中國製造2025系列M之八：電力裝備

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2018-11-02

電力裝備是實現能源安全穩定供給和國民經濟持續健康發展的基礎，包括發電設備、輸變電設備、配電設備等。到 2020 年，電力裝備技術水平總體達到國際先進，掌握國際標準制修訂話語權；構建涵蓋煤、水、氣、核、新能源及可再生能源等在內的多元電力供給裝備研發製造體系，自主化率達到 90%；輸變電成套裝備全面滿足國內電網建設需要，自主化率達到 95%。到 2025 年，具備持續創新能力，完善產業配套，形成完整的研發、設計、製造、試驗檢測和認證體系。大型火電、水電、核電等成套裝備達到國際領先水平，新能源和可再生能源裝備及儲能裝置市場佔有率超過 80%。輸變電成套裝備 100% 實現智能化，感測器等關鍵零部件自主化率達到 85%。

根據《中國製造 2025》在電力裝備的發展重點有：

1. 火電裝備。掌握煤電機組環保升級改造技術，提高機組能源轉換效率，實現煤電機組超凈排放。對接「一帶一路」戰略，通過對外工程總承包，帶動火電成套裝備走出去，擴大國際市場份額。重點發展：1,000 兆瓦超超臨界超凈排放煤電機組 (含二次再熱)、600 兆瓦及以上超臨界燃用新疆准東煤鍋爐、600 兆瓦超臨界循環流化床鍋爐、高水分褐煤取水煤電機組、300 兆瓦級 F 級重型燃機、400 兆瓦級G/H級重型燃機、大型火電機組控制系統等。

2. 核電裝備。實施核電裝備自主創新和產業化專項，建立完善的核電裝備自主化產業體系，核電裝備安全性和先進性滿足國際標準最高要求。對接「一帶一路」戰略，通過對外工程總承包，形成具有自主知識產權的核電機組批量出口能力。重點發展：CAP1400 核電成套裝備，華龍一號核電成套裝備，高溫氣冷堆、鈉冷快堆、釷基熔鹽堆核電機組。

3. 可再生能源裝備。實施智能電網成套裝備創新專項，實現大容量儲能裝置自主化，大容量儲能技術及兆瓦級儲能裝置滿足電網調峰需要，解決可再生能源併網瓶頸。風電、光伏發電、小水電、生物質能、海洋能、地熱能等分散式可再生能源應用形成較大規模，滿足我國能源結構調整需要。全面掌握 700 兆瓦及以上大型水電機組設計和製造技術。加快南美、非洲等新興市場開拓步伐，加快水電成套裝備走出去。重點發展：1,000 兆瓦等級超大容量水電機組、700 米及以上超高水頭衝擊式水輪機組、40 兆瓦及 700 米水頭及以上抽水蓄能機組、15 兆瓦及以上可變速抽水蓄能機組、高效太陽能發電設備、5 兆瓦及以上風力發電設備、兆瓦級先進大容量儲能裝置等。

4. 輸變電成套裝備。全面掌握特高壓交直流輸電成套裝備設計和製造技術，提升輸變電成套裝備技術水平，新型高溫超導輸變電設備實現工程應用。實施變壓器等電力裝備能效提升計劃，進一步提升電力裝備能源轉換效率。對接「一帶一路」戰略，通過對外工程總承包，帶動輸變電成套裝備走出去，擴大國際市場份額。重點發展：1,000 千伏特高壓交流輸電成套裝備、±800 千伏及以上特高壓直流輸電成套裝備、±200 千伏及以上柔性直流輸電系統及成套裝置、智能電網用輸變電設備和用戶端設備、綠色環保型高效輸變電設備、大功率電力電子器件、高溫超導材料及高溫超導輸變電設備等。

5、關鍵零部件、材料及配套體系。著力突破阻礙我國電力裝備製造業由大到強的瓶頸問題，開展電力裝備用關鍵零部件、材料自主研發並實現工程應用，加快電力裝備試驗驗證平台建設，切實增強電力裝備製造業持續創新能力。建立 300 兆瓦及以上重型燃氣輪機設計、研發和試驗驗證體系，突破燃氣輪機高溫葉片等關鍵製造工藝；開展輸變電成套裝備可靠性和特殊環境適應性研究，形成完善標準、試驗、檢測和認證體系；建立大容量電力電子成套裝置等試驗驗證平台，國產大功率電力電子器件滿足國內輸變電設備需要。重點發展：重型燃氣輪機壓氣機、高溫部件及控制裝置；大型核電壓力容器、蒸汽發生器、冷卻劑主泵、控制棒驅動機構、堆內構件，大型核電汽輪機焊接（整鍛）轉子，2,000mm 等級末級長葉片，大型半速汽輪發電機轉子。高溫氣冷堆、鈉冷快堆、釷基熔鹽堆核島關鍵主設備；1,000MW 等級空冷機組先進、高效、低成本空冷系統；超超臨界煤電機組用三類閥門；可變速抽水蓄能機組發電電動機，可變速水泵水輪機轉輪，調速系統，交流勵磁及控制保護系統，太陽能大型高效吸熱、儲換熱主設備及控制系統；太陽能大型高效吸熱、儲換熱主設備及控制系統；生物質能和垃圾發電氣化裝置；大容量發電機保護斷路器；智能輸變電設備用智能組件；高電壓大電流真空滅弧室；高壓直流輸電用套管；金屬薄膜直流電容器；柔性直流輸電用高壓高功率 IGBT 模塊；變壓器出現裝置；絕緣材料與電工合金。

