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位于四川省宁南县和云南省巧家县金沙江段的白鹤滩水电站，是中国长江三峡集团建设在金沙江上实施“西电东送”四个国家重大水电工程之一，同时也是全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程。日前，继创造多项世界纪录的白鹤滩14号机组作为首批机组安全投产发电后，白鹤滩水电站又有多台机组陆续完成安装调试、顺利并网，预计全部16台机组将于2022年7月前完成安装调试并投入运行。
作为装机规模仅次于三峡水电站的世界第二大水电站，白鹤滩水电站拥有一系列重大创新。在清华大学、东方电气集团东方电机有限公司（下称东方电机）、哈电集团哈尔滨电机厂有限公司（下称哈电电机）等创新团队的攻坚下，我国高端装备制造实现了重大突破，成功研制了世界单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组，将世界水电带入“百万单机时代”，把知识产权牢牢掌握在自己手中。
开启“百万单机时代”
1958年，我国计划在白鹤滩兴建特大型水电站，起初由外国专家提供技术援助，不过因国际形势发生变化，该项目不得不搁浅。2010年，随着《国家发展改革委办公厅关于同意金沙江乌东德和白鹤滩水电站开展前期工作的复函》下发，白鹤滩水电站正式启动前期筹建工作。
白鹤滩水电站共建设安装16台机组，其大坝左岸、右岸各安装8台100万千瓦机组，总装机容量为1600万千瓦。左岸8台机组由东方电机自主研制供货，右岸8台机组由哈电电机自主研制供货。1台机组工作1小时发电量就是100万千瓦，属于超巨型混流式水轮机组，是目前全球单机容量最大的水轮发电机组。据介绍，16台机组一天的发电量可满足50万人一年的生活用电。
2021年6月28日上午，白鹤滩首批机组发电仪式现场人头攒动，数百名建设者脊背挺直，目光灼灼。经过72小时试运行，单机容量世界最大的白鹤滩水电站首批机组正式投产发电，这是全球首台进入商业运行的100万千瓦水电机组，标志着我国大型水电工程建设实现从“中国制造”到“中国创造”的历史性跨越。
东方电机产品开发部副部长宋敏接受中国知识产权报记者采访时表示，在三峡水电站建设期间，许多装备技术要从国外引进，在轴承、电机和高端材料方面都受到外方的掣肘。近10年来，我国相关企业展开一系列技术攻关，在巨型水轮发电技术研发上取得重大突破，实现了中国水电技术从跟跑、并跑、领跑到迈进“无人区”的跨越式发展。
把知识产权握在手中
白鹤滩水电站左岸8台机组主要由东方电机教授级高级工程师、白鹤滩水轮发电机主任设计张天鹏承担研发任务。张天鹏介绍，100万千瓦，不仅意味着大容量、大尺寸，也意味着发电机会产生更高热量。作为空冷式机组，如果无法将这些过剩的热量高效带走，会造成严重的热变形和热应力，甚至造成设备损坏。帮助高效运行的机组“降火”，成为研制团队面临的最为棘手的问题。
从2013年开始，张天鹏研制团队就开始了白鹤滩机组发电机磁极绕组空内冷技术研究应用的攻关工作。通过若干轮次的仿真计算、试验验证、方案优化、产品试制，研制团队成功实现了这一创新技术在白鹤滩项目的落地应用。磁极铜排上开设内通风孔，并新增内部冷却区，在大幅增加磁极绕组的散热面积，缩短传热路径的同时，提高了冷却空气的利用率，大幅降低了发电机冷却需求风量。
一张张专利证书镌刻着东方电机一笔笔浓墨重彩的创新。截至目前，东方电机在100万千瓦水轮发电领域布局了40多件专利，包括“一种通风可调式水轮发电机转子支架”等发明专利。
哈电电机牵头负责白鹤滩机组研发攻关的副总工程师覃大清向记者介绍说， 转轮是水轮发电机组的“心脏”，是决定机组稳定性和能量转化的关键部件，也是机组中研发难度最大、制造难题最多的核心部件。在这个领域，包括中国在内的全球主要国家都在进行技术攻关。
为突破技术瓶颈，哈电电机进行了一系列技术攻关。2018年10月，由哈电电机设计、制造的白鹤滩水电站100万千瓦水轮发电机组首台导水机构在哈尔滨通过验收。验收结果表明，导水机构各项关键参数均符合设计技术规范，达到精品标准。
“我们100万千瓦机组的创新主要包括两部分，一是发电机从原来的80万千瓦跃升到现在的100万千瓦，是技术的巨大飞跃；二是水轮机采用了长短叶片转轮，同时实现了宽负荷高效稳定的运行。”覃大清对记者表示，长短叶片转轮，即采用15个长叶片加15个短叶片结构，其结构特性好比“钢琴黑白键”在演奏时的互补功能，能够更好地保证机组高效运行；与传统转轮相比，长短叶片转轮更加“全能”，既能满足高水头的稳定性要求，又能在低水头具有极强超发能力。
哈电电机在长期的实践中，将产、学、研、用相结合，针对巨型机组稳定性、水力设计、电磁设计、发电机冷却、绝缘技术、结构刚强度及测试方法等方面进行专项研究和试验，取得了一批创新成果，布局了相关专利。
智能建造助力双碳目标
2021年11月，一封来自中国长江三峡集团的感谢信在清华大学水利系引发热烈反响。中国长江三峡集团在信中指出，清华大学作为白鹤滩水电站的科研单位之一，在大坝全生命周期性态仿真分析等关键技术攻关中提供了全方位高质量的技术服务。
多年来，由清华大学水利系李庆斌教授、林鹏教授、胡昱副教授等组成的大坝智能建造团队深入一线，扎根现场全程紧密追踪工程动态，高效响应工程重大需求，坚持问题导向科学破解工程难题，全力保障白鹤滩工程安全建设，在大坝全生命周期性态仿真分析、混凝土温控智能通水技术、低热水泥混凝土施工全性能、复杂地质条件下基础灌浆机理研究等关键技术攻关中做出积极贡献，并形成了多项知识产权。
据介绍，未来，大坝智能建造团队将继续面向大坝智能化建设科技前沿，面向碳达峰、碳中和目标，深化水利工程领域智能化技术研究，推动大坝智能建造技术广泛应用，提升水利工程价值。
《2030年前碳达峰行动方案》指出，因地制宜开发水电。记者从中国长江三峡集团工程建设部了解到，白鹤滩水电站建成后，年平均发电量达624.43亿度，每年可节约标准煤约1968万吨，减少排放二氧化碳约5160万吨、二氧化硫约17万吨、氮氧化物约15万吨，节能减排效果显著。白鹤滩水电站将与金沙江乌东德、溪洛渡、向家坝，以及长江三峡、葛洲坝水电站共同构成一条世界最大的清洁能源走廊，为助力实现碳达峰、碳中和目标发挥国家队主力军作用。
