白鶴灘水電站的世界第一是這樣奮鬥出來的

一座水電站，緣江而起。

N座水電站，亦緣同一條江而起。總裝機容量2250萬千瓦的世界第一大水電站——三峽大壩電站和總裝機容量為1600萬千瓦的世界第二大水電站——白鶴灘水電站，巍峨矗立在同一條江上。

兩者的區別是，三峽電站位於長江中下游的宜昌；而白鶴灘電站屹立在長江上游金沙江的下游幹流河段，左岸為四川省寧南縣，右岸為雲南省巧家縣。

金沙江起於青、川兩省交界處的玉樹州直門達，止於四川宜賓市東北翠屏區合江門，幹流河長3000多公里，落差達3000多米，佔長江干流總落差的95%，其坡陡流急，氣勢十分雄偉。豐沛的水流攜帶着大自然賦予的勢能和動能，在山谷間奔騰激盪，為將其轉化為源源不斷的電能提供了無限可能，其藴含的水力資源達１.１億多千瓦，佔長江水力資源的40%以上。為此，國家發改委已分別在金沙江的上中下游擬定了水電建設規劃，在其下游河段，已如期建成向家壩、溪洛渡、烏東德和白鶴灘這4座梯級水電站，總裝機規模4000 多萬千瓦，約相當於“兩個三峽”。

今年6月底，三峽集團白鶴灘工程建設部宣佈，白鶴灘水電站全部機組已具備併網發電條件。白鶴灘電站全部機組投產後，每年可節約標準煤1968萬噸，減少二氧化碳排放5160萬噸。

在白鶴灘水電站全部機組併網發電之際，記者採訪了白鶴灘水電站的幾位奮鬥者，聽聽他們説，白鶴灘水電站的“世界第一”是怎麼奮鬥出來的。

為什麼白鶴灘大壩要比三峽大壩高100多米？

從空中鳥瞰白鶴灘水電站，景色極為壯觀：在兩岸高聳的峽谷間，雙曲拱型的大壩線條流暢、造型優美，如孔武有力的壯士一般輕輕托住了就像是半空中的一江碧水。而多柱白色的尾水，從壩體噴湧而出，以一瀉千里之勢，直撲下游的溪洛渡而去。

白鶴灘山勢如此險峻，為何選作壩址？選擇白鶴灘作為壩址，又意味着什麼？

汪志林（中國長江三峽集團有限公司建設部主任）：

金沙江下游河段地處青藏高原東麓的高山峽谷，地勢險峻。白鶴灘作為水電站，選址的優點是高山峽谷河流落差大，水能藴藏量巨大；且河谷狹窄，兩岸山體岩石較好，適合修建高拱壩。從經濟指標考慮，大壩使用的混凝土方量小，可節省投資，且修建高壩大庫需要的移民和淹沒損失也較小；但不足是，整個河段範圍的地形條件天然險峻複雜，地震、滑坡崩塌及泥石流等自然災害隱患較多，且陽光照射強烈，降水較為頻繁集中，環境較為惡劣。

為了充分利用豐富的水能資源，國家統籌考慮各方面因素，最後確定自上而下依次分烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四個梯級開發，明確白鶴灘水電站為其中的第二個梯級。從2006年起，我們就啓動了白鶴灘工程的預可行性研究，至2016年樞紐可行性研究通過審查，進行了大量的地質勘察和壩址比選工作，共對3個壩址、9條壩線的方案進行了研判，最終選定了現在的壩址及建設方案。白鶴灘壩址地質條件雖然複雜，但是河段順直，地形完整，穩定性好，基岩主要為玄武岩、覆蓋層不厚，具備修建高拱壩的良好天然地形地質條件。

正是白鶴灘獨特的地形，決定其與三峽大壩完全不同的壩型。白鶴灘的壩頂高程834米、最大壩高289米；而三峽大壩的壩頂高程為185米，正常蓄水位是175米，所以三峽採用“寬、長、直”的混凝土重力壩壩體，壩頂總長為3035米，依靠其壩體自身的重量來抵消三峽水庫的壓力。而白鶴灘處於一個V字形的河谷，壩體比三峽要高100多米，大壩承受總水推力達1650萬噸，所以採用了雙曲面的拱形壩，壩體弧度優美，並不只是為了視覺“優美”，而是為了因地制宜地將水體的壓力分散到兩側的山體上去，使大壩能抵禦百年一遇的洪水，壩體更為安全和經濟。

