關于推進第三代核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化的探索

張宏韜 李 想 郭愛華

(上海市核電辦公室1，上海 200031；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上海 200233)

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關于推進第三代核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化的探索

張宏韜1李 想1郭愛華2

(上海市核電辦公室1，上海 200031；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上海 200233)

針對第三代核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化形勢嚴峻的現狀，上海核電辦公室和國家能源核電站儀表研發(fā)(試驗)中心走訪調研了大量核電業(yè)主用戶、工程公司以及制造企業(yè)。分析了第三代核電關鍵儀控系統(tǒng)的市場需求以及技術特點、難點和挑戰(zhàn)，提出了近階段重點攻關的目標內容。結合上海地區(qū)的創(chuàng)新資源特點，提出了組織第三代核電儀控系統(tǒng)國產化攻關的路徑。

核電站 儀控系統(tǒng) 國產化 技術創(chuàng)新 第三代核電 戰(zhàn)略性新興產業(yè)

0 引言

積極推進核電建設，對于滿足經濟和社會發(fā)展不斷增長的能源需求，保障能源供應與安全，保護環(huán)境，實現電力工業(yè)結構優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，提升我國綜合經濟實力、工業(yè)技術水平和國際地位，都具有重要的意義[1]?！笆濉逼陂g，國家明確要“以沿海核電帶為重點，安全建設自主核電示范工程和項目”[2]。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，核電也成為我國參與國際經濟合作的重要產業(yè)名片。

近年來，我國核電主設備和輔助設備的研發(fā)和制造能力都取得長足的進展，但是作為核電站“中樞神經”的儀控系統(tǒng)，我國在役核電機組絕大部分采用進口產品，因此，推進核電儀控設備國產化工作已經迫在眉睫，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 核電儀控設備國產化的現狀和特點

目前，我國在役核電機組所采用的儀控系統(tǒng)中，最為關鍵的核島核安全級儀控系統(tǒng)幾乎完全被外國廠商所壟斷，非核級安全重要的關鍵儀表也多采用進口產品。核電儀表的國產化不僅能有效提升核電站的運營安全，而且可以降低核電站的建設成本。儀控系統(tǒng)的采購成本約占核電站建設成本的 5%～10%，規(guī)模達到數十億至上百億美元。核電儀表的研制和試驗要求是儀器儀表行業(yè)中的至高標準。目前，我國核電關鍵儀表產品的技術瓶頸主要體現在原材料、加工工藝、精密電子元件、密封性、抗輻照性等基礎工業(yè)和共性技術上。

①儀控設備種類繁多、精度要求高，企業(yè)研發(fā)動力不足。

核電站儀控系統(tǒng)控制著核電站近300多個系統(tǒng)、近萬套設備，是核電站四大關鍵設備系統(tǒng)之一。儀表種類主要包括溫度、壓力、流量、物位、監(jiān)測以及分析儀表等。每一類儀表均具有多種原理和要求，因此核電站對某一特定種類儀表需求就相對有限。同時核電站對儀表的精度和可靠性要求高，這也是目前我國國產儀表和國外儀表的主要差距。提高精度和可靠性需要投入大量的科研經費和人力。

②核電儀控設備國產化起步較晚，水平相對較低。

我國在1990年引進先進壓水堆技術M310時，國產化水平大約在1%。隨著我國工業(yè)體系的不斷完善、制造水平的不斷提高，國內企業(yè)逐步形成了批量化成套供貨的能力。在采用二代+技術的CPR1000工程中，寧德、陽江核電站的國產化率已有長足的進步，達到80%。從核島主設備和核級大型鑄鍛件來看，國產化已基本實現：除主泵外，核級泵的國產化率已達95%以上，核級閥門的國產化率也在90%以上。但儀控部分僅在盤、臺、箱、柜要求較低的領域實現了國產化，對于儀表、執(zhí)行機構、專用控制系統(tǒng)而言，國內企業(yè)雖然已經通過技術引進合作形式開展國產化工作，但通常應用于常規(guī)火電非重要系統(tǒng)，在核電領域仍然鮮有業(yè)績。

