中国电力锻造大国重器

2022-06-30 10:10  来源:中国电力新闻网    华龙一号  国和一号  高温气冷堆  核电设备  三代核电  四代核电

我国核电企业和装备制造企业围绕三代压水堆和四代高温气冷堆技术,打造了三代核电技术“华龙一号”“国和一号”和全球首个第四代核电高温气冷堆,核电技术装备进入世界先进行列。


以国家电网、南方电网为代表的电网企业,以中核、华能、大唐、华电、国家电投、中国三峡、国家能源、中广核等为代表的发电企业,以哈尔滨电气、上海电气、东方电气、中国电气装备、中国一重、国机集团等为代表的电力装备制造企业,团结协作、攻坚克难,自力更生、自主创新,用电力装备的研发制造支撑了我国电力工业的高质量发展和电力科技的进步,在我国从电力大国跻身电力强国的征程中,齐心合力、共同奋斗,打造了一个又一个国之重器。

回望21世纪走过的征程,我国电力工业和电力装备制造业的干部职工不负党和人民重托,奉献出了高效的二次再热超超临界燃煤发电机组、全球单机容量最大的百万千瓦水轮发电机组、“华龙一号”“国和一号”三代核电机组和全球首个第四代核电高温气冷堆、特高压交流和直流输电成套设备等多项国之重器,实现了我国高端装备制造的重大突破。为贯彻落实党中央实现碳达峰碳中和的重大战略决策,加快构建清洁低碳安全高效能源体系,促进经济社会发展全面绿色转型,电力装备工作者贡献出了自己的才智和汗水!

一、超超临界燃煤发电机组世界领先

我国电力装备制造企业,形成了百万千瓦二次再热高效超超临界机组自主研发、设计、制造技术体系,大幅提高了中国电力装备与技术的自主创新能力和核心竞争力。

2002至2006年,由发电企业牵头,采用产学研相结合的方式,与电力装备制造企业和设计研究院所、高校等23个单位联合攻关,完成了国家“十五”高技术研究发展计划(863计划)项目——“超超临界燃煤发电技术的研发和应用”。项目研究首次提出了我国发展超超临界火电机组的技术选型方案,完成了3种不同型式的100万千瓦超超临界锅炉、汽轮机的设计开发,制造软件包研制和材料加工性能研究;完成了全套超超临界电站设计和运行技术的研究,形成了我国完整的超超临界电站设计和制造体系。项目的依托工程浙江玉环电厂,共建设4台国产100万千瓦超超临界机组。1号、2号机组相继在2006年11月、12月投运,2台机组2007年实际供电煤耗282.6克/千瓦时,比2006年全国平均供电煤耗低22.6%。2007年11月,3号、4号机组投产。玉环电厂是超超临界机组制造与建设的首个国产化工程,标志着中国已成功掌握超超临界火力发电技术。2008年1月,“超超临界燃煤发电技术的研发和应用”获得2007年度国家科学技术进步奖一等奖。

实现超超临界燃煤发电技术的研发和应用后,我国开始探索研制超超临界二次再热机组。2011年10月至2016年10月,发电企业、设计院与电力装备企业三方联手,成功实施了“十二五”国家科技支撑计划项目——“高效率低排放的超600℃百万千瓦等级超超临界机组关键技术研究与工程应用”。我国依靠自主设计、自主制造、自主建设、自主运行,形成了完整的新一代高参数、大容量二次再热发电成套技术体系,覆盖规划、研发、设计、制造、施工、调试、运行、维护各环节,并具有完全自主知识产权。2015年9月,项目示范工程泰州电厂3号机组投运,这是世界首台百万千瓦级超超临界二次再热燃煤发电机组。示范工程大幅提升了节能减排水平,发电煤耗256.2克∕千瓦时,比当时世界最好水平低6克/千瓦时,比常规百万机组低14克/千瓦时,二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放量减少5%以上。中国拥有了世界最先进的燃煤发电设备研发和制造技术。

我国电力装备企业继续发力,研制出了更高水平燃煤机组。2020年12月,安徽淮北平山电厂3号机组并网发电,这是世界首台135万千瓦二次再热超超临界机组。该机组采用高低位机双轴布置技术及一系列具有自主知识产权的节能减排创新技术,设计供电煤耗为251克/千瓦时,成为全球最节能的新型高效洁净低碳燃煤发电设备。电力装备企业立足我国能源资源禀赋,用自己制造的先进燃煤机组推进煤电节能降碳,把实现“双碳”目标落到了实处。

