绝对不能落后于电厂的建设,这也是三峡电站和输电工程同时进行的主要原因之一。 

  事实上,在三峡电站和输变电工程紧锣密鼓地建设时,三峡水电机组的设计生产也在稳步进行当中。 

  不过由于三峡电站和其他电站相比,规模要大的多,所以三峡电站所需要的机组就需要重新设计制造。除此之外,三峡工程还有抵挡洪水的功能,每当汛期来临,水库水位就要提前降到145米,用来腾出防洪库容;等到汛期过后,水位又会上升到175米。这种水位落差的巨大变幅,是一般大型水电站的2到3倍,也就使得困难都集中到了水轮机的核心部件转轮的设计制造上。 

  水轮机的转轮主要由上冠、下环和叶片组成,其中的关键部件是叶片。如何在不同水位都尽可能多地获取水能,就要看叶片的造型。而且,巨大的叶片必须一次浇铸成型,需要几个炉子同时浇铸,这就要求不同炉子烧出的钢水,化学成分和温度都要保证一致,因为叶片受水的冲力最大,所以对叶片的金属强度、化学成分要求很高。完成的叶片造型是否合格,肉眼无法查验,还需要通过先进仪器进行检测。 

  叶片铸件的合格并不代表着可以投入使用,而是需要进行更加深入地加工,此时的精度必须以毫米计算。因为如果叶片的形状和曲线达不到设计标准,不但运行时能量转换的效能低,而且还会产生振动,影响机组的稳定运行。 

  刚刚我们知道,水轮机的转轮是由上冠、下环和叶片组成的,因此在叶片加工好之后,电焊工人就需要把叶片和上冠、下环焊接在一起,合成一个转轮。而且,在每一格转轮叶片里,都要有一名焊工进行操作。这并不是为了赶工程进度,真正的原因在于:单重7吨的叶片,如果不采用多名焊工同步焊接,转轮就会发生变形,所以必须多个叶片同步焊接,并使焊接的部位同时加热到同一温度。其实,不仅是转轮,三峡电站中很多大型金属部件的焊接,大多是以这样的方式完成的。 

  随着转轮的制造完成,三峡机组也就顺利地步入安装和调试阶段。与此同时,我国输变电工程的建设也在迅速推进。按照工程设计,三峡电站发出的电能,会输送到华中、华东、南方电网。远距离的输送线路,落点分别在江苏常州、广东惠州和上海,这三条线路,每条路程约一千公里。 

  与一般的输电线路相比,三峡电站不仅输电距离远,而且外送的电量也很巨大,所以在导线的选择和使用寿命方面都要非常重视。另外,为了承受导线的重量和拉力,专家们还设计了在不同环境下的杆塔。 

  这种杆塔和人们平时看到的电线铁塔有点类似,但他们的构件并不是常见的角钢,而是圆形钢管,是仿生小麦等植物的杆茎制造出来的。这种结构的杆塔强度更大,可以承受这样巨大拉力。 

  伴随着输电工程的完成,2003年6月10号,三峡大坝坝前水位蓄水135米,称为围堰挡水发电期,标志着我国三峡工程开始初步发挥综合效益。一个月后,也就是2003年7月10号,三峡工程第一台发电机组——装机容量70万千瓦的电站机组实现了并网发电。 

  这一天起,流经三峡的江水,开始化为源源不绝的电能,走进千家万户。也就在三峡首台发电机组实现了并网发电的同时,远在东北的哈尔滨电机厂,正在加紧研制右岸电站机组,并对70万千瓦发电机组的冷却系统设计进行了创新。 

  在原本的70万千瓦机组中都采用水冷的冷却方式,虽然冷却效果好,但系统复杂,运行维护困难。于是,哈尔滨电机厂决定自主创新,在三峡右岸电站70万机组上首次成功采用了全空冷方案,也就是利用机组运转时产生的风力进行冷却,不仅运行维护方便,而且冷却效果不亚于国外的水冷系统。 

  从左岸电站到右岸电站,从只能制造30万千瓦机组,到自主创新生产70万千瓦机组,我国水电重大装备制造业,可以说是用了七年的时间,完成了三十年的历史跨越。 

  三峡工程,正是以这种积极进取、自主创新的精神,在我国水电发展的历史上树起了一座座醒目的里程碑。 

  就拿发电量来说,三峡电站装机总容量是2250万千瓦,是当今世界规模最大的水电站,设计年发电量882亿千瓦时。从2003年开始发电以来,一直安全稳定运行,发电效益更是远远超出预期。截至2018年12月31号,三峡集团长江电力2018年度发电量达2154.8亿千瓦时,创造了长江干流梯级电站发电量新纪录,更是连续三年年发电量超过2000亿千瓦时。 

  三峡工程的成功建造,不仅使我国从水电大国逐渐跃升为水电强国,同时还大幅提升了我国重大机电装备的科技水平,而且还为国家构建清洁低碳、安全高效的能源体系,为建设美丽长江、美丽中国做出了新的贡献。 


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