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“十八大”以來中國水電科學技術發展成就

發布日期:2022-09-21 信息來源:規劃總院 作者:王忠耀 趙全勝 字號:[ ]

自新中國成立以來,發展水電一直是我國能源電力的重要戰略方針,水電在電力工業中發揮了中流砥柱的作用。黨的十八大以來,水電開發貫徹落實“創新、協調、綠色、開放、共享”新發展理念,繼續保持高速發展態勢,并邁進高質量發展新階段:全國常規水電新增投產規模約1.26億千瓦,抽水蓄能新增投產1606萬千瓦。截至2022年6月底,我國水電裝機總容量達4.0億千瓦(其中抽水蓄能0.42億千瓦),占全國發電裝機容量的16.4%。水電工程在保障我國供水安全、能源安全、應對氣候變化和節能減排等方面,發揮了不可替代的重要作用。

黨的十八大以來,我們高度重視科技創新工作,堅持把創新作為引領發展的第一動力。黨的十九大確立了到2035年躋身創新型國家前列的戰略目標,黨的十九屆五中全會提出了堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位,把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。黨的十八大以來我國水電領域技術創新,以重大工程為依托,以成果轉化為重點,在標準、技術、設備、體系各方面取得全面進步,技術水平領先世界。

一、水電行業標準創新奠定基石

為適應水電行業發展的新形勢、新任務、新要求,滿足水電行業技術發展和技術標準管理的需要,水電水利規劃設計總院(“水電總院”)牽頭開展了水電行業技術標準體系研究,建立了水電行業技術標準體系框架結構,發布了《水電行業技術標準體系表》,形成涉及規劃、勘察、設計、施工、驗收、運行、管理、維護、加固、拆除(或退役)等水電行業全生命周期技術標準體系,共1100余項標準規范;針對我國水電行業技術標準“重建設、輕運維”的現狀,加大了“建設、運維并重”相關標準研究。

由水電總院牽頭組織開展的中國水電技術標準“走出去”課題研究全面系統收集整理了中國承建國際水電工程項目的技術標準使用情況,系統總結了國內外技術標準在國際水電工程中的使用現狀、成功經驗和存在的問題,全面對比分析了中外技術標準在設置結構、內容、使用、管理等方面的主要差異,提出了“接軌國際、適應國情”的中國水電技術標準體系框架;搭建了中國水電標準中英文查詢平臺,提出了我國水電技術標準國際化工作方案,加快系統推進水電行業技術標準英文版翻譯出版工作,對中國水電技術標準“走出去”具有重要的指導意義。

黨的十八大以來,在國家能源局的領導下,水電行業總結提煉建設經驗,廣泛凝聚行業力量,反復打磨修訂了《混凝土拱壩設計規范》《混凝土面板堆石壩設計規范》《碾壓式土石壩設計規范》《混凝土重力壩設計規范》《水電工程邊坡設計規范》《水工隧洞設計規范》等一系列核心關鍵的設計規范,并制定了《抽水蓄能電站設計規范》《水庫放空技術導則》《梯級水庫群安全風險防控導則》等面向新時期新形勢水電發展需要的技術標準,有力引領了水電技術高質量發展。

二、水電領域技術創新領先世界

黨的十八大以來,我國繼續扎實推進金沙江白鶴灘、烏東德,雅礱江兩河口,瀾滄江黃登,大渡河猴子巖、雙江口等重大水電工程建設。集中建成和新開工建設的這批巨型工程,標志著我國在300m級高混凝土拱壩、200m級高碾壓混凝土重力壩、250m級高混凝土面板堆石壩、300m級高土心墻堆石壩、700m級高邊坡加固處理技術、高水頭大流量泄洪消能技術、巨型地下洞室群建設技術、深埋長隧洞設計建設技術、復雜地基處理技術等方面不斷取得技術突破。

新型材料不斷進步。堆石混凝土以自密實性能替代傳統混凝土振搗(碾壓)密實工藝,使用大量塊石減少水泥用量,降低水化熱溫升,簡化溫控措施,綜合單價降低,施工效率提高,目前已建在建的堆石混凝土壩142座。堆石混凝土壩不僅是中國壩工取得突破的標志性技術發明成果之一,也得到了國際上的廣泛認可。膠凝砂礫石壩是融合了土石壩和混凝土壩優點的新壩型,實現了用當地材料在巖基、非巖基上筑壩漫頂不潰的突破。防滲新材料方面,我國研制的改性瀝青混凝土面板抗低溫技術,凍斷溫度平均值為-46℃,在呼和浩特抽水蓄能電站上水庫得到成功應用。土工膜防滲技術也經過不斷的改良創新,成功應用于老撾南歐江六級電站,復合土工膜面板堆石壩壩高85m,筑壩軟巖比例高達81%,獲得了中國建設工程魯班獎。

