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中科院院士:中国特高压如何超越发达国家而实现世界领先?

2018-05-04 14:45浏览数:598 

本文摘自赵忆宁著《大国工程》(中国人民大学出版社2018年4月出版),作者深入第一线调研采访大飞机、高铁、特高压、港珠澳大桥这四项中国超级工程,倾听中国科学家、工程师、企业管理者、工人讲述中国重大工程如何实现自主创新。

陈维江,中国科学院院士、国家电网公司交流建设部副主任。曾荣获2012年度国家科学技术进步奖特等奖(排名第2)。陈维江在任国网武汉高压研究院院长期间,主持建设了中国第一个特高压交流输电试验基地,主持过多项特高压交流输电关键技术研究项目,为中国特高压电网的建设做出了重要的知识贡献,也由此奠定了他在中国高电压研究领域的权威地位。

一、中国输电网曾落后西方20年

赵忆宁:在输电技术领域,20世纪中国与发达国家的差距有多大?

陈维江:从世界电网的发展历程看,输电网已经有100多年应用历史了。就输电技术从低电压到高电压等级提升的过程看,西方国家一直领先,中国比世界发达国家首次出现更高电压等级输电网(超高压输电网)的时间也晚了大约20年。1972年6月16日,我国自行设计、自行制造设备、自行施工安装的第一条330千伏超高压输变电线路——刘(刘家峡)—天(天水)—关(关中)线路——投入运行,而瑞典早在1952年就已经建成380千伏的输电工程了。不仅如此,在750千伏输电技术上,我们更是晚了40年。1965年加拿大最早建成麦尼夸根—魁北克市—蒙特利尔735千伏的输电工程,而我国首次全面掌握750千伏电网建设及运行技术,是在2005年建成了青海官亭—甘肃兰州东输变电工程。




表31

赵忆宁:从中外输电线路建设历程(见表31)上看,输电网电压等级提升的周期一般是多长时间?

陈维江:在用电负荷持续增长的前提下,输电网从低电压等级向高电压等级提升的周期一般是10~20年。低电压等级输电网提升的周期相对短一些,而高电压等级输电网从研发到运营的时间跨度一般要在20年左右,从超高压到特高压的提升就经历了接近20年的时间。

赵忆宁:为什么中国亮起第一盏电灯只比世界第一盏电灯的诞生晚三年,而电网的建设会有20~40年的差距呢?

陈维江:是的,1882年7月上海首次点亮15盏电灯,距1879年10月世界第一盏电灯的诞生时间不算长。但是,输电技术发展及电网建设与一个国家的经济发展水平密切相关。改革开放以来,我国电力工业发展迅速,到2013年年底,全国电力总装机容量高达12.3亿千瓦,超过美国成为世界上电力总装机容量最大的国家。不仅电力生产与经济增长呈正相关的关系,电力技术的发展也与经济发展的轨迹吻合。长时间以来西方国家经济较发达,对电力生产传输技术的升级换代需求较大,技术发展自然也比较快。直到2009年中国建成特高压输电工程,才开始改变这个格局。

二、特高压输电在世界各国的探索与命运

赵忆宁:世界首条特高压输电线路于1985年在苏联建成,为什么后来没有长期运行?

陈维江:你说得对。苏联于1985年建成埃基巴斯图兹—科克切塔夫—库斯塔奈1 150千伏特高压输电线路,线路全长900公里,但是仅断断续续运行了5年的时间,1991年苏联解体以后,特高压输电工程就下马了,由原来的1150千伏降到500千伏。这有三个原因:其一是政治原因,苏联的解体导致这条线路已经不在俄罗斯本土,而是在哈萨克斯坦境内;其二是经济原因,苏联解体后,15个加盟国经济快速下滑,对电力的需求大大下降;其三是技术原因,不仅是设备,包括输电线路方面的技术,比如像电磁环境的控制等,不是很好。上述几个因素的综合作用使其降到500千伏运行。

赵忆宁:世界各国从什么时间开始研究与建设特高压输电网?