石墨烯增強金屬基複合材料的製備方法和性能增強結果

我從 2015 年開始布局石墨烯電力裝備，包括：銅鋁合金電纜、耐腐蝕塗料、風電及光伏等項目，不過除了耐腐蝕塗料在水性可以達到鹽霧試驗 3,000 小時、溶劑型塗料也可以達到 6,000 小時外，銅鋁合金電纜找了合肥、南昌兩個一本課題組，竟然連分散都搞不定。不過，根據航材院發布的成果來看，用上我的石墨烯加上負載技術，應該是很有可為！至於風電設備我是想先進行葉片，這是擠拉型玻璃鋼增強葉片，使用氧化石墨烯的效果很好，我也曾規划到張家港落地找當地企業合作，不過政府看我不帶錢去投資沒搭理我！另外，在各地方煤改電政策下異軍突起的石墨烯地暖，我們也已經大量在出貨了。

最近，我也在調研石墨烯與核電結合的可能性。目前項目少是因為我對於這個行業還在了解中，更多是沒有接觸過這類的專家，可以提出有關技術短板的問題所在。在我印象中石墨烯曾用來從水中提取放射性物質，Rices 大學 James Tour 與 Lomonosov 大學的 Stepan Kalmykov 展示了一種使用石墨烯氧化物作為吸附劑從水中去除放射性核素的方法，這一發現對清理污染場地來說是個好消息，如可將石墨烯氧化物用於清理因日本 2011 年地震海嘯而遭到破壞的福島核電站污染場地。另外，這一發現還有助於降低水力壓裂 (hydraulic fracturing) 的成本，幫助稀土金屬礦業實現恢復。Kalmykov 表示：「石墨烯氧化物的巨大表面區域決定了其吸收毒素的能力，因此這種物質的高保留屬性並不令人感到驚奇，令我們感到驚奇的是其非常快速的吸附能力。石墨烯氧化物較低的成本及可生物降解的特性，應該使得這種物質適合應用於「滲透性反應牆」技術。

另外，英國曼切斯特大學 Sheng Zhang 與 A. K. Geim 組成的研究團隊，就曾展示一種利用石墨烯製作的膜作為濾網，來分離質子 (氫核，protons) 和其同位素氘核 (deuterons)。這個研究成果意味著可能利用這種更簡單、更便宜的方法以少於 10 倍的能量生產重水，而且可以通過過濾氫元素的不同同位素來幫助清理核廢料。該團隊的研究人員測試氘核是否可以穿過石墨烯和它的姐妹材料氮化硼，他們本來預料氘核可以輕鬆地透過，因為現有的理論推斷氫、氘這兩種同位素的滲透性沒有任何區別。結果研究人員驚奇地發現，氘核不僅能被這種單原子厚的膜有效地篩選出來，而且具有很高的分離效率。此外，研究人員還發現，這種分離技術是完全可擴展的。使用化學氣相澱積（CVD）的石墨烯，他們開發厘米大小的設備，以有效地從氘和氫的混合物中泵出氫來。

科學家通過仿造含鈾、鈽、錒類和鑭類放射性同位素以及鈉和鈣等影響石墨烯吸附能力的核廢料進行一系列實驗，對氧化石墨烯去除核廢料的吸收能力和時限進行了測試，並將其在一定 pH 值範圍內與常用的膨潤土和粒狀活性碳進行了比較。結果顯示，氧化石墨烯去除放射性污染物的能力更勝一籌。此外，氧化石墨烯捕抓放射性核素方面的另一個優勢在於其不會影響放射性核素的放射性，因而只要撤去固體物、燒毀氧化石墨烯就能重新獲得放射性物質。已證實氧化石墨烯的燃燒速度非常之快，燃燒後留下放射性物質可以再次投入使用。

還有還有，2017 年武漢大學肖湘衡聯合美國愛荷華州立大學 Xinwei Wang，結合單層石墨烯優良的導熱性能和鎢具有較低的輻照腫脹特點，設計鎢和石墨烯的多層薄膜結構，透過光熱測量技術測得金屬鎢與單層石墨烯之間的介面接觸熱阻在 10^-9~10^-8 Km2╱W 數量級，證實這種含多層介面的結構對導熱性能影響很小，不會阻礙熱量的傳導。更重要的是，該結構具有明顯的"抗輻照"性能。透過引入單層石墨烯，不僅可以使鎢奈米薄膜順利匯出熱量，而且這種結構也可以有效地減少由於核輻照引起的巨大損傷。因此，這種新型抗輻照材料，為核反應爐內結構材料的選取、改良和升級提供重要的方法和思路。

Schematic of tungsten–graphene multilayer system fabrication and process of He+ ion irradiation. The TEM is W/G nanofilm with 15 nm period-thickness irradiated by 50 keV He+ ions to a fluence of 1 × 1017 ions cm?2.

Ref.:

宮非：接地氣系列G之四：石墨烯同軸電纜?

zhuanlan.zhihu.com宮非：接地氣系列G之五：石墨烯全合成機油?