③儀控產品與國外相比研發(fā)力量薄弱，尚未形成體系。

目前，為國內核電站提供儀表產品的國外企業(yè)主要是：美國的EMERSON、ROSEMOUNT、FISHER、MASONELAN；德國的HERAEUS 、WIKA；法國的BOURDON、HERMOCOAX等企業(yè)。產品覆蓋各類傳感器、變送器、調節(jié)閥、電動執(zhí)行機構、溫度儀表、流量儀表、液位儀表等幾乎所有高端儀表類設備。國際上，核電站的儀表供貨通常由總包商集成，并向業(yè)主供貨，法國Areva和美國Westinghouse 都具有綜合集成能力。Areva旗下更有眾多中小型設備制造企業(yè)，能提供產銷售后一條龍服務；Westinghouse將制造環(huán)節(jié)轉移外包之后，專攻集成和售后，具備極強的技術服務能力。國內已涉入核電儀表領域的企業(yè)主要有：上海自動化儀表有限公司、重慶川儀自動化股份有限公司、上海光華儀表有限公司、北京布萊迪工程技術有限公司、承德熱河克羅尼公司、開封儀表有限公司等。這些企業(yè)以中小型企業(yè)為主，專業(yè)覆蓋面較窄，尚未出現具備完整儀表供貨產業(yè)鏈的龍頭企業(yè)?？傮w而言，核電業(yè)務占業(yè)務總額比重較低。

④三大核電集團已經布局控制系統(tǒng)的國產化，并取得了一定成績。

2005年，由中廣核集團與北京和利時集團合資成立廣利核公司，主要從事核電數字化儀控系統(tǒng)設計、制造和工程服務。2010年，廣利核發(fā)布了其具有自主知識產權的核安全級數字化控制平臺研發(fā)成果。2008年，中核集團成立中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司(簡稱中核控制)；2010年，中核控制推出了首套核電數字化控制系統(tǒng)平臺——NicSys1000。我國引進三代AP1000核電技術后，國家核電技術有限公司與上海自動化儀表有限公司合資組建了國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，作為AP1000數字化儀控系統(tǒng)技術轉讓指定受讓方，全面接收了AP1000數字化儀控系統(tǒng)工程設計和設備制造領域的技術。經過多方努力，我國已經具備非安全級控制系統(tǒng)的國產化能力，但是安全級控制系統(tǒng)和關鍵儀表仍是儀控國產化必須攻關的重要“堡壘”。

2 三代核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化的緊迫性

當前，我國在建核電機組已全面提升到第三代核電系統(tǒng)，AP1000、華龍一號、CAP1400、EPR等三代技術堆型的安全性要求更高，對儀表和控制系統(tǒng)提出了新的要求。

①市場容量大，國產化水平要求高。

按照“十三五”規(guī)劃，至2020年，我國核電將實現在運5 800 萬kW、在建3 000 萬kW的目標。按此計算，未來五年核電投資額將至少新增5 000 億元，儀控設備投資約占整個核電站投資的10%，市場容量將達到500億元級別。隨著核電“走出去”，海外項目的逐步開工建設，以及現有核電機組的需求，市場容量將更加可觀。同時，國家能源局在針對我國自主研發(fā)三代核電“華龍一號”的批復中要求，充分利用我國目前的核電裝備制造業(yè)體系，支持關鍵設備、零部件和材料的國產化工作，壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、數字化儀控系統(tǒng)、堆內構件、控制棒驅動機構以及常規(guī)島等關鍵設備，泵、閥等零部件，690U型管、核級電纜、焊材等關鍵材料的國產化比例不能低于85%。這為儀控設備制造商提供了巨大的市場機遇。

②儀控設備國產化是產業(yè)轉型升級的要求。

核電儀表的國產化能有效帶動我國儀器儀表、電子元件、基礎材料等相關產業(yè)的技術發(fā)展。與核電蓬勃發(fā)展的態(tài)勢不同，面對日益嚴重的環(huán)境污染壓力，控制煤電開工規(guī)模、優(yōu)化電力調度、避免火電投資對新能源的擠出效應，已經成為社會的共識。對于制造企業(yè)而言，盡早進行產業(yè)轉型升級，重點布局技術水平要求和附加值高的三代核電是其必然選擇。這也有利于企業(yè)提高管理水平，增加國際競爭力。

