巨型充电宝诞生记：探秘创新能源方案历程

来源：科技日报

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科技日报记者 何亮

“并网发电！”随着指令长一声令下，位于浙江省天台县苍山深处的电站“心脏”——单机容量达42.5万千瓦的水轮机组，开始高速运转。

前不久，浙江天台抽水蓄能电站（以下简称“天台抽蓄电站”）首台机组正式并网发电，为我国华东电网添加了一座巨型“充电宝”：山顶上水库内水流奔涌而下，借助724米超高水头，驱动水轮机组源源不断发出绿电；山脚下水库敞开胸怀接纳来水，待水量充盈、电量富裕时，再将水送至上水库储存起来，完成蓄能。

“一放一蓄间，这座世界额定水头最高、国内单机容量最大、国内引水斜井最长的抽水蓄能电站，巧妙地利用势能与电能相互转换，在时空上完成电力‘搬运’。”中国三峡建工（集团）有限公司董事长高鹏近日接受科技日报记者采访时介绍，天台抽蓄电站建成后，预计每年可提供17亿度清洁电能，满足一座160万人口城市一年的生活用电。

浇筑“防裂大坝”

当水位升至953米、蓄水量达689万立方米时，“满盆”库容会产生巨大的静水压力，时刻考验天台抽蓄电站上水库大坝的坚固度与耐久性。

“大坝一般由柔性堆石坝和刚性混凝土面板组成，虽能有效抗压但天然‘惧怕’拉伸。”中国三峡建工（集团）有限公司所属浙江天台抽水蓄能有限公司（以下简称“天台抽蓄公司”）工程管理部副主任周涛向记者解释，混凝土面板下的堆石坝一旦因冷热变形脱空，将造成面板开裂风险。

“必须想方设法让混凝土面板更抗裂。”天台抽蓄公司专业师杜俊良打趣道，“热了不行、冷了也不行，面板犹如需要精心呵护的孩子。”

“思虑再三，我们决定从水泥配方这个源头着手，解决抗裂难题。”周涛说。研发团队将市面上性能良好的材料悉数纳入研究视野，不断变换材料组合方式、配方比例和掺合剂量。

一开始，6种配方同时投入试验。结果令人沮丧，要么早期强度不达标，要么成本飙升到无法承受。最棘手的是，有些配方反而加剧了裂缝生长。

“我们像是在黑暗中摸索。”周涛在项目日志中写道，“每个变量都影响着其他变量，简单的叠加思维行不通。”

转折发生在第3个月。周涛在观察玄武岩纤维的微观结构时灵感突现：“这些纤维表面如果能和水泥基体形成化学键而不仅仅是物理嵌合，会不会更好？”

这个想法点亮了新方向——材料间的界面效应可能是关键。

团队调整了策略，不再进行“试错式”筛选，而是建立了系统的性能矩阵。他们将18种配方按照3个维度排列：热力学性能、力学性能、耐久性能，每个配方都要经过12项标准测试和3项模拟环境测试。

6个月后，成功的曙光近在眼前。“低热水泥+玄武岩纤维+防裂剂”的组合表现优异：在温差循环测试中，裂缝宽度比基准组减少了近60%；后续的疲劳测试中，极限抗拉伸性能提升约30%，温差耐受度提高10℃，实现控温、抗拉双重效果。

配方有了，团队更进一步，又为大坝量身定制出全生命周期温控模型。“利用该模型，不仅能够精准预测出面板温度引发应力变化的规律，还能模拟面板浇筑时边界因素对应力的影响，有效支撑大坝控温与限裂措施改进。”杜俊良说。

如今，这座高62.5米、顶部长566米的大坝巍峨矗立在群山之中，抗裂性能出色，渗漏量仅为设计指标的十分之一，居国内抽蓄行业领先水平。

锻造“超级滑梯”

大坝稳固了，研发团队面临的另一个难题，是如何将上水库中水流安全引至地下发电厂房。

“我们需要建造两条长483.4米、坡度高达58度的巨型钢制斜井。”天台抽蓄公司副总经理姚亮告诉记者，“这两条堪称‘超级滑梯’的斜井，必须承受住来自724米额定水头的超高水压。”

