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中国核电产业国产化发展分析

2020-07-06 14:33  来源:科技和产业    核电  中国核电  核电机组  核能发电  核能利用  核电设备  核工业

自第一座军用堆的建成到2019年7月三代核电机组再次获批建设,我国核电经历了长期的发展,进入了核电重启时期。主要简述了不同发展阶段的核电技术路线,核电设备国产化率,以及相关的发展规划。


摘要:自第一座军用堆的建成到2019年7月三代核电机组再次获批建设,我国核电经历了长期的发展,进入了核电重启时期。主要简述了不同发展阶段的核电技术路线,核电设备国产化率,以及相关的发展规划。我国核电产业的发展, 是核电产业和制造业的奋斗史。核电设备的国产化率在有限的核电项目中不断提高。面对核电国产化过程中遇到的 技术难点,我国核电从设计院到制造商共同承担风险,突破困境,实现了三代技术的国产化。在更先进的核电技术需求 背景下,核电产业需要建立可持续发展的先进产业设备制造供应管体系。

关键词:核电发展历程;国产化率;产业协同体系;先进核电技术;可持续发展

红沿河核电站

红沿河核电站一期3、4号常规岛建筑安装工程

984 年至今中国大陆核电经历了四次建设热潮,分 别在 1985 年-1990 年,1997 年 -2002 年, 2006年-2011年,2012年开始至今。截至2019年7月,全国目前投入商业运行的核电机组共计45台,装机容量4590万千瓦;在建的核电机组共计11 台,装机容量1218万千瓦;筹备中的核电机组共计15 台,装机容量1660 万千瓦。全国累计投运核电机组达45台。[1]

目前我国在运的45 台核电机组在技术层面,有40个属于“二代”或者“二代+”,5个属于“三代”技术分别为海阳1号、2号 AP1000机组,三门核电1号、2号 AP1000机组,台山1 号 EPR-1750 机组;在建的11台机组中,5台属于“第三代”技术,包括4 台华龙一号、1台 EPR 机组,5 台“二代+ ”机组,以及一台 “四代”技术高温气冷堆。而今后新建的机组将全部采用“第三代”技术,我国核电已经实现了由“二代”向 “三代”的技术跨越。

在长期的核电项目建设过程中,我国核电产业不断推进国产化工作,形成了成套供应核电设备的完整核电产业链。大型铸锻件、核岛大型主设备、常规岛设备、核级泵阀、控制系统等绝大多数已经实现国产化研制。通过重大专项的实施、工程设计经验的实践及积累,我国三代核电综合国产化率[2]从2008 年依托项目的30%提高到85%以上。

核电设备的国产化之路,推动了国家核电制造业的升级,推动了核电相关企业的发展。中国核电设备的制造工艺与不断提高的核电技术一起成长,不断突破技术难关,从追赶者向领跑者的角色转换。

1 中国核工业发展历程

1.1 自主研发与引进技术起步阶段

相比于美国用了12 年、前苏联2 年、英国6 年、法国8 年,我国第一座军用堆1966 年10 月启动,至第一座秦山核电站1991 年12 月15 日首次并网,共经历了25年。中国核电站的发展起步不晚,但是依靠自身实力发展核电的速度缓慢。[3]

秦山一期[4]采用自主设计的 CNP300 二代核电技术,从1985 年开工建设到1991 年投产,标志着大陆无核电站历史的终结。中国成为世界上为数不多 的能够自主设计建造的核电站的国家。秦山核电一期综合国产化率高于70%,其中除反应堆压力容器由三菱重工提供,大型主设备如汽轮机、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒组件均由上海电气供货,实现国产 化制造。

广东大亚湾核电站引进法国 M310 二代核电技术,遵循“以我为主,中外合作”的方针,实现了我国大陆大型商用核电站的起步,为我国核电事业发展奠定基础,同时为广东和香港的发展作出了贡献。大亚湾核电采用合资经营的方式,打破了国家重大项目由国家投资的模式,尝试了“借贷建设、售电还钱”[5]的全新模式,成就了“零资本裂变”的奇迹。

我国在核电发展的初始阶段(1966—1994 年)缺少清晰明确的核电发展路线,最初将核电定义为除火电、水电外的第三个可靠稳定能源支柱。后来将核电又定义为火电和水电能源的补充能源,直到1990 年后,将“以我为主,掌握核心技术”作为发展重点。[6]这个时期核电建设规模小,虽然我国已掌握30 万千瓦时自主设计建造技术,但是相对于大型商用核电站, 发电功率在百万千万时以上的技术匮乏,无法满足经 济发展的需要。