二、百万千瓦水电机组实现我国高端装备制造重大突破

中国装备制造企业与发电企业紧密合作,掌握了具有领先水平的全空冷水轮发电机技术,制造出具有完全自主知识产权的100万千瓦全空冷水轮发电机组,占据了世界水电设备制造的制高点。

依靠引进技术成功研制出三峡右岸电站70万千瓦水轮发电机组后,国内制造厂家开始与国际知名的电力装备制造商同场竞技,先后获得了溪洛渡水电站77万千瓦和向家坝80万千瓦水轮发电机组制造合同。2013年,国产溪洛渡77万千瓦机组及向家坝80万千瓦机组相继投入商业运行,机组各项指标优异。向家坝机组是当时世界上已投运的单机容量最大的国产全空冷水轮发电机组,采用了先进设计技术和手段并有所创新。这是自主设计制造单机容量尺寸超大型水轮发电机组的又一次重大提升,是中国水电装备研制从“跟跑”“并跑”到“领跑”的关键转折点。

2008至2012年,国内装备制造企业牵头组成项目团队,完成了“十一五”国家科技支撑计划项目——“1000兆瓦水力发电机组研究”。项目承担单位采用产学研合作模式,与国内科研设计院所和高校合作,以金沙江白鹤滩和乌东德2座水电站的开发为依托,深入开展100万千瓦混流式水轮发电机组的设计、制造关键技术研究,在水轮机水力设计和稳定研究、发电机通风冷却、电磁设计、大负荷推力轴承、绝缘技术及制造工艺、机组参数选择及结构优化、新材料和新工艺等方面,掌握了具有自主知识产权的关键核心技术,为我国100万千瓦水轮发电机组的设计制造提供了技术保障。

2015年,通过国际招标,国内电力装备企业获得白鹤滩水电站16台100万千瓦水轮发电机组全部制造合同,百万千瓦水电机组正式进入工程化研制阶段。这是世界上单机容量最大的水轮发电机组,发电机采用全空冷技术,水轮机不设置进水阀门。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,电力装备企业进行了专项研究和试验,攻克了产品研发、设计、制造各环节多项世界难题,先后制造出世界首台百万千瓦水轮发电机组精品座环、导水机构、长短叶片转轮等重要部件。

2017年8月,金沙江白鹤滩水电站开工。2021年6月28日,首批2台机组投产发电。白鹤滩水电站是实施“西电东送”的国家重大工程,是当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程。全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组,实现了我国高端装备制造的重大突破。

三、“三代”“四代”核电进入世界前列

我国核电企业和装备制造企业围绕三代压水堆和四代高温气冷堆技术,打造了三代核电技术“华龙一号”“国和一号”和全球首个第四代核电高温气冷堆,核电技术装备进入世界先进行列。

“华龙一号”(HPR1000)是第三代百万千瓦级压水堆核电技术,总结和传承了中国30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验,汲取福岛核事故经验,按照最新安全要求研发,安全指标和技术性能达到国际三代核电技术标准。“华龙一号”采用“能动与非能动”相结合的先进安全设计理念,全面平衡贯彻纵深防御设计原则,设置了完善的严重安全事故预防和缓解措施,以“177组燃料组件堆芯”“单堆布置”“双层安全壳”为主要技术特征,具有完整自主知识产权体系,完全覆盖设计、燃料、装备、制造、运行、维护等各环节。2015年5月,“华龙一号”示范工程全球首堆——福建福清核电5号机组开工建设;“华龙一号”示范工程的其他3个机组——福清核电6号机组和广西防城港核电3号机组4号机组,也相继在2015年到2016年开工。2021年1月,福清核电5号机组投入商业运行;5月,“华龙一号”海外首堆——巴基斯坦卡拉奇核电2号机组投入商业运行;2022年1月,福清核电6号机组并网,成为全球第3台“华龙一号”并网发电机组。“华龙一号”示范工程所有核心设备均实现国产,设备国产率达到88%以上。作为我国核电走向世界的“国家名片”,“华龙一号”成为核电市场上接受度最高的三代核电机型之一。

