本文摘自趙憶寧著《大國工程》, 作者深入第一線調研採訪大飛機, 高鐵, 特高壓, 港珠澳大橋這四項中國超級工程, 傾聽中國科學家, 工程師, 企業管理者, 工人講述中國重大工程如何實現自主創新.
陳維江, 中國科學院院士, 國家電網公司交流建設部副主任. 曾榮獲2012年度國家科學技術進步獎特等獎(排名第2). 陳維江在任國網武漢高壓研究院院長期間, 主持建設了中國第一個特高壓交流輸電試驗基地, 主持過多項特高壓交流輸電關鍵技術研究項目, 為中國特高壓電網的建設做出了重要的知識貢獻, 也由此奠定了他在中國高電壓研究領域的權威地位.
一, 中國輸電網曾落後西方20年
趙憶寧: 在輸電技術領域, 20世紀中國與發達國家的差距有多大?
陳維江: 從世界電網的發展曆程看, 輸電網已經有100多年應用曆史了. 就輸電技術從低電壓到高電壓等級提升的過程看, 西方國家一直領先, 中國比世界發達國家首次出現更高電壓等級輸電網(超高壓輸電網)的時間也晚了大約20年. 1972年6月16日, 我國自行設計, 自行製造設備, 自行施工安裝的第一條330千伏超高壓輸變電線路——劉(劉家峽)—天(天水)—關(關中)線路——投入運行, 而瑞典早在1952年就已經建成380千伏的輸電工程了. 不僅如此, 在750千伏輸電技術上, 我們更是晚了40年. 1965年加拿大最早建成麥尼誇根—魁北克市—蒙特利爾735千伏的輸電工程, 而我國首次全面掌握750千伏電網建設及運行技術, 是在2005年建成了青海官亭—甘肅蘭州東輸變電工程.
表31
趙憶寧: 從中外輸電線路建設曆程(見表31)上看, 輸電網電壓等級提升的周期一般是多長時間?
陳維江: 在用電負荷持續增長的前提下, 輸電網從低電壓等級向高電壓等級提升的周期一般是10~ 20年. 低電壓等級輸電網提升的周期相對短一些, 而高電壓等級輸電網從研發到運營的時間跨度一般要在20年左右, 從超高壓到特高壓的提升就經曆了接近20年的時間.
趙憶寧: 為什麼中國亮起第一盞電燈只比世界第一盞電燈的誕生晚三年, 而電網的建設會有20~ 40年的差距呢?
陳維江: 是的, 1882年7月上海首次點亮15盞電燈, 距1879年10月世界第一盞電燈的誕生時間不算長. 但是, 輸電技術發展及電網建設與一個國家的經濟發展水平密切相關. 改革開放以來, 我國電力工業發展迅速, 到2013年年底, 全國電力總裝機容量高達12.3億千瓦, 超過美國成為世界上電力總裝機容量最大的國家. 不僅電力生產與經濟增長呈正相關的關係, 電力技術的發展也與經濟發展的軌跡吻合. 長時間以來西方國家經濟較發達, 對電力生產傳輸技術的升級換代需求較大, 技術發展自然也比較快. 直到2009年中國建成特高壓輸電工程, 才開始改變這個格局.
二, 特高壓輸電在世界各國的探索與命運
趙憶寧: 世界首條特高壓輸電線路於1985年在蘇聯建成, 為什麼後來沒有長期運行?
陳維江: 你說得對. 蘇聯於1985年建成埃基巴斯圖茲—科克切塔夫—庫斯塔奈1 150千伏特高壓輸電線路, 線路全長900公裡, 但是僅斷斷續續運行了5年的時間, 1991年蘇聯解體以後, 特高壓輸電工程就下馬了, 由原來的1150千伏降到500千伏. 這有三個原因: 其一是政治原因, 蘇聯的解體導致這條線路已經不在俄羅斯本土, 而是在哈薩克境內;其二是經濟原因, 蘇聯解體後, 15個加盟國經濟快速下滑, 對電力的需求大大下降;其三是技術原因, 不僅是設備, 包括輸電線路方面的技術, 比如像電磁環境的控制等, 不是很好. 上述幾個因素的綜合作用使其降到500千伏運行.
趙憶寧: 世界各國從什麼時間開始研究與建設特高壓輸電網?
陳維江: 是在20世紀的60—90年代. 美國, 日本, 蘇聯, 意大利等國家當時經濟快速增長, 電力需求旺盛, 對建設特高壓電網有很大的動力. 但是只有蘇聯建成工程, 儘管後來降低了運行電壓, 其他國家都沒有建成完整的工程.