1.2 适度小批量发展核电阶段

“九五”计划期间共开工4 项重点核电建设工程,8 个机组,其中秦山二期项目两台机组采用自主知识产权的 CNP650 技术,岭澳一期两台机组首次采用自主创新、探索研发形成的百万千瓦级核电技术路线 CPR1000。 秦山三期核电站,采 用加拿大

CANDU 重水技术,是我国首座商用重水堆核电站工程。田湾一期两个机组采用了俄罗斯 AES-91(VVER-1000)二代技术,是两国间迄今最大的技术经济合作项目。

1996年我国第一座自主设计、自主建造、自主管理、自主运营的2×65万千瓦商用压水堆核电站秦山核电二期[7]的建设,大幅提升了我国核电设备制造的能力。在55项关键设备中,有47项基本实现了国产化,设备国产化率达到了55%。

岭澳项目作为中广核集团(简称中广核)成立以 来第一个核电项目,坚持“以核养核,滚动发展”方针, 实现了部分设计自主化和部分设备制造国产化,整体国产化率达到30%,国内180 余家企业参与了工程建设和设备制造。岭澳核电设备国产化是实现中广 核核电国产化分阶段的第一步。我国在核电建设上 坚持“以我为主,中外合作”,重点实现核电国产化工 作,核电设备国产化正是核电国产化目标之一。田湾 核电和秦山核电虽然引进国外技术,但是在前期经过 快速消化,两 个项目的综合国产化率分别达到了70%和50%。

经过“九五”重点工程的建设,我国具备了自主设计30万千瓦和60万千瓦压水堆核电站的能力,以及具备“以我为主、中外合作”设计建设百万千瓦级压水堆商用核电站的能力,但是不具备独立设计、制造百万千瓦级先进压水堆的能力。1994 年至2005 年阶段,为小批量化发展核电阶段[6,8],核电目前不具备商业化发展条件,经济性不如煤电。 1.3 核电快速发展阶段随着中国经济的发展,传统火电、水电能源已经无法满足日益增长的能源需求。核电作为高效、清 洁、稳定的非常规能源,能够为中国能源的发展提供 持续支持,填补能源缺口。《核电中长期发展规划》(2005-2020 年),明确核电运行装机容量将由目前的700 万千瓦争取提高到2020 年的4000 万千瓦,为实现上述目标,在未来10年中,我国每年要开工建设3台以上核电机组。我国核电发展正式从“小批量、适度发展”进入“积极发展核电”阶段[4],坚持“以我为主,中外合作”的方针,遵循“统一堆型”、“统一思 想”、“统一组织”、“统一行动”,以政府主导型原则,尽 快实现核电国产化。

2006年至2011 年间,共有30 个核电机组陆续投入建设。中国核工业集团有限公司(简称中核)建设的项目,除采用自主研发的 CNP650 技术外,进行吸收、消化、创新,形成 M310 改,实现了百万千瓦机组的突破。中核项目 CNP/M310(改)综合国产化率如图1,国产化率依托项目不断提高,其中秦山二期3/4、昌江1/2 机组采用 CNP650 技术。中广核在大亚湾引进 M310核电技术后,结合自身的经验,自主创新,研 发了中国改进型百万千瓦级压水堆技术CPR1000。中广核 CPR1000项目综合国产化率如图 2,从建设初期大亚 湾的不到 1%,到 岭澳一期的30%,中广核依托 CPR1000项目,不断推进国产化工作,防城港二期国产化率已达85%。

在吸收创新引进的 M310 二代技术的同时,我国也在积极引进三代核电技术 EPR 和 AP1000。中广核引进欧洲EPR 技术在台山核电应用,中核和国电投在浙江三门、山东海阳核电站采用 AP1000技术,国产化在三门1号机组只有30%,在三门2号机组以及海阳项目中提升至62%,三代核电国产化率进一步提高。

图1 中核项目 CNP/M310(改)综合国产化率



图2  中广核 CPR1000项目综合国产化率

1.4 核电重启道路

2011年5月11日,日本福岛核电站地震发生了核泄漏,促使世界各国对核电发展策略做出调整。中国从快速发展核电阶段,进入安全高效可持续发展核的新时期。2012年5月,《核安全与防辐射污染防治“十二五”规划及20120 年远景目标》[9]中提出,要提高我国核安全与放射性污染防治手段,推动核能利用事业安全、健康、可持续发展。

