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“十二五”我国动力与电气工程领域的技术进步与分析
查看:382  发布日期:2018-1-11 9:40:07

0.引言

  2015-2016年,中国电机工程学会组织国内上百位专家,完成了《动力与电气工程学科发展报告》(简称《报告》)。《报告》的首席科学家是周孝信院士,专家组组长是梁曦东、陈小良秘书长。《报告》对我国“十二五”期间动力与电气工程学科的技术发展状况,从整体上进行了回顾、梳理、总结,以便本学科人员对整体技术发展的程度、状况、趋势有宏观认识,同时供不同学科之间进行比较和交流。在此,与大家探讨“十二五”我国动力与电气工程领域(包括发电、输电、配电等)的技术进步与分析,以及如何看待过去5年的发展和变化。

1.2011-2015年我国电力行业的巨大变化

1.1  发电装机和年发电量双双跃居世界第一

  我国发电装机2013年进入世界第一,2016年为16.5亿kW。图1为中国年发电量示意图。从图中可以看出,30多年来我国的发电装机量和发电量可以划分为3个区域,前十年是绿线,下一个十年是黄线,2003年以后,中国的发电量是一路狂奔,发展也太快了,快到没有思考的时间,应该缓一缓了。

  我国年发电量1996为世界第二,2009超英法德意日加六国总和,2012年为世界第一。2016年为5.90万亿kWh,到2017年年底应该会超过6万亿kWh。从世界第二到世界第一,我们用了12年的时间,花了很大的力气,才超过美国。

1.2  能源结构迅速向清洁化方向调整,可再生能源发电迅速上升,火电比重快速下降

  2011年以前,火电占比在80%以上,2011年为82.5%,2011年以后火电占比快速下降,2016年为71.6%,接近70%了。

1.3、交、直流特高压实现技术提升及规模化应用

  我国十五期间,特高压实现零的突破,“十一五”实现了规模化应用,目前我国特高压已投运的有7交8直,在建的还有5项±800kV,1项±1100kV。

  已投运1000kV交流特高压工程7项:晋-南-荆、皖电东送、浙北-福州、锡盟-山东、淮南-南京-上海、蒙西-天津南、陕西榆横-山东潍坊。

  已投运±800kV直流特高压工程8项:云南-广东1417km、5GW,向家坝-上海1906km、6.4GW,锦屏-苏南2059km、7.2GkW,哈密-郑州2192km、8GW,溪洛渡-金华1680km、8GW,糯扎渡-广东1413km、5GW,灵州-绍兴1720km、8GW,酒泉-湖南2383km、8GW。

  在建±800kV工程5项:晋北-南京1119km、8GW,锡盟-泰州1620km、8GW,上海庙-山东1238km、8GW,扎鲁特-青州1234km、8GW,丽江-深圳1959km、5GW。

  在建±1100kV工程准东-华东3340km、12GW(2016.1.11)。

  特高压在我国已大规模开始应用,给我们行业带来了巨大的收益,但也带来了一定的问题,资源和环境压力剧增,给我们以后的发展带来了很大压力。

1.4、对“十二五”期间动力与电气工程学科的总体感受

1)电力行业的飞速进步和跨越式发展,整体上推动和带动了我国动力与电气工程学科的快速发展。

2)在特高压输电技术及装备、煤炭高效清洁燃烧与烟气排放控制、发电装备制造与大型水电工程、特大电网运行与安全控制等多个方面取得了国际领先或国际一流的成就;在风电、光伏、柔性直流、新一代核电等方面实现了自主创新和技术突破。

3)整体上从以前的“跟踪追赶”发展到“并驾齐驱”的程度,部分成果实现了从“中国制造”到“中国创造”的飞跃。“智能电网”、“能源互联网”等新概念不断兴起,成为大有作为的新兴领域。

2“十二五”我国动力与电气工程整体技术进步简介

2.1、高效清洁发电与电力环保技术

1)超超临界发电技术

  2013年底,我国煤电机组中超(超)临界机组比重已达35.5%;600℃超超临界机组台数居世界首位,机组发电效率可超过45%;上海外高桥电厂三期机组供电标准煤耗率276.8g/kWh,为世界最高水平。