陈维江:是在20世纪的60—90年代。美国、日本、苏联、意大利等国家当时经济快速增长,电力需求旺盛,对建设特高压电网有很大的动力。但是只有苏联建成工程,尽管后来降低了运行电压,其他国家都没有建成完整的工程。

比如美国,1967年开始对1000千伏特高压输电的特性展开研究,当时主导这项技术研究的有美国电力公司(American Electric Power,AEP)和美国邦纳维尔电力局(Bonneville Power Administration,BPA),它们建了一些试验设施,甚至规划了工程,但是规划没有付诸实施,主要原因是遇到了20世纪70年代的石油危机。另外,美国能源供求的不平衡性不是很突出,对特高压远距离、大容量的传输需求随着经济增长的放缓和产业结构调整变得不再迫切,原来所规划的特高压电网的建设和技术的应用就都被搁置了。客观地说,20世纪美国在世界上研究特高压输电技术的国家中算是比较领先的,但是美国没有实现工程应用。

赵忆宁:日本的情况呢?

陈维江:日本是一个多岛小国,国土面积不足38万平方公里,对特高压远距离、大容量输送的需求客观上来说没有大国的需求旺盛。但是20世纪60—70年代日本经济高速发展,而资源短缺,便规划千万千瓦的核电项目,负荷中心在东京湾沿岸区域,如果用500千伏输送,输电线路将比较密,占用的走廊面积大;如果提升输电压等级,可提高输电效率、节约土地资源。日本基于这样的需求也开始研究特高压输电技术。

日本研发出了特高压输电的相关设备,还建了两条同塔双回路的特高压交流输电线路,其中一条就是从福岛到东京的线路。两条输电线路约430公里,分别于1992年和1999年建成。虽然建成了两条线路,设备也有了,但并不是完整的工程,因为变电站用的还是500千伏设备。日本1000千伏特高压输电线路降压至500千伏等级运行。其原因仍然是经济危机导致需求下降,原来所规划的大规模核电项目未付诸实施。在福岛核电站没有出事之前,我们曾经询问日本东京电力的同行究竟是否上马特高压输电项目,当时他们还说他们的项目会尽快上马。但是福岛核电事故以后,日本投运特高压输电项目的可能性就更小了。

赵忆宁:意大利是不是也开展过特高压输电工程实践?

陈维江:意大利在欧洲算得上工业基础强国。通常来说,欧洲国家输电网的最高电压等级为380千伏,最高运行电压是400千伏。意大利当时工业比较发达,想把南部的煤电送到北部,为此研究特高压输电技术。意大利当时选的标称电压是1050千伏,并建立了试验站,对绝缘子与电磁环境特性做了一些研究,也建成了几十公里的试验线路,但是,还是因为经济方面的原因,原来规划的工程没有上马。美国、日本加上意大利都曾经研究开发过特高压输电技术,但最终由于经济方面原因项目停滞或者暂缓,或者是降低输电压等级。

1988年国际大电网委员会成立了一个工作组,对世界范围内特高压输电技术的开发做过一个调研和总结,其结论是:特高压交流输电技术没有不可逾越的障碍,已经基本上达到可以应用的程度。正是鉴于上述国家的实践,特高压输电在技术方面已经没有障碍。

赵忆宁:这些国家在20世纪70年代开展的特高压输电的研究,前提是预测未来电力需求急骤增长,如果不上马新电压等级输电网,电网可能满足不了需求。但是实际上20世纪70年代末,这些国家经济发展变缓,电力需求量年增长只有1%~2%,因此特高压输电研究被搁置,特高压输电计划被取消,这倒是印证了经济学中的生产可能性边界理论。

陈维江:是的。发达国家虽然研究开发了特高压输电技术,但是由于经济下滑导致了技术的闲置,未能完成经济资源和生产技术最大限度的结合。而中国恰恰是存在经济增长的潜力,即存在生产可能性和市场的需求。另外,20世纪的特高压输电技术和设备均不成熟,也没有相关的技术标准和规范。

三、中国特高压输电为何是自主创新

赵忆宁:谈到特高压输电,听到最多的是“自主创新”。我的问题是,在我们之前已经有欧美国家的实践,何来“自主”与“创新”?

陈维江:长期以来,中国电力技术的发展,从高压到超高压输电技术的发展,实际上是走了“引进吸收消化再创新”的道路,或者叫跟踪式的技术发展路线。关于特高压输电,中国到底有哪些创新?如果按照过去的发展模式,我们是不是仍旧可以走“引进吸收消化再创新”的道路呢?回答是不可以。

赵忆宁:为什么?

