[分享]胡佛大坝|技术驱动的能源工程

发表于2019-09-05     264人浏览     1人跟帖     总热度:211  

这一讲,我要带你到美国内华达州和亚利桑那州的交界处走一趟,带你看一个能源水利工程,就是胡佛大坝。这座拱门式重力人造混凝土大坝,被称为美国二十世纪最伟大的工程。这座超级大坝的建成,跟工程技术的突破密不可分。

其实人类很早就开始利用水的能量了,你大概见过那种古老的水车,但它利用能量的效率非常低。直到19世纪上半叶,人类发明了水轮机,把水的势能转化成水轮机的动能,再借水轮机的动力,推动发电机工作,人类对水力资源的利用才有了质的飞跃。

1.高峡出平湖的技术典范

早在胡佛大坝修建前半个世纪,人类就开始利用水力发电了。你知道人类最早的水电站都建在哪吗?瀑布附近。因为要想大规模利用水发电,水一要有落差,二要有流量。瀑布天然就有落差,所以刚开始,美国跟加拿大这两个水力发电大国,水电站都是建在瀑布底下的。

在胡佛大坝修建之前,全世界最大的水力发电工程,在尼亚加拉瀑布。但如果只靠瀑布,人类能建的水电站规模和数量就太有限了。胡佛水电站是个典型,摆脱了天然瀑布的限制,用一个水泥大坝截流,人工提高水位,形成巨大的势能。

这句话说起来容易,但在二十世纪初的技术条件下,胡佛大坝的混凝土浇筑量为300多万立方米,工程量极大。胡佛大坝创造性地发展了大体积混凝土筑坝技术,有些技术一直沿用到今天。

从拉斯维加斯出发,向东南走大约四十公里,就是胡佛大坝。胡佛大坝拦住的,是以狂野著称的科罗拉多河。它从落基山脉奔腾而下,开山劈道,仿佛把地表撕开了一道口子。

胡佛大坝|技术驱动的能源工程_1

但是今天你站在胡佛大坝上,科罗拉多河的狂野不见了。以大坝为界,一边是平静的米德大湖,这是西半球最大的人工湖。另一半,如果你从空中俯瞰,是一只巨型的混凝土扇贝,只不过,这只贝壳高达220米,生生嵌入深谷里。这个高度比今天中国的三峡大坝还高20%。

水坝两边,水位落差达到150米左右,这不是天然的瀑布,而是人类的杰作。


胡佛大坝|技术驱动的能源工程_2

现在,和我一起坐电梯来到153米的地下,胡佛大坝最核心的地方,发电厂房。

在这里,你可以看到17台直径有10多米的巨型涡轮机,它们排成一排,昼夜不停地发出嗡嗡巨响。驱动这些大家伙旋转的动力,就是被胡佛大坝拦住的科罗拉多河水。一条条粗大的管道,把河水源源不断地导向这里,在河水的猛烈冲击下,涡轮不停旋转,一刻不停地向外输送电流。

这17台发电机组每年输送大约40亿千瓦时的电能。这么大的数字你可能没概念,在当时,这一座大坝的供电量,可以满足美国太平洋沿岸的西南部大部分地区。

而且如果你今天去过拉斯维加斯,我可以告诉你,这座城市的流光溢彩也是胡佛大坝点亮的。直到2015年,胡佛大坝发的电,还供得住美国西南部三个人口稠密的州的生产和生活。

2.克服两个工程难点

在1930年代,胡佛大坝是当时世界第一高坝,比当时第二大坝(西雅图的魔鬼大坝)高出近一倍。理解我开头所说的水力发电的原理,你就明白,之所以要把大坝修这么高,当然是为了尽可能地提高上游水位,增加蓄水量。

虽然大坝以当时的美国总统胡佛的名字命名,但我要请你记住首席工程师弗兰克的名字。

要知道,科罗拉多河曾经是美国最深、水流最湍急的河流,工程难度非常大。

这个大坝的工程难度主要是两个,一个是驯服狂野的科罗拉多河水,另一个是短时间内浇筑好大坝的混凝土。

主持修过6座大坝的弗兰克,这一次想尽了办法。首先,他设计了要在山崖里开出四条直径十几米,全长6公里的隧道,把科罗拉多河的河水引开,绕过灌注混凝土大坝的位置。这你好理解,因为人没法在有水的河床里浇混凝土。