2012年10月,国务院发布《核电中长期发展规号机组 HPR1000。2016 年 《电 力发展 “十 三五规划”》[12],指出要坚持安全发展核电,加大自主核电示范工程建设力度、着力打造核心竞争力,加快沿海核电项目建设。2015 年至2019 年三年内无核电项目获批,直到国家能源局2019 年7 月25 日会议上,核准山东荣成 CAP1400、福建漳州 HPR1000、广东太平岭 HPR1000 项目开工。此次新建机组均采用自主研发的三代核电技术,中国核电已经走向正式重启道路,发展自己的核技术、共同研发形成了一条完整的三代核电工业供应链体系。

华龙一号是由中核在CNP1000基础上自主研发的 ACP1000 和中广核在 ACPR1000 三代压水堆技术上按照最新法规标准完善形成的 ACPR1000+,在2013年进行融合,联合开发而形成的。目前华龙一号(HPR1000)全球首个示范项目福清核电5 号机组国产化率达85%。

自2006年引进 AP1000技术后,依托项目建设,国家重点专项等累积的经验,在 福岛核电事故后,CAP1000 标准设计完成,实现了关键设备自主化。

划(2011-2020)》[10]明确规定至2015 年,在运机组在2014年底,在突破大型先进非能动压水堆关键设达4000万千瓦、在建机组容量达2000万千瓦,2020年在运机组5800万千瓦、在建3000 万千瓦的建设目标。11年后我国核电项目审批陷入停滞,国务院提出要对核设备、所有在建项目进行安全审查,仅田湾二期 CNP1000项目在2012年12月获批。

2014年1月,国家能源局发布《2014年能源工程指导意见》[11],指出要安全高效发展核电,明确将适时重启核电重点项目审批。2015 年3 月10 日,国家发改委发布文件,确定中广核红沿河核电二期项目两台百万千瓦核电机组获批准,也是4年来我国真正意义上新批的核电项目。2015 年12 月国务院常务会议核准了田湾5、6号 CNP1000 项目以及防城港3、4计技术、关键设备和制造技术、重大试验验证技术后, 国家核电完成了具备自主知识产权的三代核电国家品牌 CAP1400 研制工作。三代核电自主化型号“国和一号”(CAP1400)设备研制基本完成,示范工程设备国产化率达85%以上。[13]



图3 核电产业链

 国产化遇到的问题

2.1 设备国产化现状

我国核电事业经过长期的发展,已经形成了完整的成套核电产业链,如图3。核电产业中处于上游的企业有铸锻件、有色金属、核原料等原材料和零部件厂商;核岛、常规岛、辅助厂房设备三个领域的制造企业在核电产业中位于中游;核电站的设计、建设及运营商处于核电产业的下游位置。

我国二代核电技术国产化率从大亚湾不到1%, 提升到防城港二期85% 以上。引进的 AP1000 技术从三门一号机组的30%提升到了72%。我国自主设计研发的华龙一号、国和一号示范工程国产化率都在85%以上,并且在后续依托项目批量化建设,能够将国产化率提高到90%以上。

目前核电制造业形成了上海电气、东方电气、哈 尔滨电气三大常规岛、核岛设备大型制造基地。国内 大量原材料制造厂成为核电原材料备选的供应商。三代核电产业竞争体系呈现出国有大中型企业为主, 民营企业在细分领域竞争的格局。在原材料和零件自主化研发方面,蒸汽发生器用 U 形管、核岛设备用焊接材料、密封件等都取得重大突破。在大型材料和 设备制造研制方面,大型铸锻件、核岛大型主设备、常 规岛设备、核级泵阀、控制系统等绝大多数已经实现国产化研制。

2.2 国产化过程中遇到的问题

2.2.1 采购设备多样化

业主在工 程 项目 管理 上 存 在不同的合同方式[14-15],按照合同范围通常分为三大类:即交钥匙/总承包方式、少合同/分岛方式和多合同散件方式。不同的合同方式将极大程度上影响技术转让与经验反馈的获得和国产化计划的执行。设备采购模式可按合同不同的方式分为少合同/分岛方式中的成套采购模式,多合同/散件方式中的部件采购模式,成套采 购与部件采购结合的模式、委托专业公司采购模式。