2)二次再热超超临界技术

  与国际先进水平相当,具备自主开发制造能力;泰州1000MW是世界最大容量的二次再热机组;31MPa/600/620/620°C,600MW机组2015年投运。

3)整体煤气化联合循环IGCC技术

  华能天津国内首座250MWIGCC示范电站于2012年12月投入商业运营,标志着我国在洁净煤发电技术上取得重大突破。

4)劣质煤高效清洁利用技术

  2014年,具有自主知识产权的600MW示范工程在四川白马电厂通过168小时满负荷试验,这是世界上第一台600MW超临界循环流化床锅炉。

5)褐煤和准东煤高效清洁利用

  煤中取水研究,投运了一批600MW等级超临界褐煤机组;新疆地区将准东煤20%的掺烧比例提高到80%,超越国外燃用类似准东煤的最好水平;湿冷汽轮机——超超临界1000MW机组总数世界第一,电厂效率、供电标准煤耗等指标均达国际先进水平;供热汽轮机——热电联产机组近3亿kW,规模居世界之首,自主研制了世界上最高进汽参数、最大功率660MW双抽供热汽轮机;空冷汽轮机——300MW以上空冷机组超过300台,总容量1.36亿kW,为其他国家总和的4倍,投运了世界首台最大容量、最高参数1000MW超超临界直接空冷汽轮机组。

6)火电厂烟气排放控制规模化应用

  连续出台排放控制高标准,2014年提出燃煤机组基本达燃气标准的超低排放,为世界最严格标准;2014年底已投运脱硫机组7.6亿kW,脱硝机组6.87亿kW,分别占燃煤总机组的91.4%和74.4%;2014年底达到超低排放机组834.5万kW,2015.6投运和在建超低排放机组1亿kW。

7)高坝大库大机组的水电技术

  混流式水轮发电机组:2010年5月首台70万kW,三峡地下电站;“十二五”期间,77万kW,溪洛渡电站;80万kW,向家坝电站(世界最大单机容量);“十二五”在小湾、溪洛渡、锦屏一级、糯扎渡等工程中建成一批高水平大坝,300m级高拱坝,250m级高混凝土拱坝,700m级高边坡变形控制与加固;锦屏二级水工隧洞群(最大地应力超过100MPa、最大外水压力约10MPa),达到国际领先水平。

8)可再生能源发电

  2013年我国风电发电量1371亿kWh,超过核电,成为我国第三大电源;2014年底风电装机达1.15亿kW,居世界首位;2016年底风电装机达1.5亿kW。

  2014年光伏新增装机13GW,居世界第一,我国总光伏装机32.9GW,仅次于德国,位居世界第二;2016年底光伏装机达0.77亿kW。

  我国目前是世界上唯一开展大规模风电基地(超过1000万kW)建设的国家,面临的大规模风电并网和消纳难题是世界级的,也因此带动了风功率预测、低压穿越、电压控制、有功调度等一系列关键技术的快速进步。

  张北风光储输示范工程投运——设计制造方面实现了风机整机百千瓦级向兆瓦级跨越,整机及零部件国产化率达到85%以上;主流单机2-3MW,形成4MW以下技术体系。

  风电装备企业在全球十大整机制造商占据4席。

  多晶硅电池效率达18%左右,单晶硅电池效率接近20%,汉能薄膜电池效率最高达21%,均处于世界先进水平。

掌握并网光伏发电系统设计集成技术,研制成功关键设备,建成甘肃、青海、新疆百万千瓦光伏发电基地。

9)核能发电技术

  我国核电主要采用压水堆技术路线,实施“压水堆-快堆-聚变堆”三步走战略。2014年底,我国运行核电机组21台,装机容量1902万kW;在建核电机组27台,装机容量2953万kW,是世界上在建核电机组数量最多的国家。

  我国拥有完全自主知识产权、满足三代核电安全性能要求的百万千瓦级自主品牌“华龙一号”已于2015年5月7日在福建福清核电厂正式开工建设。

  CAP1400已通过核安全审评。“十二五”期间,四代堆取得重要进展。中国实验快堆2011年7月并网发电(热65MW、电20MW),高温气冷堆示范工程于2012年底开工建设。