新型工藝不斷涌現。經過多年工程實踐、運用與探索,在深厚覆蓋層處理工藝方面,取得了較大突破?;炷练罎B墻方面,已初步解決深厚覆蓋層內防滲墻成槽難、清孔難、澆筑易堵管等問題,防滲墻施工技術能力已達200m級深度范圍。振沖碎石樁方面,金沙江上游拉哇水電站圍堰基礎采用SV70碎石樁機+伸縮式導桿連接振沖器造孔制樁的施工工藝,成功實施最大加固深度為72m的振沖碎石樁;某超深厚覆蓋層工程壩基也已成功試樁深度約90m的振沖碎石樁。超深鉆孔方面,研發了孔口封閉裝置、加重泥漿技術,采用孔口封閉裝置與加重泥漿護壁鉆孔工藝,形成一套深厚覆蓋層涌水涌砂條件下鉆孔技術,可在一定程度實現帶壓或控壓鉆進,有效解決了高水頭、動水條件下150m深覆蓋層鉆孔過程中的“涌水涌砂、塌孔不成孔、漏漿”等難題。

新型設備自主引領。我國水電設備通過“引進再創新”,實現了跨越式發展,具備了自主研制大型水電機組的能力,混流式、軸流轉槳式和燈泡貫流式水電機組的設計制造水平均已達到世界先進水平。伴隨著抽水蓄能電站規??焖侔l展,設計、施工、設備制造能力不斷提升,中國自主研發的抽水蓄能成套設備亦已達國際領先水平。世界上單機容量最大的白鶴灘水電站1000兆瓦水電機組,在機組設備研制、設計、制造、材料等領域推動了我國特大型水電設備設計制造技術的全面發展。依托西藏玉曲河扎拉水電站進行的500MW沖擊式水輪發電機組研制工作已通過國家能源局審批,正式列入“2021年度能源領域首臺(套)重大技術裝備項目名單”。陽江、敦化、長龍山三座700米級超高水頭抽水蓄能機組成功投產,標志著我國完全實現了700米級超高水頭抽水蓄能機組的自主研發和裝備制造。廣東梅州抽水蓄能電站成套開關設備首次實現國產化。施工設備方面,超小轉彎半徑硬巖TBM技術技術在文登抽水蓄能項目成功試點后,已成功推廣應用于多個項目,并在平江抽水蓄能項目上實現了月均掘進超500m的佳績;豎井TBM、大斷面小轉彎半徑TBM、斜井TBM已在寧海、撫寧、洛寧等項目順利推進試點驗證,極大提高了抽水蓄能地下工程施工的機械化、智能化和標準化水平。

創新技術攻克難題。依托國家重大工程建設,水電企業與科研院所開展了緊密聯合攻關研究,攻克了一系列重大關鍵技術難題,形成了一批重大技術成果?!案邏蝿屿o力超載破損機理與安全評價方法’”“高土石壩抗震設計理論研究與工程應用”“高壩泄洪消能防護和霧化安全技術與應用”“高混凝土面板堆石壩安全關鍵技術研究及工程應用”“超高心墻堆石壩關鍵技術及應用”“特大型水輪機控制系統關鍵技術、成套裝備與產業化”“300m級溪洛渡拱壩智能化建設關鍵技術”“錦屏二級超深埋特大引水隧洞發電工程關鍵技術”等研究成果,均獲得了國家科技進步獎。這些成果,凝聚著中國大壩工程師和科技工作者的辛勤科研和刻苦攻關,不僅成就了我國一批巨型工程的成功建設,也推動了我國水電技術的全面進步。

三、數字化智能化技術創新助力發展

十八大以來,信息化、數字化、智能化技術更加廣泛、深入應用于水電工程建設與運營各環節,對提高工程建設智能化水平、運行智慧化水平、管理精細化水平發揮了重要作用。

信息化數字化技術形成更大發展合力。以BIM、大數據、云邊協同為代表的新一代信息技術的不斷融合與創新,極大地推動水電工程的數字化轉型?;贐IM的設計施工一體化取得積極進展,并在楊房溝、白鶴灘等開展了實質性應用,BIM設計與施工已成新常態,基本形成了工程數字化的基礎能力,有力支撐了工程數字生態和數字孿生工程的建設。智慧工地、智慧電廠等數字化管控手段得到廣泛應用并持續改進,有效提升了現場管控效率和質量。以抽水蓄能電站群智能選點規劃為代表的抽水蓄能全周期數字化智能化技術也已開展大量有益探索。