陈维江:发达国家虽然开展过特高压输电试验研究,苏联还建设了特高压输电工程,但是并没有形成成熟的技术和设备,更没有完整的技术标准体系以供参考。虽然国际大电网委员会认为已经没有障碍了,但是如果我们依旧走老路,马上就会遇到一个问题:当中国建设500千伏电网时,我们还能够买到“八国联军”的设备,但是建设1000千伏电网,技术与设备从哪里引进?我们即便是有钱,在国际市场也买不到!另外,虽然国外研究过特高压输电技术,但是别人研究过并不等于你就掌握了;加之20世纪的技术水平,已经同目前科学技术的水平无法相比,众多新材料相继出现,电子信息技术飞速发展,特别是输电线路对变化的环境更加敏感,这都导致已经不可能照搬原来的技术。问题的关键是国外的技术还存在一定的缺陷,即使苏联建成了完整的工程,但当时变电站采用的是敞开式布置,这样的技术显然落后了。在这样的情况下,我们面临的技术难题,采用“引进消化吸收再创新”的技术路线去攻克,走不通了,必须要走自主创新之路。

赵忆宁:这个技术路线非常独特,不同于我国的高铁和大飞机研发路线,有点类似于我国原子弹以及航天技术的研发路线。

陈维江:无论是西门子、ABB还是日本三大电气设备制造公司,即便它们拥有特高压输电设备制造技术,也不会无偿给我们。当然,科学技术发展规律是无国界的,特高压输电技术研发的思路、方法及部分结论是可以参考的。遗憾与庆幸同在:当今世界上没有特高压输电的成熟技术和设备,关键参数与技术特性的获取,也只能立足于自主创新。所以说特高压输电给了中国一次实现跨越式发展与自主创新的历史性机会。

赵忆宁:但是其难度也是显而易见的。

陈维江:是的。历史上中国电网技术发展都是跟踪式的发展,缩小差距,赶上世界先进水平已经很难了,而现在要超越发达国家,提升一个电压等级,这意味着要突破现有的工业基础限制,突破已有的技术与人才储备限制,全面掌握特高压输电技术,自主研发的难度确实很大。

赵忆宁:2004年年底,国家电网公司正式提出发展特高压输电技术,为何在短短5年后就能够建成一个特高压输电示范工程?

陈维江:实际上,中国在特高压输电技术领域的研究一直跟踪着国外的技术发展。电力部门下属的科研单位,从1986年起,就做过一些跟踪性的可行性与试验性研究,但是研究在深度和广度上都还没有达到技术适用的程度。2004年国家电网公司提出在中国研发和应用特高压输电技术后,我们组建了一支超大规模的创新团队,形成了名副其实的产学研协同创新模式,专门成立了特高压输电建设部,组织几万人参与技术研发与工程建设。

赵忆宁:除了技术跟踪之外,中国的体制具有什么样的助推作用?

陈维江:为什么我们能花较短的时间取得成功,当然得益于中国的体制优势。我们的体制优越性突出体现在能集中力量办大事,特别是体现在配置资源的能力、组织协调的力度上,能够真正实现产学研协同创新。在这个方面俄罗斯、美国、日本、意大利的同行们是无法与我们相比的。

赵忆宁:中国特高压输电工程的建设带来哪些外部效应?

陈维江:最重要的是推动中国电力技术实现重大进步,大幅提升了中国在国际电工领域的影响力和话语权。中国特高压输电自建成第一个示范工程以来,共完成180项关键技术研究课题,形成429项专利,建立了包含7大类79项标准的特高压交流输电标准体系,涵盖系统研究、设备制造、调试试验和运行维护等环节。目前我国的特高压交流输电标准电压已被推荐为国际标准电压,国际大电网委员会与电气和电子工程师学会先后成立了由我国主导的9个特高压输电工作组,国际电工委员会(IEC)成立了特高压交流输电系统技术委员会(TC122)。我国成为继美、德、英、法、日之后第六个国际电工委员会常任理事国,在国际标准制定方面的话语权和影响力显著提升。标准化水平不仅是衡量一个企业核心竞争力的重要指标,也是衡量一个行业乃至国家核心竞争力的重要指标。通过制定标准抢占技术制高点,已成为世界知名企业参与全球竞争、提高核心竞争力的重要途径。

来源:北极星输配电网


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