2.2 输电技术及系统

  输电和发电比较,同样有若干个世界最高水平、世界唯一成果等等:

1)交、直流特高压实现技术提升和规模化应用,7交8直投入商业运行,领先于世界。

2)交流UHV:首个特高压同塔双回工程商业化运行、首个特高压串补装置投运。

3)直流UHV:±800kV双极输电容量从5000MW提升到6400MW、7200MW、8000MW。

4)串联补偿:掌握了可控串补的关键和核心技术,TCSC成套技术与装备实现出口。

5)并联补偿:±200MvarSTATCOM在500kV东莞变电站投运,若干关键指标填补国际空白。750kV可控高抗完成研发、开始应用。

6)2013-2014年南澳岛200MW/±160kV三端柔直,浙江舟山400MW/±200kV五端柔直投运。

7)2015年厦门1000MW/±320kV柔直工程带电。

8)特大电网一体化调度控制系统(D5000)建成,形成了可全面支撑电网调度控制业务、标准统一的一体化支撑平台。

9)智能电网调度控制系统推广到国家电网所有省级以上调控中心以及多个地级调控中心。

10)截止2015年中旬,已建智能变电站2000多座,建立了智能变电站技术标准体系。

11)开发完成大规模交直流电力系统“电磁暂态、机电暂态和中长期动态过程”统一的多时间尺度全过程仿真软件与实时仿真装置ADPSS。

但也有一些和世界先进水平差一步的:开展了基于WAMS信息的广域协调控制和多FACTS协调优化控制技术研究;提出了智能变电站层次化保护控制体系。

2.3、输变电装备及技术

  装备是我们最熟悉的,我们要总结“十二五”期间大的输变电装备技术主要有:

1)首次研制成功双柱式1000MVA、单台1500MVA、以及局部解体和全部解体式单相1000kV变压器,彻底解决了大件运输条件的限制,这在国际上是第一。

2)±800kV平波电抗器,1000kV串联补偿成套装置、罐式CVT、线路避雷器、空心复合绝缘子及GIS复合套管,1250mm2大截面导线、550-1000kN大吨位绝缘子等国际一流产品先后投入运行或通过鉴定。

3)实现了1100kV/6300A额定开断短路电流63kA断路器、±800kV换流变压器等关键产品的国产化。

4)自主研发的110-500kV智能变压器、±400kV换流变压器、10.5kV/1.25MVA高温超导变压器、110kV/240MVA高压并联电容器、±400kV直流SF6气体绝缘穿墙套管等国际先进水平的产品先后研制成功。

5)气体绝缘、固体绝缘的±1100kV直流穿墙套管2017年通过863验收。

6)±200kV直流断路器成套装置样机研制成功,达国际领先水平。

  这些都是“十二五”期间,输变电设备技术典型的进步。

2.4、智能配用电

  我们的配电、用电和国际上还是有距离的,在智能配用电方面我们处于一边跟着走,一边还在追的水平。“十二五”期间主要有以下技术进步:

1)基本实现配电智能终端的国产化,技术水平由最早用于监控的配电远动装置发展到基于光纤以太网通信技术的分布式智能终端设备。

2)高级测量体系(AMI)为实现电力用户与电力企业双向信息流通提供基础。各行业共累计安装了近5亿只智能电表。

3)在杭州、青岛、北京、天津、重庆等多个城市开展了电动汽车充换电设施示范工程。

4)在河北、北京、上海和重庆开展了智能楼宇和小区试点工程建设。

5)在甘肃白银、山东东营和江苏南京开展了智能园区建设试点。

6)在天津泰达经济技术开发区开展并完成中国首个智能电网需求响应项目。

7)建设或建成的微电网示范工程已达数十个。边远地区示范工程主要解决缺电问题,海岛微电网示范项目主要解决独立自主供电问题,城市地区主要解决节能减排和可再生能源高效利用问题。