③儀控設備國產化是形成三代核電自主可控、系統(tǒng)集成能力的關鍵一環(huán)。

隨著核電建設的發(fā)展，越來越多的核電子系統(tǒng)采用集成發(fā)包或者小總包的模式，這就對核電產業(yè)鏈的完整性以及關鍵設備自主研發(fā)、生產的能力提出了很高的要求，對于制造商而言，既是機遇也是挑戰(zhàn)。上海地區(qū)工業(yè)基礎好，也是我國最早開展核工業(yè)的地區(qū)之一，具有國內最完整的核電產業(yè)鏈，逐步形成常規(guī)島(TG包)、核島設備的總包集成供貨能力。在AP1000技術重大專項的扶持下，儀控設備的系統(tǒng)集成能力大大提升，但部分關鍵進口產品仍然受制于人。加快儀控設備國產化的進程，是提升能力、應對國內外市場競爭的關鍵。

3 三代核電儀控設備國產化的重點選擇

目前，三大核電集團針對DCS控制系統(tǒng)都已布局開展工作，但是支撐其發(fā)展的關鍵核級儀表和專用控制系統(tǒng)仍是薄弱環(huán)節(jié)，應將其作為“十三五”期間制造企業(yè)攻關的重點。根據已有的技術能力及經驗積累，可以將待國產化的儀控設備分為以下三種情況。一是技術條件好，已有相關業(yè)績，或者已經用于試驗堆、出口項目的儀控設備，可以根據三代核電技術要求、標準規(guī)范作出改進，逐步實現產業(yè)化。二是技術難度高，需要進行技術開發(fā)和攻關，完成樣機研制和試驗，并通過鑒定認證才能實現國產化的儀控設備。三是在出口海外項目中，受制于禁運條約，必須實現國產化替代的儀控設備。

針對以上情況，上海市核電辦公室與國家能源核電站儀表研發(fā)(試驗)中心走訪了多家工程公司、核電站以及制造企業(yè)，初步提出應聚焦攻關以下產品。

①溫度儀表：如快響應熱電阻、堆芯熱電偶等。

②壓力儀表：如一體式壓力變送器、差壓變送器等。

③流量儀表：如電磁流量計、超聲波流量計等。

④液位儀表：如導波雷達、超聲波液位計等。

⑤分析儀表、輻射監(jiān)測儀表。

⑥調節(jié)閥及執(zhí)行機構。

⑦專用控制系統(tǒng)：如核島3R系統(tǒng)、堆芯冷卻監(jiān)視系統(tǒng)、各重要設備在線監(jiān)測及診斷系統(tǒng)等。

上海地區(qū)是國內儀控研發(fā)制造企業(yè)比較集聚的地區(qū)之一，擁有多家具備參與儀控設備國產化攻關能力和基礎的企業(yè)單位，如表1所示。

表1 上海地區(qū)國內儀控研發(fā)制造企業(yè)

續(xù)表1

4 核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化的途徑

推進第三代核電儀控國產化工作符合國家能源裝備發(fā)展的導向[3]?！渡虾Ｊ兄圃鞓I(yè)轉型升級“十三五”規(guī)劃》中指出，要突破數字化核級安全保護控制系統(tǒng)、核級儀控等關鍵配套設備核心瓶頸[4]。上海作為國家重要的先進制造業(yè)基地，在電子信息、工業(yè)控制、儀器儀表等領域具有良好的產業(yè)基礎，下一步應整合資源、形成合力、全力推進。

①加強組織領導，確保國產化工作順利進行。

由于國產工作涉及單位多、內容龐雜，應加強組織領導，建議在國家有關部門指導下，上海市率先成立儀控設備國產化工作小組，協(xié)調工作中的重大問題，組織對接國產化依托工程，幫助落實技術攻關費用和政策支持。工作組由行業(yè)管理部門牽頭，以上海儀控設備主要企業(yè)為主體、科研機構為支撐，形成從科研攻關-樣機生產-檢驗認證-工程應用的國產化機制。

②建立重大項目攻關機制。

針對國產化需求迫切、技術水平要求高的產品，組織上海地區(qū)優(yōu)勢資源，形成“政產學研用”緊密結合的重大項目攻關機制。由政府有關部門引導，搭建工作平臺，依靠上海地區(qū)豐富的高校、科研院所的技術實力，針對重點產品重點攻關，引進第三方檢驗機構以及業(yè)主單位對科研成果進行檢驗、認證，保證科研成果的最終產業(yè)化。