比如美國, 1967年開始對1000千伏特高壓輸電的特性展開研究, 當時主導這項技術研究的有美國電力公司(American Electric Power, AEP)和美國邦納維爾電力局(Bonneville Power Administration, BPA), 它們建了一些試驗設施, 甚至規划了工程, 但是規劃沒有付諸實施, 主要原因是遇到了20世紀70年代的石油危機. 另外, 美國能源供求的不平衡性不是很突出, 對特高壓遠距離, 大容量的傳輸需求隨著經濟增長的放緩和產業結構調整變得不再迫切, 原來所規劃的特高壓電網的建設和技術的應用就都被擱置了. 客觀地說, 20世紀美國在世界上研究特高壓輸電技術的國家中算是比較領先的, 但是美國沒有實現工程應用.
趙憶寧: 日本的情況呢?
陳維江: 日本是一個多島小國, 國土面積不足38萬平方公裡, 對特高壓遠距離, 大容量輸送的需求客觀上來說沒有大國的需求旺盛. 但是20世紀60—70年代日本經濟高速發展, 而資源短缺, 便規劃千萬千瓦的核電項目, 負荷中心在東京灣沿岸區域, 如果用500千伏輸送, 輸電線路將比較密, 佔用的走廊面積大;如果提升輸電壓等級, 可提高輸電效率, 節約土地資源. 日本基於這樣的需求也開始研究特高壓輸電技術.
日本研發出了特高壓輸電的相關設備, 還建了兩條同塔雙迴路的特高壓交流輸電線路, 其中一條就是從福島到東京的線路. 兩條輸電線路約430公裡, 分別於1992年和1999年建成. 雖然建成了兩條線路, 設備也有了, 但並不是完整的工程, 因為變電站用的還是500千伏設備. 日本1000千伏特高壓輸電線路降壓至500千伏等級運行. 其原因仍然是經濟危機導致需求下降, 原來所規劃的大規模核電項目未付諸實施. 在福島核電站沒有出事之前, 我們曾經詢問日本東京電力的同行究竟是否上馬特高壓輸電項目, 當時他們還說他們的項目會儘快上馬. 但是福島核電事故以後, 日本投運特高壓輸電項目的可能性就更小了.
趙憶寧: 意大利是不是也開展過特高壓輸電工程實踐?
陳維江: 意大利在歐洲算得上工業基礎強國. 通常來說, 歐洲國家輸電網的最高電壓等級為380千伏, 最高運行電壓是400千伏. 意大利當時工業比較發達, 想把南部的煤電送到北部, 為此研究特高壓輸電技術. 意大利當時選的標稱電壓是1050千伏, 並建立了試驗站, 對絕緣子與電磁環境特性做了一些研究, 也建成了幾十公裡的試驗線路, 但是, 還是因為經濟方面的原因, 原來規劃的工程沒有上馬. 美國, 日本加上意大利都曾經研究開發過特高壓輸電技術, 但最終由於經濟方面原因項目停滯或者暫緩, 或者是降低輸電壓等級.
1988年國際大電網委員會成立了一個工作組, 對世界範圍內特高壓輸電技術的開發做過一個調研和總結, 其結論是: 特高壓交流輸電技術沒有不可逾越的障礙, 已經基本上達到可以應用的程度. 正是鑒於上述國家的實踐, 特高壓輸電在技術方面已經沒有障礙.
趙憶寧: 這些國家在20世紀70年代開展的特高壓輸電的研究, 前提是預測未來電力需求急驟增長, 如果不上馬新電壓等級輸電網, 電網可能滿足不了需求. 但是實際上20世紀70年代末, 這些國家經濟發展變緩, 電力需求量年增長只有1%~ 2%, 因此特高壓輸電研究被擱置, 特高壓輸電計劃被取消, 這倒是印證了經濟學中的生產可能性邊界理論.
陳維江: 是的. 發達國家雖然研究開發了特高壓輸電技術, 但是由於經濟下滑導致了技術的閑置, 未能完成經濟資源和生產技術最大限度的結合. 而中國恰恰是存在經濟增長的潛力, 即存在生產可能性和市場的需求. 另外, 20世紀的特高壓輸電技術和設備均不成熟, 也沒有相關的技術標準和規範.
三, 中國特高壓輸電為何是自主創新
趙憶寧: 談到特高壓輸電, 聽到最多的是 '自主創新' . 我的問題是, 在我們之前已經有歐美國家的實踐, 何來 '自主' 與 '創新' ?
