中國在建白鶴灘水電站有多牛？百萬千瓦級水輪機讓世界驚嘆

白鶴灘水電站坐落於四川省涼山彝族自治州寧南縣和雲南省昭通市巧家縣交界處，是金沙江下游開發建設的4座水電站中的第二梯級，上游與烏東德梯級電站相接，下游與溪洛渡梯級電站相連。該水電站以1600萬千瓦的總裝機容量排名世界第二（三峽水電站以2250萬千瓦位列第一），是目前世界在建水電站中排名第一。

白鶴灘水電站發電機組單機容量100萬千瓦，位列世界第一；壩高289米，世界拱壩高度排名第三；總水推力1650萬噸，世界排名第二。建成後多年平均發電量624.43億千瓦時，為華東、華中、南方電網提供可再生清潔能源，每年可以節約標準煤1968萬噸，減少二氧化碳排放5160萬噸，減少煙塵排放22萬噸，對減少溫室氣體排放、改善人類生活環境、緩解能源危機都有極大的社會意義。

白鶴灘水電站作為世界級超級工程，在多個領域都步入了世界技術無人區，主要特性指標均居世界前列，這座水電站有哪些獨特之處呢？

全世界水電工程中最大規模洞室群

為了將巨型發電機組裝入地下廠房，工程師們為其設計了規模巨大、洞室數量眾多的地下洞室群，將錯綜複雜的引水、廠房、尾水、導流、交通、通風等系統囊括其中。地下洞室群相互交錯，土方開挖量達到2500萬立方米，相當於10000個標準泳池的容積，其中電站廠房洞長438米，頂拱跨度34米，高88.7米；8個圓筒式調壓室直徑43～48米，高度91～107米，是世界已建水電工程跨度最大的圓筒調壓室。

全世界水電工程中第三高的拱壩

白鶴灘水電站採用混凝土拱壩設計，最大高度289米，大致相當於100層樓高。基於大壩地形因素的考量，和三峽工程不同，白鶴灘水電站採用拱壩設計。大壩坐落在金沙江「V」字型河道上，水位落差大，壩體承受壓力極大，如果按正常水位考慮，大壩將承受1650萬噸水壓。採用拱壩設計，一個是能充分利用V字型河道，以兩側山體為依託加強壩體結構；再一個是使壩體受力均勻，增大了壩體利用效率；在保證壩體安全性的同時，也減少了壩體工程用料，提高了工程的經濟性。

世界上第一座全壩使用低熱混凝土的水電工程

物質與水化合時所放出的熱量稱之為水化熱。水泥在澆筑後由於自體發熱，體積膨脹，遇寒又會收縮，如果養護期溫度控制不好，混凝土凝固過程中由於熱脹冷縮的原因，將產生溫度裂縫。因此，大體積混凝土工程中不得使用水化熱高的水泥。白鶴灘大壩工程使用的低熱水泥比三峽工程的中熱水泥水化熱低15%，而後期強度性能優於中熱水泥。

現場施工期間對混凝土澆築及養護進行了嚴格的溫度控制，通過埋設數支溫度計和冷卻水管，並在澆築好的混凝土鋪著「保溫被」等方式，對混凝土工程實施嚴格溫度管控，使大壩具備與如此巨大的水壓剛正面的能力。

世界第一座採用單機100萬千瓦水輪發電機組的水電工程

從製造三峽工程70萬千瓦巨型機組，再到溪洛渡、向家壩水電站80萬千瓦機組，一直到世界最大單機容量100萬千瓦的白鶴灘發電機組，我國具備了自主研製大型和超大型水輪發電機組的必要技術手段和能力。那麼，為什麼水輪發電機組要越做越大呢？

我們先來看看水力發電的全過程。下圖簡單表示了水力發電站的整個流程。眾所周知，水力發電的能量源頭是水從高處降落的重力勢能。上游水經過引水管道流至發電機組的水輪機，水的重力勢能轉化為水的動能，流水帶動同軸的水輪機和發電機轉子轉動，發電機組將轉子動能轉化為電能，電能經過升壓變壓器輸送至高壓輸電線路，完成了整個水力發電過程，流經水輪機的水經過尾水管排至下游水道。