在我国引进商业核电厂技术前期阶段,业主主要选择整岛采购方式如岭澳项目[16]。核岛、常规岛的设备分别由法国法马通公司、英国通用电气/阿尔斯通公司成套供应。电站配套设施(BOP)被分成若干合同包,由业主在工程服务承包商的技术支持下自行分包采购。大量设备采购由于采购方式不同,国外设备采购公司倾向于国外的核电设备制造商。

其次,核电项目各系统的设备约有48000 多套件,其中机械设备约6000套件,电器设备5000多套件,仪器仪表25000 余套件,总重约6.7 万吨。如此庞大的设备数量,技术路线的差异,导致核电设备的要求不同。要针对不同的设计标准,不同设计要求, 设备开展国产化工作阻力极大。并且在建设初期的供货商都是国外为主,国内没有消化能力。

2.2.2 国内核电设备竞争力不足

核电国外设备供应商运行业绩多,出于核安全考虑,运行业绩是很大的考量供应商的标准。国内核电116工程,优先用有核电业绩的国外设备供应商,在引进 技术初期,选择技术引进方提供的供应商,同时占领 了国内核电业绩。另一方面,国内发展核电起步晚, 国内制造商运行业绩少、产能低,产品停留在多品种 小批量的生产模式上。面对不断审批建设的核电项目,核电设备制造业面临着全面国产化的挑战。[17]

在一些关键工艺、关键技术、关键材料国外存在技术垄断,国内对这些技术研发周期长,国内制造能力和技术处于成长阶段。国外技术相对成熟,在没有达到技术标准的情况下,只能依靠进口。这些高技术含量关键工艺、技术材料,是核电设备技术消化的重点,在有限的项目中,不断磨炼高技术含量的设备制造能力,对于国内设备制造商来说是个挑战。

2.2.3 国产化工作需要多方力量支撑

国产化工作的开展,需要核电产业各部门共同承 担风险,单靠个别的企业推进国产化工作是不切实际的。核电产业作为一个重大装配生态链,上游材料零 件生产商、中游设备制造商、下游核电站的设计、建设 及运营商之间的合作对于中国核电国产化工作的推进至关重要。关键重大设备完全从国外进口,无法满 足国内建设核电的需要。在国产化攻坚工作中,重大 设备的研制周期直接决定整个核电项目的建设进度。目前采用的是将引进的国外先进技术同国内国产化力量结合起来,集中突破关键设备国产化工作。国产 化工作在研发和推广阶段,离不开政府的协调和组 织,用户单位的支持参与。国产化工作在实践阶段, 需要依托有限的项目建设,不断验证国产化各部门协 同工作能力,检验核电产业国产化的有效性程度。核 电关键设备大多数是单台小批量设备,研发制造周期 长,对于我国核电设备制造业的生产能力也是一个巨大的考验。对于重大设备的制造过程,需要各部门把 关设备生产的每一个阶段,对于部门质量管理能力也 是一个重大的考验。我国核电产业在推进国产化工 作中承担风险的同时,也在推进各装备制造业升级 突破。

3 核电国产化必由之路

3.1 提高核电竞争力的重要途径

核电国产化的战略,是我国发展核电产业中必须选择的途径。在国产化战略的影响下,核电设备制造商不断提高产能,降低设备制造成本,具备成套供货能力,才能在全球竞争的大环境下,提高竞争力。核电设备国产化不单单是为了降低设备造价,还有发展我国核工业供应链的效应。核电产业链是一个极其庞大的系统,国产化战略,有利于提高国家核工业技术水平。我国核电引进的核电技术从二代到三代核电,为了满足更高要求的技术要求,我国核电制造商从引进技术到创新不断攻坚、突破,核工业供应链不断完善。立足于国产化,将会驱动核电产业升级。