隧道开凿非常艰难,工人的高强度作业,加上当时最先进的巨型钻孔机,最后仍然有一百多名工人因为各种事故失去了生命。今天大坝上还能看到为他们造的纪念碑。

终于到1932年11月13日,被分流的河水第一次冲入隧道。不到24个小时,狂野的科罗拉多河,乖乖地驯服了,分流隧道工程成功了,还比预期提前了一年。原先的主河床抽干就可以浇筑水泥了。

弗兰克创造的第二个奇迹是在不到两年的时间内,完成混凝土浇筑工程。注意两年这个时间,你大概不知道,混凝土的浇筑过程是会产生热量的,胡佛大坝至少耗费了300多万立方米的混凝土,如果按当时传统的方法整体浇筑,125年才能完成散热。

没有足够的冷却时间,混凝土温度过高,就会出现裂缝,要么导致整个结构坍塌,要么留下极大的安全隐患。

那弗兰克是怎么把混凝土浇筑工程缩短到2年时间的呢?首先为了加快冷却进程,大型制冷厂利用管道把冰水抽到了新鲜水泥中,这也是后来很多大体积混凝土工程沿用的预埋冷却水管的技术。

但是对弗兰克来说,这个速度还是不够快。他最经典的创意,是发明了“柱状分块浇筑法”。简单说,就是坝体分解成230个垂直的水泥柱分开浇筑,大家各自散热,这大大缩短了冷却时间。

胡佛大坝开创的这种大体积混凝土筑坝技术,相当于打开了大规模开发水电的闸门。如果没有胡佛大坝做先行者,后来埃及的阿斯旺大坝、巴西的伊泰普大坝,还有中国的三峡大坝不知道还要摸索多久。甚至,中国二滩水电站的大坝,从外形看简直就是胡佛大坝的翻版。

所以,1935年,在竣工仪式上,罗斯福总统对着大坝说了一句话:“我来,我见,我服了”。这是我看到的,对凯撒的那句“我来,我见,我征服”最好的改编。

所以,在某种意义上,胡佛大坝就是“大坝之母”。但故事讲到这里还没完,胡佛大坝带来的最大惊喜,是给人类带来了巨大信心:

一、胡佛大坝的装机容量,是当时最大规模的火电场的5倍,有力支持了美国西部大开发。甚至有人说,胡佛大坝还帮美国打赢了二战,因为制造战斗机的铝,制作原子弹的钚,生产过程都需要大量电力。而这些工厂很多集中在美国西部,主要由胡佛大坝供电。

二、有了大坝这个调节阀,丰水期蓄水,避免下游发生洪涝灾害;枯水期放水,还能缓解下游的干旱。从文明发展的角度来看,人类继驯服植物、动物之后,对自然的控制能力进一步增强了。

3.从水电站到核电站

胡佛大坝之后,数以万计的巨型混凝土楔子,被嵌入地表。上世纪40年代,美国电力供应,水电一度占到40%,西北部地区75%的电力都要靠水电。

但有个奇怪的现象,美国水电开发到20世纪70年代达到高峰,80年代突然下滑,占比不断下降。有人说是因为各地在环保压力下兴起“拆坝运动”,真相是这样吗?

我看过一组权威资料,里面仔细考证了美国拆掉的各种水坝,结果发现,其中绝大多数都是年久失修的废坝、弃坝,它们压根就不能发电,至于那些重要的水坝,一座都没拆。

水电比重持续下滑的原因是什么呢?其实是竞品的出现,其中最大的竞品就是核电。

说起来有点戏剧性,公众认识到核能的力量,最初是通过原子弹,但几乎与此同时,这种破坏性力量也被人类驯服了。上世纪四五十年代就出现了核电厂,之后核电比重不断增加,到七八十年代,全球核电大发展,水坝比例就下降了。

现在,核电在美国电力占比高达20%,在法国这个数字甚至超过70%。所以,美国水电占比,从高峰期的40%下降到最近的个位数。

从电气革命之后,人类不断尝试把各种自然资源,转化为可以利用的能源。风能、太阳能、潮汐能、地热能,通通进入人类的能源结构,占比也在不断增加。能源大概率不会枯竭,因为人类总能找到新的能源,推动文明列车向前跑。

来源:融创新能源

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 发表于2019-09-05   |  只看该作者      

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