中国制造2025系列M之八：电力装备

2018-11-02电力装备是实现能源安全稳定供给和国民经济持续健康发展的基础，包括发电设备、输变电设备、配电设备等。到 2020 年，电力

2018-11-02

电力装备是实现能源安全稳定供给和国民经济持续健康发展的基础，包括发电设备、输变电设备、配电设备等。到 2020 年，电力装备技术水平总体达到国际先进，掌握国际标准制修订话语权；构建涵盖煤、水、气、核、新能源及可再生能源等在内的多元电力供给装备研发制造体系，自主化率达到 90%；输变电成套装备全面满足国内电网建设需要，自主化率达到 95%。到 2025 年，具备持续创新能力，完善产业配套，形成完整的研发、设计、制造、试验检测和认证体系。大型火电、水电、核电等成套装备达到国际领先水平，新能源和可再生能源装备及储能装置市场占有率超过 80%。输变电成套装备 100% 实现智能化，传感器等关键零部件自主化率达到 85%。

根据《中国制造 2025》在电力装备的发展重点有：

1). 火电装备。掌握煤电机组环保升级改造技术，提高机组能源转换效率，实现煤电机组超净排放。对接《一带一路》战略，通过对外工程总承包，带动火电成套装备走出去，扩大国际市场份额。重点发展：1,000 兆瓦超超临界超净排放煤电机组 (含二次再热)、600 兆瓦及以上超临界燃用新疆准东煤锅炉、600 兆瓦超临界循环流化床锅炉、高水分褐煤取水煤电机组、300 兆瓦级 F 级重型燃机、400 兆瓦级 G／H 级重型燃机、大型火电机组控制系统等。

2). 核电装备。实施核电装备自主创新和产业化专项，建立完善的核电装备自主化产业体系，核电装备安全性和先进性满足国际标准最高要求。对接《一带一路战略，通过对外工程总承包，形成具有自主知识产权的核电机组批量出口能力。重点发展：CAP1400 核电成套装备，华龙一号核电成套装备，高温气冷堆、钠冷快堆、钍基熔盐堆核电机组。

3). 可再生能源装备。实施智能电网成套装备创新专项，实现大容量储能装置自主化，大容量储能技术及兆瓦级储能装置满足电网调峰需要，解决可再生能源并网瓶颈。风电、光伏发电、小水电、生物质能、海洋能、地热能等分布式可再生能源应用形成较大规模，满足我国能源结构调整需要。全面掌握 700 兆瓦及以上大型水电机组设计和制造技术。加快南美、非洲等新兴市场开拓步伐，加快水电成套装备走出去。重点发展：1,000 兆瓦等级超大容量水电机组、700 米及以上超高水头冲击式水轮机组、40 兆瓦及 700 米水头及以上抽水蓄能机组、15 兆瓦及以上可变速抽水蓄能机组、高效太阳能发电设备、5 兆瓦及以上风力发电设备、兆瓦级先进大容量储能装置等。

4). 输变电成套装备。全面掌握特高压交直流输电成套装备设计和制造技术，提升输变电成套装备技术水平，新型高温超导输变电设备实现工程应用。实施变压器等电力装备能效提升计划，进一步提升电力装备能源转换效率。对接《一带一路》战略，通过对外工程总承包，带动输变电成套装备走出去，扩大国际市场份额。重点发展：1,000 千伏特高压交流输电成套装备、±800 千伏及以上特高压直流输电成套装备、±200 千伏及以上柔性直流输电系统及成套装置、智能电网用输变电设备和用户端设备、绿色环保型高效输变电设备、大功率电力电子器件、高温超导材料及高温超导输变电设备等。

5). 关键零部件、材料及配套体系。着力突破阻碍我国电力装备制造业由大到强的瓶颈问题，开展电力装备用关键零部件、材料自主研发并实现工程应用，加快电力装备试验验证平台建设，切实增强电力装备制造业持续创新能力。建立 300 兆瓦及以上重型燃气轮机设计、研发和试验验证体系，突破燃气轮机高温叶片等关键制造工艺；开展输变电成套装备可靠性和特殊环境适应性研究，形成完善标准、试验、检测和认证体系；建立大容量电力电子成套装置等试验验证平台，国产大功率电力电子器件满足国内输变电设备需要。重点发展：重型燃气轮机压气机、高温部件及控制装置；大型核电压力容器、蒸汽发生器、冷却剂主泵、控制棒驱动机构、堆内构件，大型核电汽轮机焊接（整锻）转子，2,000mm 等级末级长叶片，大型半速汽轮发电机转子。高温气冷堆、钠冷快堆、钍基熔盐堆核岛关键主设备；1,000MW 等级空冷机组先进、高效、低成本空冷系统；超超临界煤电机组用三类阀门；可变速抽水蓄能机组发电电动机，可变速水泵水轮机转轮，调速系统，交流励磁及控制保护系统，太阳能大型高效吸热、储换热主设备及控制系统；太阳能大型高效吸热、储换热主设备及控制系统；生物质能和垃圾发电气化装置；大容量发电机保护断路器；智能输变电设备用智能组件；高电压大电流真空灭弧室；高压直流输电用套管；金属薄膜直流电容器；柔性直流输电用高压高功率 IGBT 模块；变压器出现装置；绝缘材料与电工合金。