高品质的产业协同体系是在国产化合作中催生而形成的体系。高效的核电设备产业联盟、产业基地的发展,有利于推动技术革新,是核电技术不断进步创新的源动力。核电设备制造安全质量要求高,需要严格的质量保证体系。依托核电项目,核电设备制造商,学习国外先进管理方式,形成符合核电体系的管理系统,形成成熟的生产工艺,确保产品性能的稳定性。核电设备国产化,将对制造商原材料、零部件等备件库存管理提出更高的要求。如何形成高效、标准化、模块化、专业化的核电体系,对我国核电事业的后期发展至关重要。核电产业未来能否结合先进数字化制造技术,将所有核电设备进行全生命周期的从设计到生产制造的数据管理。 3.2 先进核电技术设备的需求当我国没有需求制造技术能力时,国外企业和政府会提出不合理要求,并且可能拒绝开放出口,限制出口核电技术。由于没有相关技术研发或未达到国产化要求,导致我们在政治方面、市场方面是处于弱势,业主只能选择国外供应商。在协商过程中,存在增加采购周期,提高采购成本,拖延工期的风险。

即使是国外供应商,没有足够的三代核电机组设备制造经验,无法到达关键设备的技术要求。西屋公 司首次制造的主泵,原来的屏蔽泵设计软件或许根本不能涵盖 AP1000 大功率、高流量的屏蔽主泵设计。在国家大型核电压水堆重大专项的支持下,沈鼓核电和哈电动装在引进、消化、吸收 AP1000 屏蔽电机主泵基础商,开展了多项关键制造技术的国产化攻坚, 为后续 CAP 系列电站主泵国产化供货提高保障。[13]

对于核电技术的研发,我国已经从引进技术的初期阶段走向核电创新的领航者,先进核电技术的研发 设计,都将是以项目为依托,而是否具备设备国产化 能力,直接影响着未来先进核电设备批量化建设。将 核心关键设备的制造技术掌握在手中,不受制于国外 供应商、变化不定的国际形势,提高国内核电供应链 的先进性和稳定性,才能为后续要求更高的核电技术 路线的设备制造铺平道路。只有掌握先进制造技术, 开发符合标准的国内供应商,才能降低采购风险。3.3 国产化是核电走出去的前提《核电 中长期发展规划 (2005—2020 年)》提 出“积极推进核电建设,统一发展技术路线,坚持以我为主,形成批量化建设中国品牌先进核电站的综合能 力,提高核电所占比重”的目标,是对于核电走出去策 略的布局。中国火电依托“一带一路”走出去的主要 基础,是火电产业充足完整的国产化设备供货能力。在核电工程中设备占总投资的50% 左右,核电设备国产化制造将对降低工程造价产生至关重要的作用。核电走出去[12]的前提是,拥有一条完整的核电设备供应链,具备充足的设备成套供货能力。目前国内核 电设备产业链不断国产化升级,为核电工程建设提供 坚实基础。国内需要形成一条较为完整的自主化核 电工业体系,形成核电标准化体系,将中国核电品牌 打上国家舞台。而标准化体系的建立基础是基于强 大的设备制造能力,为海外市场成套供货提供重要 保障。

4 结 论

1)核电发展初期多技术路线、设备类型多,核电发展初期阶段国产化推动比较缓慢,由于核电设备国产化很大程度上依托于项目的建设,初级建设的核电站主要是以引进、消化国外先进二代技术为目标,核电设备国产化的诉求不强烈。其中大亚湾核电站M310 机组的国产化率不到 1%,中 国自主设计的CNP300技术国产化率70%,核电发展尚未具备商业化条件。

2)核电发展步入小批量发展和快速发展阶段后, 核电发展依托项目的建设,M310 技术依托中广核的项目设备国产化率不断提高,并且对 M310 技术进行再创新,形成 CPR1000二代加技术,核电设备国产化率从1% 提升到防城港二期的85% 以上。我国核电产业在核电项目的建设中不断成长,已经逐渐形成了 二代核电设备产业体系,并且积极引入先进三代核电 技术。

3)我国设计自主的核电技术路线华龙一号、国和一号设备国产化率高达85%。三代核电产业体系的建立,离不开政府、业主、设计院、设备制造商等协同合作,形成三代核电技术产业联盟,促进三代核电设备的研发制造。我国实现三代核电机组首堆的运行业绩,离不开核电产业中各方的努力推进。国产化核电设备在其中扮演重要角色。

4)对于未来先进核电技术、新堆型的要求,我国的核电产业面临的不仅是更高难度的核电技术要求带来的挑战,更需要形成高效、标准化、模块化、数字化的生产运营体系,对核电设备进行全生命周期的管理。先进的核电设备管理体系是实现核电产业可持续发展的必由之路。

参考文献

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杨已颢,刘建全,徐佩佩,赵柏阳

(上海电力大学 能源与机械工程学院,上海 200090)



图为技术

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