在建設過程中，建設者攻克了首次利用柱狀節理玄武岩作為特高拱壩基礎、高地應力複雜地質條件世界最大規模地下廠房洞室羣圍巖穩定、窄河谷高水頭巨泄量巨型高拱壩泄洪消能系列技術等一系列世界級技術難題，才確保了白鶴灘水電站的建成。

那個“無壩不裂”的魔咒是怎麼打破的？

白鶴灘水電站300米級的高拱壩，面臨着兩個嚴峻考驗：一是地處青藏高原的邊界地帶，是地震的高發地段，抗震等級必須特別高；二是築壩過程中，當混凝土被澆築入模時，混凝土會與水發生“水化反應”——迅速地加熱和膨脹，然後又會隨着温度的下降而收縮。這一脹一縮，而且是長期、反覆地熱脹冷縮，最終會在壩體上產生裂縫。因此世界上很多水電站有“無壩不裂”之説。一旦“地震+裂縫”，後果不堪設想。

李文偉（中國長江三峽集團有限公司科技創新部主任）：

白鶴灘工程處於地震活動強烈的川、滇地震帶，壩址的地震動參數在300米級高壩中是世界最高的。為此，我們請來國內多家科研單位專家開展專題研究，形成了成果豐富的拱壩抗震理論，從理論上破解了300米級高壩抗震的難題，提出的大壩抗震措施合理可行。現在，白鶴灘水電站大壩的抗震參數，已經達到了世界第一。

拱壩建設過程中的混凝土温控防裂，是白鶴灘水電站建設中遇到的六大技術難題之一，這也是世界性難題。在三峽、溪洛渡、向家壩等大型工程研究應用的基礎上，我們針對白鶴灘水電站的特點，通過大量系統的科學試驗和設計計算分析研究，最終決定在白鶴灘工程全面應用低熱水泥混凝土技術並配合精細化温控措施，取得了顯著的大壩混凝土温控防裂效果，提高了混凝土抗裂安全性，保證了水工結構的完整性和耐久性,創下了在300米特高拱壩全壩使用低熱水泥混凝土的世界第一。

其具體舉措為：創新優化了低熱水泥的礦物組成和製備工藝，制定了適用於水工混凝土的低熱水泥技術標準。該水泥具有水化熱低、放熱速度慢、收縮小、後期強度高、抗裂性優良的特性，並建立了低熱水泥生產工藝全過程質量控制精細化管理與監造體系，實現了規模化穩定生產，還形成了一套完整的特高拱壩低熱水泥混凝土温控防裂技術標準、施工工法和全過程質量控制體系，成為首部行業標準。這一技術創新，將大壩的抗裂安全係數提高10%以上，打破了“無壩不裂”的魔咒，為混凝土温控防裂開闢了新的技術途徑，為世界壩工建設提供了中國方案。

還有比水電機組單機容量創“世界第一”更難的嗎？

白鶴灘水電站創下了六項“世界第一”,除上述大壩抗震和全壩使用低熱水泥混凝土兩項外,還有水輪發電機組單機容量、圓筒式尾式水調壓井規模、地下溶洞羣規模和無壓泄洪洞羣規模等四項世界第一。其中，水輪發電機組單機容量世界第一最為令人矚目。

肖海航（前東方電氣集團東方電機有限公司技術管理部副部長）：

水輪發電機組單機容量是一個水電站最重要的核心指標。白鶴灘水電站共安裝了16台單機容量百萬千瓦的水輪發電機，總裝機容量達到了1600萬千瓦。雖然三峽大壩的總裝機容量為2250萬千瓦，但它左、右岸及地下廠房安裝的是32台單機容量為70萬千瓦水輪發電機組和2台5萬千瓦電源電站。當時，我國還沒有自主設計製造高性能70萬千瓦級水輪發電機組的能力。東電不甘人後，唯有潛心科技創新！如今，在白鶴灘地下廠房的中國創新名片——發電機定子蒸發冷卻技術應用，及機組設計製造全面國產化，再到溪洛渡、向家壩的80萬千瓦級水電機組與國外通同台競技實現技術超越，中國大容量水電機組逐步從技術跟隨走向技術引領。從2006年始，由中國長江三峽集團公司領銜掛帥，組織協調了長江科學研究院、華東勘測設計研究院、東方電機和哈爾濱電機等單位，向百萬千瓦水輪發電機組的研製發起衝擊。白鶴灘水電站的併網發電，説明我們的水電機組創新研製能力已經站在全球領跑的位置上。