2.5、电力电子器件及应用

1)中国北车永济电机公司发布了11类IGBT产品,成为世界上第四个、国内第一个能封装6500V以上大功率IGBT产品的企业。

2)2014年,世界第二条、中国首条8英寸IGBT专业芯片生产线正式投产,中国南车掌握了IGBT芯片设计-芯片制造-模块封装-系统应用完整产业链技术。

3)成功研制出6英寸SiC单晶衬底,标志着我国在SiC单晶生长研发工作已经达到国际先进水平。

4)推出了6寸GaN外延材料和2000V高电压开关器件,北大方正微电子有限公司已经成为世界上第1个6寸GaN基功率器件代工厂。

5)国产高压大容量变频器的性价比和可靠性不断提高,目前市场份额已经超过国外同类产品。

6)荣信研制的基于IEGT的大功率高压变频器,功率可达32MVA/10kV,已在南水北调工程应用。

7)在高铁牵引变流器技术方面,南车与北车都掌握了自主核心技术,并积极开展了电力电子牵引变压器与永磁同步电机驱动技术的研究。

8)在船舶电力推进技术方面,海军工程大学研制的“十五”相推进电机变频驱动系统取得重要进展。

3“十二五”我国动力与电气工程技术进步动力分析

3.1、能源结构与分布的固有资源禀赋——发展方向的约束力

  富煤贫油少气的资源条件,决定了未来较长的时间内,我国一次能源结构将仍以煤炭为主。因此高效清洁发电及减排技术一直是我们发展的重点,并取得了一系列世界级的成果。而欧美实现了由煤电向燃气发电的转化,该方向研究较少。

  资源逆向分布。我国大多数煤炭、可开发水电、陆地风能资源分布在西部,但主要的能源消费中心在东中部。跨区资源优化配置是我国电力的长期需求。因此大力发展交直流大容量输电技术成为重要的技术路线,也由此带动了输变电设备、大电网规划、大电网运行与控制等一系列重要方向的发展。

  由此可见,我们要依照自己的国情,不必、也不应什么都跟着国外干,更需要在意我们应该干什么,走我们自己的路!

3.2、可持续发展形势严峻——压力转来的发展动力

  “十二五”之前我国CO2的年排放总量已经居世界第一,可持续发展形势空前严峻。我国已正式承诺2030年CO2排放达到峰值,且届时非化石能源消费占比提高到20%。为此可再生能源发电及消纳、高效清洁发电及电力环保、核能发电、节能降耗、提高能效等技术都亟需取得重要突破,这也是这些技术方向取得快速发展的重要推动力。

3.3、电力工业的快速发展——学科发展巨大的推动力

  中国电力工业30多年不断加速的高速发展,迅速改变了我国长期电力不足的局面,有力地支撑了国民经济的建设。同时,这种跨越式高速发展使我国电力工业界和学术界面临着世界上最复杂和最庞大的电力系统,充满技术挑战与重大需求,而且由于处于追赶阶段的后发优势,为大量相关新技术、新设备、新方法的广泛应用提供了舞台,难得的历史机遇也是我国动力与电气工程学科取得快速进步的坚强支撑和巨大推动力。

  学科技术进步有力支撑了行业发展,如果我们没有自己的技术,不搞研究,单靠买是买不来这样的发展!

3.4、重大示范工程带动自主创新——学科发展的重大牵引力

  特高压工程的实施有力带动了我国输变电设备、电网运行与控制技术的进步,大规模风电基地的建设带动了风机设备、风电并网等技术的进步,高铁的推广普及带动了电力电子技术的进步。依托重大示范工程加快了成果转化与推广,构建了创新平台,凝聚了人才队伍,对学科发展起到了重要的促进作用,是发展中国家凝聚优势力量、利用后发优势、实现科技跨越式发展的重要途径。

  重大示范工程带动自主创新、带动国产化十分重要,否则新技术难以推广。同时带来的问题就是设备制造企业必须跟着用户走,国网和南网要什么就要给什么,不管要求合不合理都得满足,想走自己的路就有难度了。