我从 2015 年开始布局石墨烯电力装备，包括：铜铝合金电缆、耐腐蚀涂料、风电及光伏等项目，不过，除了耐腐蚀涂料在水性可以达到盐雾试验 3,000 小时、溶剂型涂料也可以达到 6,000 小时外，铜铝合金电缆找了合肥、南昌两个一本课题组，竟然连分散都搞不定。不过，根据航材院发布的成果来看，用上我的石墨烯加上负载技术，应该是很有可为！至于风电设备我是想先进行叶片，这是挤拉型玻璃钢增强叶片，使用氧化石墨烯的效果很好，我也曾规划到张家港落地找当地企业合作，不过政府看我不带钱去投资没搭理我！另外，在各地方煤改电政策下异军突起的石墨烯地暖，我们也已经大量在出货了。

最近，我也在调研石墨烯与核电结合的可能性。目前项目少是因为我对于这个行业还在了解中，更多是没有接触过这类的专家，可以提出有关技术短板的问题所在。在我印象中石墨烯曾用来從水中提取放射性物質，Rices 大学 James Tour 與 Lomonosov 大学的 Stepan Kalmykov 展示了一种使用石墨烯氧化物作为吸附剂从水中去除放射性核素的方法，这一发现对清理污染场地来说是个好消息，如可将石墨烯氧化物用于清理因日本 2011 年地震海啸而遭到破坏的福岛核电站污染场地。另外，这一发现还有助于降低水力压裂 (hydraulic fracturing) 的成本，帮助稀土金属矿业实现恢复。Kalmykov 表示：石墨烯氧化物的巨大表面区域决定了其吸收毒素的能力，因此这种物质的高保留属性并不令人感到惊奇，令我们感到惊奇的是其非常快速的吸附能力。石墨烯氧化物较低的成本及可生物降解的特性，应该使得这种物质适合应用于「渗透性反应墙」技术。

另外，英国曼切斯特大学 Sheng Zhang 与 A. K. Geim 组成的研究团队，就曾展示一种利用石墨烯制作的膜作为滤网，来分离质子（氢核，protons）和其同位素氘核（deuterons）。这个研究成果意味着可能利用这种更简单、更便宜的方法以少于 10 倍的能量生产重水，而且可以通过过滤氢元素的不同同位素来帮助清理核废料。该团队的研究人员测试氘核是否可以穿过石墨烯和它的姐妹材料氮化硼，他们本来预料氘核可以轻松地透过，因为现有的理论推断氢、氘这两种同位素的渗透性没有任何区别。结果研究人员惊奇地发现，氘核不仅能被这种单原子厚的膜有效地筛选出来，而且具有很高的分离效率。此外，研究人员还发现，这种分离技术是完全可扩展的。使用化学气相淀积（CVD）的石墨烯，他们开发厘米大小的设备，以有效地从氘和氢的混合物中泵出氢来。

科学家通过仿造含铀、钸、锕类和镧类放射性同位素以及钠和钙等影响石墨烯吸附能力的核废料进行一系列实验，对氧化石墨烯去除核废料的吸收能力和时限进行了测试，并将其在一定 pH 值范围内与常用的膨润土和粒状活性碳进行了比较。结果显示，氧化石墨烯去除放射性污染物的能力更胜一筹。此外，氧化石墨烯捕抓放射性核素方面的另一个优势在于其不会影响放射性核素的放射性，因而只要撤去固体物、烧毁氧化石墨烯就能重新获得放射性物质。已证实氧化石墨烯的燃烧速度非常之快，燃烧后留下放射性物质可以再次投入使用。

还有还有，2017 年武汉大学肖湘衡联合美国爱荷华州立大学 Xinwei Wang，结合单层石墨烯优良的导热性能和钨具有较低的辐照肿胀特点，设计钨和石墨烯的多层薄膜结构，透过光热测量技术测得金属钨与单层石墨烯之间的介面接触热阻在 数量级，证实这种含多层介面的结构对导热性能影响很小，不会阻碍热量的传导。更重要的是，该结构具有明显的「抗辐照」性能。透过引入单层石墨烯，不仅可以使钨纳米薄膜顺利汇出热量，而且这种结构也可以有效地减少由于核辐照引起的巨大损伤。因此，这种新型抗辐照材料，为核反应炉内结构材料的选取、改良和升级提供重要的方法和思路。

Ref.:

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1). Phys. Chem. Chem. Phys., 2013,15, 2321-2327, | DOI: 10.1039/C2CP44593J.

2). Nature Communications, 2017, 8, 151215. | DOI:10.1038/ncomms15215.

3). Advanced Materials, 2016, 29(3): 1604623.| DOI: 10.1002/adma.201604623.

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