水電站使用的水輪發電機組，由水輪機和發電機這兩大部分組成，水輪機將水的勢能和動能轉化為機械能輸送到發電機，發電機將機械能轉化為電能，轉化效率是水輪機和發電機最為關鍵的性能指標。東方電機白鶴灘水電站使用的水輪發電機組，水輪機轉輪真機最高效率達到了96.68%，加權平均效率達到了95.91%，居世界領先水平，而發電機的效率更達到了99.01%，在大型水輪發電機領域毫無疑問的世界第一。説實話，實現99.01%比水電機組單機容量100萬千瓦所創的“世界第一”更難，百萬千瓦級的水輪發電機組效率要突破98.8%，實現對99%的超越，儘管看起來只有千分位的提升，但必須對機組進行一系列的創新優化才可能實現的，這也是東方電機“與時俱進、追求卓越”的具體體現。發電機效率要從幾乎已經是極限的98.8%，進一步提升到99.01%，我們從電磁設計入手，進行一系列的技術優化，電負荷、磁負荷設計優化、銅損（電流流過銅繞組引起的損耗）優化、鐵損（交變磁場在硅鋼中引起的損耗）優化、風磨耗（旋轉摩擦及風阻帶來的損耗）優化，這幾乎涉及到發電機所有的關鍵部套、關鍵材料及相關技術突破。

雖然看來整個發電機效率只提高了0.21%，但1台百萬千瓦機組的0.21%，就意味着每1小時可多輸出電能0.21萬度。按照白鶴灘16台機組計算，就可每小時多輸出電能3.36萬度，1天24小時就可多輸出電能80.64萬度，不考慮其他社會效益，單純從發電計算，年經濟效益可上億元。更重要的是，一旦突破了這個技術瓶頸，這創新成果就可以應用到將來新建的發電機組上去，帶來的是整個行業的變化。

買不到生產高等級硅鋼技術？那還有路可走嗎？

任何人走進白鶴灘水電站位於大壩左右兩岸的地下洞室羣，無不為之震撼：兩個洞室各有8台世界上首批研製成功的百萬千瓦級水輪發電機組，每台機組高50米，由3萬多個部件組成，重達8000噸，相當於法國埃菲爾鐵塔的重量。這超巨型混流式水輪發電機組，可謂當之無愧的世界水電的巔峯之作，是名副其實的“國之重器”。建設三峽電站時，水輪發電機組的國產化率只有8%，而白鶴灘水電站百萬千瓦級水輪發電機組國產化率實現了100%。這巨大的跨越中，中國寶武寶鋼股份作為水輪發電機組重要部件供貨商又貢獻了什麼？

王志成（寶鋼股份硅鋼事業部無取向硅鋼產品首席工程師）：

在白鶴灘水電站的16台水輪發電機組中，發電機定子全部採用了我們寶鋼的無取向硅鋼，這是我們為百萬千瓦級水輪發電機組特製的高端硅鋼，性能達到了國際領先水平。

硅鋼，損耗低，磁導率高，是電力、電子工業不可或缺的含碳極低的硅鐵軟磁合金，也是需求量最大的金屬功能材料。中國寶武研製硅鋼已有40多年。2004年春季，我入職寶鋼時，寶鋼寶山基地已有無取向硅鋼產品，記得當時最高牌號是B50A470。這牌號其實就是技術等級，表明硅鋼的厚度為0.5毫米，每公斤損耗4.7瓦，只能用於空調和冰箱壓縮機，現在看來是硅鋼中的低端產品。而寶鋼向白鶴灘提供的取向硅鋼和無取向硅鋼，已經是全球硅鋼產品中的最高等級，無取向硅鋼的損耗降到了每公斤2.4瓦以下。

寶鋼在硅鋼領域從跟隨到領先的鉅變，是打破關鍵核心技術被“卡脖子”的過程，也是秉持“鋼鐵報國”初心、敢為人先的創新過程。在三峽工程建設的前期，我國尚不具備高等級無取向硅鋼穩定供應能力。寶鋼為了攻克無取向硅鋼難關，只能奮發圖強，潛心研製，終於通過自主創新闖出了中國硅鋼產業的新天地。

如果説生產一塊普通熱軋板只需要三五天時間，而生產一卷高端無取向硅鋼從鍊鐵開始到成品交貨，則需要半個月左右的時間，其工序從鍊鐵、鍊鋼、熱軋、常化酸洗、冷軋、最終退火、塗膜、成品，哪道工序都必須達到精品級的質量管控。在白鶴灘水輪發電機定子招標中，寶鋼股份的無取向硅鋼中標，但東電和哈電下的標書要求極高：超純淨的鍊鋼、採用C6環保塗層和超低的鐵損控制。寶鋼硅鋼事業部將此項目作為“國之重器”來攻關，2016年7月《清潔發電裝備用高端無取向硅鋼的開發和應用》這一國家重點研發項目正式立項，如今已交出完美答卷：達到國際領先水平，並在國際上首次建立大型水輪發電機定子鐵心用鋼專用技術標準。