智能建設技術創新方興未艾。物料軌跡追蹤管理系統可追蹤建筑材料的采、運、儲、用,實現建筑材料的實時監控管理。智能碾壓技術已廣泛應用于大型堆石壩和碾壓混凝土壩的碾壓控制,可實現按照預定碾壓軌跡、碾壓遍數進行監控和報警,顯著提高大壩填筑質量。該項技術起步于糯扎渡工程,并在長河壩、雙江口、兩河口、猴子巖等工程中均有成功應用。無人駕駛智能碾壓突破了高精度高魯棒性循跡管理關鍵技術,在兩河口實現了無人碾壓機群的協同作業,已大規模應用于壩體填筑。智能溫控技術已突破前端快速感知、全周期全域實時分析、全過程精確控制的技術難題,廣泛應用于各類混凝土工程,并在白鶴灘、烏東德等項目實現全過程全環節智能管控。智能灌漿系統采用計算機控制自動配漿、自動調壓,以數據中心為核心,能夠自動處理啟動、升壓、變漿、結束灌漿,甚至能自動處理一些常見的異常情況,實現常態情況下的全自動灌漿,節省了人員投入,有效提高了灌漿效率及灌漿質量,已成功應用于烏東德、白鶴灘等工程,有效提升了灌漿過程管控效率。抽水蓄能電站積極推進全面機械化智能化施工,在設計理念、裝備技術、施工配套技術、建設管理技術方面都取得新的突破和實踐,TBM智能掘進技術已成熱點。另外,一些工程還采用信息管理系統,規范建設各方的行為,統一管理各項施工、驗評工序。

四、水電流域系統創新展開新篇

黨的十八大以來,我國水電開發程度過半,主要大江大河特別是中下游干流的水電開發基本完成,全國主要流域梯級水電站開發格局、庫群聯合調度運行管理機制初步形成,全面開展了流域水電綜合監測,梯級調度運行管理水平和安全風險管控能力持續提升。梯級水庫群的開發,發揮了發電、防洪、供水等綜合效益,主要河流沿江交通得到系統性規劃建設,加快了民族地區經濟社會發展,實現企業、政府、社會的合作共贏。

金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等大型流域均組建了梯級調度運行管理機構,利用物聯網、大數據、云計算等技術數字技術,開發了從氣象預報、水情預報、需求預測、梯級發電出力自動匹配生態調度等功能的流域梯級智慧調度運行管理平臺。

在工程健康檢查和診斷方面,初步開展了物聯智能感知設備與技術研發、深水與超長距離水下探測關鍵技術及設備研發、大壩安全鑒定及評價關鍵技術研究等工作。在水電工程升級改造方面,開展了水下修復、滲漏處理、缺陷處理、加固處理、水庫淤積處理、機組維修、生態流量設施改造、監測自動化系統改造等工作。高壩大庫放空技術方面,提出了連續多級閘門聯合擋水的新型放空系統及其自動化控制的創新技術。

國家973項目開展了“梯級水庫群風險等級確定與風險設計”研究,并根據課題成果完成了流域安全相關行業標準的編制和發布。流域水電工程安全與應急管理技術體系逐步形成。智能監測預警系統、遙感識別技術的應用實現了“人機結合”決策模式與技術流程,為流域地質災害防治提供了新的手段。成功處置了牛欄江紅石巖堰塞湖、金沙江白格堰塞湖潰決風險,在流域堰塞湖潰決洪水計算、風險分析、應急搶險等方面積累了寶貴的實踐經驗,有效提升了我國流域梯級水電站庫群風險防控的能力和水平。

五、展望

在當前“雙碳”目標的要求下,水電依托成熟先進的技術水平、環境友好的綠色屬性、靈活優質的電能輸出,將成為構建新型電力系統、實現“碳達峰、碳中和”目標的重要支撐。抽水蓄能電站作為清潔環保、響應靈活的電力系統調節手段,在系統安全保障和促進新能源大規模發展方面重要作用日益凸顯。新形勢、新動向、新要求為水電高質量發展帶來新的機遇和挑戰。

水電行業科技創新將立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展,應對水電開發面臨的更為復雜的建設條件、更高的生態環境保護和社會公共要求,以及建設新型電力系統、大力提升系統調節能力的需求。在水電基地可再生能源協同開發運行技術、高地震烈度下超深厚覆蓋層筑壩技術、大型抽水蓄能變速機組設備、水電數字化智能化技術等方面繼續加強前沿探索和技術攻關,為推動能源技術革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系提供堅強保障。



呼和浩特抽水蓄能瀝青混凝土面板全庫防滲


文登號TBM


兩河口水電站大壩


長江三峽樞紐工程榮獲國家科學技術進步獎特等獎





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