在這裡可以看到水力發電受自然環境的影響非常大，大型或特大型水電站多位於邊遠地區的深山峽谷之中，當水電站裝機容量規模確定後，只有使用較大容量的水輪發電機組，減少水電站裝機台數，才能簡化電站樞紐布置，節省工程投資，縮短工程建設周期，降低電站運行成本。同時，由於位置偏遠、交通不便，對於大型設備的運輸及安裝都需要周密考慮。所以，在工程師們攻克一系列技術難題後，超大型水電機組便應運而生。

白鶴灘水電站採用的是混流式水輪機，其水流先從四周由徑向流入轉輪，後從轉輪下方以軸向方向排出，適用於高水頭、大容量的水力發電環境。如下圖，我們把混流式水電機組分解成主要大部件來看看各自功能。

在最下面的是水輪機機組的蝸殼和導水機構。蝸殼將壓力水管引來的水流以最小的水流能量損失，均勻地引入導水機構，使轉輪四周所受的水流作用力均勻並使水流產生一定的旋轉量。導水機構使水流以一定的速度和方向流入轉輪，並能夠根據外界負荷變化調節入水量，確保水輪機具有良好的水力特性和最佳的輸出功率。

轉輪是水輪機的核心部件，其作用就是進行能量轉換，把水的動能轉換成轉輪旋轉的機械能，大型水輪機組主要使用混流式水輪機，它的特點是水以徑向流入轉輪，再以軸向從水輪機流出，在水頭高、發電容量大的條件下，能夠最大限度利用水流能量。

轉軸的作用就是將轉輪的轉動機械能量傳遞至上方的發電機轉子。轉軸外部與轉輪相固定，並一起安裝在導水機構中間；轉軸上方與發電機轉子的大軸固定連接。最上方是水輪發電機組的轉子和定子。經過勵磁的轉子在轉輪帶動下，在定子線圈中旋轉，定子線圈感應得到三相交流電，就是水輪機組發出的電能。

白鶴灘100萬千瓦水輪機組的主要技術突破有哪些？

發電機機組主要性能指標重大突破。白鶴灘水電站採用的100萬千瓦水輪發電機組，其單機容量位列世界第一，為實現更大容量的功率輸出，一方面可以提高發電機工作電流，另外一方面就是提高輸出電壓。我國三峽工程單機額定電流22.45kA，額定電壓20kV；白鶴灘工程單機額定電流達到了28kA，額定電壓達到了24kV。額定電流的大幅提升，需要攻克發電機組載流迴路、結構尺寸及散熱系統等主要技術課題，額定電壓的提高對定子繞組的絕緣材料、絕緣結構及絕緣工藝也提出了更高的要求。

攻克超大容量機組冷卻技術難關。100萬千瓦級水輪發電機定子、轉子的發熱量巨大,電機的冷卻難度也越來越大，如果沒有行之有效的冷卻系統將使絕緣壽命大幅降低，嚴重情況下還會導致導體與絕緣間產生較大的熱應力，從而出現脫殼擊穿燒毀絕緣的危險。目前最主流的水輪機冷卻方式是空氣冷卻，該方法結構布置簡單、安裝維護方便、運行更加可靠，但應用在如此超大容量機組上，不僅是一個新的技術飛躍，更是一個巨大的挑戰。白鶴灘工程機組空冷技術的重大突破，填補了世界百萬級水輪發電機通風冷卻領域的技術空白。

發電機推力軸承技術難度屬世界級水平。水輪發電機組推力軸承是承受水輪機轉子重量的，受力方向在垂直方向，可以說是它頂著轉子，實現了轉子的順滑旋轉。100萬千瓦級水輪發電機推力軸承負荷大，需要攻克軸承支承結構和油循環冷卻系統等技術難題。白鶴灘水輪發電機組推力軸承採用雙層巴氏合金瓦，推力瓦固定在機架上，鏡板固定在推力頭上，鏡板壓在推力瓦上隨轉子轉動，推力瓦與鏡板間有一層油膜，以此實現轉動部件和固定部件之間的銜接。

白鶴灘水電站作為世界在建規模第一，水電發電機組單機容量世界第一的超級工程，在多學科工程及科研領域方面都達到了世界領先水平，並在眾多關鍵技術領域取得了舉世矚目的成就。工程計劃於2021年4月開始水庫蓄水、7月首批機組投產發電，2023年工程整體完工。工程建成後對推動長江經濟帶發展、促進節能減排和加強流域防洪減災能力都有著十分重要的戰略意義。

作者：牛奔，內蒙古電力公司高級工程師

審稿：戴成龍，內蒙古電力公司高級工程師

編輯：王波

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