2020年9月,我国具有完全自主知识产权的三代核电技术“国和一号”(CAP1400)完成研发。“国和一号”是核电企业落实三代核电自主化发展战略,在引进消化吸收三代核电技术AP1000的基础上,依托《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》中的“大型先进压水堆核电站”重大专项,通过再创新形成的大型先进非能动压水堆核电型号,具有完全自主知识产权。“国和一号”可靠性高,发生极端事件后,堆芯冷却系统可借助重力、压缩气体、自然循环以及对流等驱动力带走堆芯余热,防止堆芯融化,实现冷却,事故条件下72小时不需人员干预和场外支援。“国和一号”打破了多项技术垄断,主泵、爆破阀、压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机构、大锻件、核级焊材、690U型管等关键设备、关键材料全部实现自主化设计和国产化制造,设备整体国产化率达到90%以上。2019年3月,“国和一号”示范工程在山东荣成开工建设,规划建设2台150万千瓦级CAP1400压水堆核电机组,是我国自主设计的最大功率的核电机组。

2021年年底,山东石岛湾高温气冷堆核电示范工程1号堆并网发电,这是全球首座具有第四代先进核能系统特征的20万千瓦级模块式球床高温气冷堆核电站。示范工程首次并网发电,标志着高温气冷堆在中国实现了从“实验室”到“工程应用”的飞跃。高温气冷堆最突出的特点是“固有安全性”,在丧失所有冷却能力的情况下,不采取任何人为和机器的干预,依靠材料本身的能力,就能够确保反应堆不会熔毁,放射性物质不会大量外泄。示范工程以企业为创新主体,在清华大学建成运行的10兆瓦高温气冷实验堆基础上,依托《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》中的“高温气冷堆核电站”重大专项,走产学研相结合的科技创新之路,依靠自主设计、建造、调试和运营,建成了采用第四代技术的核电站。示范工程攻克多项“卡脖子”关键核心技术,设备国产化率达到93.4%,成功研制出2200多套世界首台套设备:世界上最大最重的核电压力容器,最大薄壁型金属堆内构件,首台采用电磁轴承结构的主氦风机,首台应用于模块式高温气冷堆的螺旋管式直流蒸汽发生器,首次应用于工程实践的燃料装卸系统,首条高温气冷堆球形燃料元件技术工业化生产线。项目初步搭建起我国自主创新的第四代高温气冷堆核电标准体系和知识产权保护体系,在第四代核电技术领域抢占了世界“高地”。

四、特高压输电推动世界电网技术发展

我国电网企业在国家科技支撑计划、国家“973”计划、国家自然科学基金的支持下,联合输变电设备制造企业与科研设计院所及高校联合攻关,全面总结500千伏和750千伏输电工程的设计、施工、运行和设备研制经验,借鉴国内外工程研究成果,攻克了特高压线路绝缘特性、电磁环境、设备研制、试验技术等世界级难题,建设了一批世界级的特高压交流和直流输电工程,在理论研究、技术研发、工程建设、运行管理、试验能力和标准制定等方面走在了国际前列。

2005年2月,《国家发展改革委关于开展1000千伏级交流、±800千伏级直流输电技术前期研究工作的通知》印发,特高压输电工程前期研究进入实质性阶段。2006年8月9日,《国家发展改革委关于晋东南至荆门特高压交流试验示范工程项目核准的批复》印发,正式核准了晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流试验示范工程。输变电装备制造企业承担了特高压交流输变电设备的研制任务,实现了成套设备的自主开发、设计、制造、试验和安装调试,形成了批量生产能力,掌握了设备制造核心技术,形成了完整的技术标准和试验规范,并具有自主知识产权,工程设备综合国产化率达到90%。2009年1月,晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流试验示范工程投入商业化运行,主要产品的设计、制造和试验能力达到了世界领先水平,创造了多项世界第一,我国在特高压交流输变电设备制造核心技术和国产化上实现了重大突破。