一台100萬千瓦水輪發動機的定子有1000多噸重，直徑19米，需要無取向硅鋼材料800多噸，然後再衝製成50萬片硅鋼片，重達700噸。寶鋼股份寶山基地和青山基地共為白鶴灘項目核心發電機組和配套輸電變壓器提供了近3萬噸關鍵核心硅鋼——包括取向硅鋼和無取向硅鋼材料。

怎麼摘下取向硅鋼這個鋼鐵產品“皇冠上的明珠”？

寶鋼不僅保障了白鶴灘水電站高效發電，還確保了清潔電能的高效輸出。2020年12月，寶鋼股份新型耐熱刻痕取向硅鋼機組正式投產。今年7月1日，全長2080公里的白鶴灘至江蘇±800千伏特高壓直流工程竣工投產。白鶴灘水電站發出的綠色電能，僅需7毫秒便能到達千里之外的江蘇。該輸電工程用換流變壓器的取向硅鋼100％採用寶鋼產品，寶鋼股份的取向硅鋼機組功不可沒。

楊勇傑（寶鋼股份中央研究院首席研究員/工程師）：

硅鋼分為取向硅鋼和無取向硅鋼兩種，兩者在硅含量、組織織構、生產工藝和產品用途上均有不同。取向硅鋼就像整齊劃一的隊伍，所有晶粒易磁化方向與帶鋼長度方向一致，長度方向電磁性能極高；而無取向硅鋼的晶粒取向隨機分佈。無取向硅鋼片主要用於製造各類電機，而高性能取向硅鋼是超/特高壓、高能效變壓器的核心軟磁材料，是長距離、低損耗輸配電裝備的標配。

但正因為取向硅鋼所有的晶粒取向保持一致，所以它是鋼鐵產品中製造難度最大的品種，工藝要求極其苛刻，生產一卷取向硅鋼帶材通常要一個月時間，被譽為鋼鐵產品“皇冠上的明珠”。在21世紀開始的很長一段時間，世界上只有1家企業能夠生產，且年產量不足10萬噸。然而，僅我國“西電東送”與高效電網建設年需求就在50萬噸以上，成為“國之重器”的發展瓶頸。

當項目急需高牌號無取向硅鋼時，國外硅鋼供應商卻拒絕供應；後來寶鋼“求”到一家國外廠商，對方卻坐地起價，當場提價1000美元/噸。在2003年全國人大會議期間，一位國家領導人接見了寶鋼代表，要求寶鋼儘快供應高等級硅鋼，保障國家電力安全。誰都知道如能購買成熟技術，肯定比從頭研發快捷得多。為此，寶鋼領導親自帶隊遍訪全球硅鋼生產廠，謀求技術引進，但幾乎全部廠家都一口拒絕，只有一家企業勉強同意出售其過時技術，還提出了令人難以接受的苛刻條件。這讓寶鋼深刻體會到，在關乎國運的核心技術面前，沒有捷徑可走。於是，寶鋼人義無反顧地走踏上了研發高端取向硅鋼之路。

從投入三峽工程這一國家重大工程開始，寶鋼取向硅鋼的產品等級和產能規模上不斷提升，2013年，寶鋼低温取向硅鋼開發與產業化項目，獲得了國家科技進步獎一等獎。2018年，寶鋼取向硅鋼應用於±1100千伏全球最高電壓等級直流換流變壓器，有力支撐我國特高壓輸電技術世界領先。如今，寶鋼股份不僅取向硅鋼的產量穩居世界第一，高端產品產能在60萬噸以上，徹底結束了國外企業的長期壟斷，還把取向硅鋼這一原來的“戰略儲備物資”變為出口國際市場的拳頭產品。寶鋼還連續十多次發佈代表世界最高技術水平的“全球首發牌號”，向全球硅鋼第一品牌邁進。

如今，寶鋼的取向硅鋼、無取向硅鋼和厚板低焊接裂紋敏感性高強度水電用鋼，以及熱軋高強度磁軛鋼板，廣泛應用於有“世界最大清潔能源走廊”之稱的金沙江上烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等大型水電站。如果我國現有所有的高耗能變壓器都能採用寶鋼的060高等級產品，可大幅降低輸配電網損耗，每年節電量可超過三峽水電站年度發電量，為國家“雙碳”戰略的落實和社會可持續發展奠定了材料基礎。

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