彼时，国内最高等级水电钢材是800兆帕级高强钢。

“要么花重金从国外引进1000兆帕级水电高强钢，要么抓住世界最高水头这个千载难逢的应用场景，自主研发同等级产品。”姚亮很清楚，摆在面前的只有这两条路。

团队很快给出答案——下定决心，与国内企业一起向1000兆帕级水电高强钢发起攻关！

研发紧锣密鼓地展开，首要任务是做出强度、韧性和塑性达标的钢材。“关键在于钢板合金成分的设计。”参与攻关的宝山钢铁股份有限公司首席工程师刘自成坦言。

然而两年过去，国内5家钢厂提交的钢板试样均未达标。无奈之下，团队一头扎进轧钢现场，逐项分析工序，不断调配化学成分配比，直至第一块质量合格钢板诞生。

就在大家分享喜悦之时，一瓢冷水浇了下来——钢板批量生产合格率不足50%。“问题应该出在制造工艺上。”刘自成仔细分析后得出结论。

团队重振旗鼓，一次次开展技术研讨、专题论证，多次请来业内顶尖专家“把脉问诊”，最终锁定钢板质量波动的原因是没能精准把控热处理工艺。

明确症结后，大家迅速调试热处理设备：首先着手解决热处理温度的均匀性，确保炉内各点温差精准控制接近于零；再通过氧探头、露点仪等多参数监控与互校调整气氛控制；在冷却过程中进一步强化搅拌系统，让槽内各点冷却速度一致……随着工艺流程不断改进、生产标准持续完善，钢板批量生产合格率最终提升至92%。“这标志着我国真正掌握了1000兆帕水电高强钢钢材制造的核心技术！”姚亮感慨。

2024年9月，1000兆帕水电高强钢在天台迎来“大考”——模型钢岔管水压爆破试验。随着水压持续升高，仪表盘上数值急剧上升，“砰”的一声，巨响在山谷间回荡，“成绩”定格在26.5兆帕。“钢岔管爆破压力设计值为24.9兆帕，实际耐压性能超出预期目标。”姚亮激动不已。

如今，国产1000兆帕级高强钢已成功应用于天台抽蓄电站引水系统核心部位，每平方厘米承压能力可达10万吨。

安装“巨型心脏”

上水库水流顺着“超级滑梯”奔腾至地下厂房，将直接冲向可逆式水泵水轮发电机组。

“如果说水是电站运转的‘血液’，那么发电机组则是催动血液流动的‘巨型心脏’。”天台抽蓄公司副主任专业师马志忠解释，它既能变身水泵，将水抽至上水库“存”起来；又能在用电高峰时转为发电机，释放绿电。

面对超高水头、超大流量的挑战，必须精准控制机组安装位置。“从座环和蜗壳吊装开始，15个月里，厂房就是我们的家。”马志忠笑着说，“机组安装就像拼积木，每个零部件都必须落在指定位置。”

天台抽蓄机组转子直径4.996米、重481吨，是机组中最重的部件，也是安装成败的关键。设计要求转子中心偏差小于0.1毫米，水平偏差更是要控制在0.02毫米以内。

“哪怕是0.01毫米偏差，转子高速运转后也会影响整个机组运行效率和使用寿命。”天台抽蓄公司副主任专业师强林林强调。

为了尽可能减小偏差，团队请来经验丰富的轨道桥机驾驶员，采用垂直吊装入坑的方式进行安装。当转子缓缓吊入机坑，监控屏幕上代表同心度的两条曲线并没有完美重合，出现一道刺眼的“缺口”，这意味着数百吨重的转子可能发生“微小的倾斜”。

吊装被立即叫停，大家集结到机坑边分析研判。“如此高精度，用目测完全无法判断。”强林林说，若想验证并纠偏，必须在现有基础上新增更精密的监测设备。

手足无措之时，马志忠突然想到机坑建设时预留的三维激光定位仪，“从坑底向上监测，应该能辅助转子精准落位”。

驾驶员重新开机，在双重系统监测下，小心翼翼地调整入坑角度。大家屏着呼吸，恨不得双手扶着转子移动。1分钟、10分钟……30分钟，转子终于平稳“入巢”。检测结果显示：转子中心偏差0.05毫米、水平偏差0.01毫米。“成功了！”所有人长舒了一口气。

天台抽蓄电站建设随之驶入快车道。2025年12月25日，首台机组并网发电；2026年1月9日，2号机组具备商业运行条件；预计2026年9月，全部4台机组可实现投产。

“十五五”规划纲要提出，深入实施能源安全新战略，加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系，建设能源强国。面向未来，高鹏表示：“我们将进一步加大关键核心技术攻关力度，扛起建设新型能源体系的央企担当！”

（三峡集团供图）