3.5、国家引导性科研投入——学科发展的又一重大牵引力

  “十二五”期间国家显著加大了科研投入。仅科技部智能电网项目就超过20项,总课题数超过100个,国拨经费12亿,覆盖国网公司的五大院和多数省级电网公司、南网公司的科研院和全部省级电网公司、20多所高校和10余家企业。国家自然基金委电工学科“十二五”期间累计投入10亿元。在发电、核能等其他领域国家也投入了大量科研经费。

  国家的引导性科研投入对学科的发展起到了十分明显的促进作用,包括对学术队伍的培养。国家的引导性行业政策也十分重要,如电价补贴。国家引导性投入,扶持了重点方向,这是一优势,但大家都跟着重点方向走了,就没有了自由探索的环境,我们还需要培育自由探索的环境!

3.6、市场需求导向——学科发展的不竭动力

  随着我国电力市场(尤其是配售电侧电力市场)改革的逐步推进、能源互联网概念的兴起、创新创业氛围的日趋浓厚,电力行业的投资主体和参与主体将日益多元化,新的思维体系、技术需求和商业模式成为促进动力电气工程学科发展的不竭动力。尤其在配电技术、用电技术、分布式光伏、需求侧响应等与最终用户紧密相关的领域,更应该重视市场需求驱动的学科进步。政府逐步由直接投资转变为制定公平公正和灵活完善的市场机制,为创新提供制度保障。

3.7、基础学科与原创性技术的突破——工程学科取得重大进展的内生动力

  动力与电气工程学科的重大进展离不开电磁学、数学、半导体物理、材料等基础学科的突破。目前的主要创新模式主要依赖于重大示范工程或者试点应用的带动,基础学科和原创性技术突破仍比较欠缺。现阶段的若干典型特点:

  侧重于最终工程应用的系统级技术,水平往往较高,甚至领先于全球;依赖于长期积累的设备级关键技术,大部分与国际最高水平仍有差距;与基础科学结合紧密的基础材料、器件、工艺,往往仍落后于国际先进水平。

  就是说我们宏观的系统的领先于全球,设备的与国际最高水平有差距,基础的落后于国际先进水平。

3.8、学科交叉创新——学科新生长点的不竭源泉

  积极与其他学科进行交叉创新,是学科保持活力、产生技术突破的重要方式。以往我们与信息、材料等学科的交叉,已取得了重要的成果。未来随能源互联网、新一代能源系统等概念的发展演化,本学科与其他能源、信息、数学、材料科学的交叉创新将变得更为重要。

  能源领域成果的应用周期普遍较长,与信息、材料学科日新月异的发展速度有明显的时间常数上的差异,这也是本学科必须加强与这些学科交叉创新的压力吸引力之所在。

  如果把我们的技术发展比喻为一辆飞奔的汽车(见图4):固有资源禀赋是约束力,所以必须沿这个路径走,盲目跟着别人的路径走是不对的;可持续发展形势是压力,同时带来了前进的动力,但如果压力不能转化为动力就停步不前了;电力工业的跨越式发展是巨大的推动力,重大示范工程、国家引导投入、市场需求导向是牵引力,其中重大示范工程的效果最显著,国家引导投入涉及面比较宽,市场需求导向目前还比较差;这辆车有了这些动力以后能跑得好吗?答案是能跑一阵子,但是还不够,还缺少内生的动力,也即基础突破和交叉创新。

  我国的电力工业和动力电气学科这么多年就是这样走过来的,我们很希望不同领域的人合力提高整个学科的水平,实现从“追赶”到“超越”,再从“超越”到“引领”。

4结语

  我在清华,培养的研究生很有限。我利用这次机会,呼吁现有的这些专家,在身体条件还好的时候,应该为国家培养一些人才,不要限于学历,不要限于证书。我很愿意到厂里和专家作系统的交流,而不是简单地讲一讲。我们要有一批技术专家成长起来,才有可能在国内市场站住,在国际上站住。

  最后说一点,中国的人均用电还需要有很大的提高。中国的人均用电量为3937kWh,和欧美还差很远很远,我们还有足够大的发展空间。

(清华大学 梁曦东)

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