我国还不断取得特高压交流输变电技术新进展。在世界上首次研制成功的设备就有:2011年,特高压串补装置及63千安气体绝缘金属封闭组合电器在晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程的扩建工程中投运;2010年,1000千伏特高压交流升压变压器在安徽平圩电厂三期送出工程上投运,实现发电机组直接升压接入特高压电网;2019年,特高压GIL在苏州—南通GIL综合管廊工程投运,为跨越江河湖海的输电工程提供了新的路径。

2010年6~7月,云南—广东和向家坝—上海±800千伏特高压直流输电工程先后投运,这是世界首批±800千伏特高压直流输电工程。凭借制造±500千伏直流输电设备的经验和基础,输变电设备制造企业相继研制出了大功率晶闸管、换流阀、换流变压器、平波电抗器、直流控制保护系统,满足了±800千伏特高压直流输电工程需要。2019年9月,昌吉—古泉特高压直流输电工程投运,最高电压等级提升至±1100千伏,输送容量1200万千瓦,成为世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压直流输电工程。中国直流输电设备制造水平登上了世界顶峰。

为适应风电和光伏并网的需求,我国还着力推进柔性直流输电技术发展。2020年6月,张北±500千伏可再生能源柔性直流电网试验示范工程投运,将张北新能源基地、丰宁储能电源与北京负荷中心可靠互联,每年可输送140亿千瓦时清洁电力至北京,为北京冬奥会比赛场馆提供100%常规绿电。2020年12月,采用±800千伏特高压三端混合直流系统的昆柳龙柔性直流工程全面投产,将乌东德水电站的清洁能源分别送到广东和广西,有力支持了粤港澳大湾区经济发展。这是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输电距离最长的多端柔性直流工程,输送容量800万千瓦,主要设备自主化率100%,形成了自主知识产权体系,显示出中国电力工业技术的顶尖水准和装备制造领域的核心竞争力。

经过十多年的努力拼搏,中国电网企业与输变电企业全面攻克了特高压交流、直流输电关键核心技术,具备了自主设计、研发、制造特高压交流、直流输电设备的能力,推动了世界电网技术的发展。特高压交流、直流输电工程的创新成果得到了高度评价,“特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用”项目和“特高压±800千伏直流输电工程”项目先后荣获国家科学技术进步奖特等奖。

国家电网公司和南方电网公司携手输变电设备制造企业,积极推进特高压输电工程建设。到2020年底,建成“14交16直”、在建“2交3直”共35个特高压工程,在运在建特高压线路总长度达4.8万千米,建成了世界上规模最大的特高压交直流混合电网。

走出国门的特高压技术作为“国家名片”,确立了中国在特高压输电技术领域的国际领先地位,掌握了制定国际电工标准的话语权,实现了特高压技术全产业链、全价值链输出。2017年、2019年,被称为“中国特高压名片工程”的±800千伏巴西美丽山特高压直流输电一期、二期工程先后投运;2021年6月,±660千伏巴基斯坦默蒂亚里—拉合尔直流输电工程投运,巩固了“中国创造”在国际高端电工装备界的良好口碑。

21世纪,我国电力装备制造企业积极面向世界科技前沿,面向电力工业发展的重大需求,对发电和输变电装备的关键核心技术攻坚克难,解决了一个又一个“卡脖子”难题,从引进消化吸收国外先进技术起步,走出了一条依靠自有人才自身力量、实现自主开发自主创新的奋进之路,掌握了一大批具有自主知识产权的核心技术,提升了创新能力、设计制造水平和管理水平,为电力工业的发展提供了先进装备和有力技术保障,实现了“中国创造”和“中国引领”。电力装备制造企业努力研发和掌握关键核心技术,提升电力装备制造能力,奋力抢占世界制高点、掌控技术话语权,推动我国成为现代装备制造大国和强国。

“十四五”时期,电力装备制造企业将在“十四五”规划纲要的指引下,坚持新发展理念,深入实施制造强国战略,坚持自主可控、安全高效,推进产业基础高级化、产业链现代化,增强竞争优势,推动行业高质量发展,立足规模优势、配套优势和部分领域先发优势,巩固提升电力装备领域全产业链竞争力,依靠创新发展提供先进电力装备,推动“四个革命、一个合作”能源安全新战略,贯彻党中央“双碳”重大战略决策,踔厉奋发、笃行不怠,自主创新、砥砺前行,为构建以新能源为主体的新型电力系统而勇攀新高峰!

作者:张大龙



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