③注重檢驗認證平臺建設，保證自主可控。

在重視技術研發(fā)、技術引進、產品生產的同時，還要注重檢驗認證平臺的建設，這也是國產化工作中的重要一環(huán)。沒有自主的驗證的能力和手段，就無法實現真正的自主研究開發(fā)。在此領域，核電強國均有大型第三方技術機構的支撐，如法國必維集團、阿拜維集團。上海地區(qū)也有很好的資源，上海工業(yè)自動化儀表研究院于2010年被國家能源局授牌“國家能源核電站儀表研發(fā)(試驗)中心”，其技術能力如圖1所示。只有建設和利用好檢驗認證平臺，才能做到項目“散而不放”，保證國產化項目實施和質量。

圖1 國家能源核電站儀表研發(fā)(試驗)中心技術能力圖

④通過產業(yè)鏈的協(xié)同，促進國產化工作的推進。

用戶掌握產品的第一手信息，是產品市場的主體單位，由業(yè)主或者工程公司引導制造企業(yè)模式，通?？梢云鸬绞掳牍Ρ兜男ЧＭ瑫r，由于出口項目受到禁運條約的限制，對外工程公司正在大力支持制造企業(yè)實現設備國產化，實現互利共贏。工作組應當推動業(yè)主公司、工程公司與制造企業(yè)的對接，保持供需方的信息暢通，打通產業(yè)鏈。

⑤建設產業(yè)基地，提高設計集成能力。

2015年，位于漕河涇的核電“四新基地”的掛牌，為上海核電產業(yè)的集聚發(fā)展打開了新的篇章，對于儀控設備國產化工作也具有重要意義。通過產業(yè)基地輻射帶動作用，吸引市外優(yōu)勢企業(yè)到上海發(fā)展，可以大大提高上海地區(qū)儀控設備的設計集成能力。

⑥加大產業(yè)政策扶持力度。

核電產業(yè)作為上海市鼓勵發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，儀控設備作為核電廠內高技術含量設備，其國產化工作對于上海地區(qū)制造業(yè)升級發(fā)展具有重要意義，建議上海市有關產業(yè)政策進一步聚焦支持核電儀控裝備國產化工作，并適時爭取國家產業(yè)政策支持。同時，應當引導社會資本以及通過組建產業(yè)基金等形式，加強與業(yè)主單位的合作，加大對儀控設備研發(fā)攻關的投入，力爭儀控設備國產化工作在“十三五”期間實現新突破。

5 結束語

上海是我國核電產業(yè)的發(fā)源地和重要基地，在當前國內核電建設加快和核電裝備“走出去”的形勢下，上海地區(qū)核電儀控領域的骨干企業(yè)和科研機構應該加強緊密合作，在國家產業(yè)政策的指引和核電用戶的支持下，聚焦第三代核電關鍵儀控系統(tǒng)國產化目標，明確重點，提升能力，聯(lián)合攻關；通過若干年的努力，一定可以改變我國核電儀控產品國產化比重較低的現狀，為核電產業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展作出更大貢獻。

[1] 國家發(fā)展改革委.核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005～2020年)[Z].2007.[2] 國家發(fā)展改革委.國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要[Z].2016.

[3] 國家發(fā)展改革委,工業(yè)和信息化部,國家能源局.中國制造2025—能源裝備實施方案[Z].2016.

[4] 上海市經濟信息化委.上海市制造業(yè)轉型升級“十三五”規(guī)劃[Z].2016.

Exploration on Promoting the Localization of the Critical Instrumentation and Control System for the Third Generation Nuclear Power

In view of the status quo of grim situation of the localization of critical instrumentation and control system for the third generation nuclear power, a large number of owners and users; engineering companies and manufacturing enterprises of nuclear power are visited and investigated by Shanghai nuclear power office and national energy nuclear power plant instrument research and development (experiment) center.The market demand,technical characteristics, difficulties and challenges of the critical instrumentation and control system for the third generation nuclear power are analyzed and the target content of the key research goal in recent stage is put forward.Combining with the features of innovation resources in Shanghai area, the research path of organizing localization of critical instrumentation and system for the third generation nuclear power is proposed.

Nuclear power station Instrument & control system Localization Technological innovation The third generation of nuclear power Strategic emerging industries

張宏韜(1976—)，男，2011年畢業(yè)于上海交通大學機械制造及其自動化專業(yè)，獲博士學位；主要從事智能制造裝備和高新技術產業(yè)化的研究。

TH-3；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611013

修改稿收到日期：2016-10-18。