陳維江: 長期以來, 中國電力技術的發展, 從高壓到超高壓輸電技術的發展, 實際上是走了 '引進吸收消化再創新' 的道路, 或者叫跟蹤式的技術發展路線. 關於特高壓輸電, 中國到底有哪些創新?如果按照過去的發展模式, 我們是不是仍舊可以走 '引進吸收消化再創新' 的道路呢?回答是不可以.
趙憶寧: 為什麼?
陳維江: 發達國家雖然開展過特高壓輸電試驗研究, 蘇聯還建設了特高壓輸電工程, 但是並沒有形成成熟的技術和設備, 更沒有完整的技術標準體系以供參考. 雖然國際大電網委員會認為已經沒有障礙了, 但是如果我們依舊走老路, 馬上就會遇到一個問題: 當中國建設500千伏電網時, 我們還能夠買到 '八國聯軍' 的設備, 但是建設1000千伏電網, 技術與設備從哪裡引進?我們即便是有錢, 在國際市場也買不到!另外, 雖然國外研究過特高壓輸電技術, 但是別人研究過並不等於你就掌握了;加之20世紀的技術水平, 已經同目前科學技術的水平無法相比, 眾多新材料相繼出現, 電子資訊技術飛速發展, 特別是輸電線路對變化的環境更加敏感, 這都導致已經不可能照搬原來的技術. 問題的關鍵是國外的技術還存在一定的缺陷, 即使蘇聯建成了完整的工程, 但當時變電站採用的是敞開式布置, 這樣的技術顯然落後了. 在這樣的情況下, 我們面臨的技術難題, 採用 '引進消化吸收再創新' 的技術路線去攻克, 走不通了, 必須要走自主創新之路.
趙憶寧: 這個技術路線非常獨特, 不同於我國的高鐵和大飛機研發路線, 有點類似於我國原子彈以及航天技術的研發路線.
陳維江: 無論是西門子, ABB還是日本三大電氣設備製造公司, 即便它們擁有特高壓輸電設備製造技術, 也不會無償給我們. 當然, 科學技術發展規律是無國界的, 特高壓輸電技術研發的思路, 方法及部分結論是可以參考的. 遺憾與慶幸同在: 當今世界上沒有特高壓輸電的成熟技術和設備, 關鍵參數與技術特性的獲取, 也只能立足於自主創新. 所以說特高壓輸電給了中國一次實現跨越式發展與自主創新的曆史性機會.
趙憶寧: 但是其難度也是顯而易見的.
陳維江: 是的. 曆史上中國電網技術發展都是跟蹤式的發展, 縮小差距, 趕上世界先進水平已經很難了, 而現在要超越發達國家, 提升一個電壓等級, 這意味著要突破現有的工業基礎限制, 突破已有的技術與人才儲備限制, 全面掌握特高壓輸電技術, 自主研發的難度確實很大.
趙憶寧: 2004年年底, 國家電網公司正式提出發展特高壓輸電技術, 為何在短短5年後就能夠建成一個特高壓輸電示範工程?
陳維江: 實際上, 中國在特高壓輸電技術領域的研究一直跟蹤著國外的技術發展. 電力部門下屬的科研單位, 從1986年起, 就做過一些跟蹤性的可行性與試驗性研究, 但是研究在深度和廣度上都還沒有達到技術適用的程度. 2004年國家電網公司提出在中國研發和應用特高壓輸電技術後, 我們組建了一支超大規模的創新團隊, 形成了名副其實的產學研協同創新模式, 專門成立了特高壓輸電建設部, 組織幾萬人蔘與技術研發與工程建設.
趙憶寧: 除了技術跟蹤之外, 中國的體制具有什麼樣的助推作用?
陳維江: 為什麼我們能花較短的時間取得成功, 當然得益於中國的體制優勢. 我們的體制優越性突出體現在能集中力量辦大事, 特別是體現在配置資源的能力, 組織協調的力度上, 能夠真正實現產學研協同創新. 在這個方面俄羅斯, 美國, 日本, 意大利的同行們是無法與我們相比的.
趙憶寧: 中國特高壓輸電工程的建設帶來哪些外部效應?
陳維江: 最重要的是推動中國電力技術實現重大進步, 大幅提升了中國在國際電工領域的影響力和話語權. 中國特高壓輸電自建成第一個示範工程以來, 共完成180項關鍵技術研究課題, 形成429項專利, 建立了包含7大類79項標準的特高壓交流輸電標準體系, 涵蓋系統研究, 設備製造, 調試試驗和運行維護等環節. 目前我國的特高壓交流輸電標準電壓已被推薦為國際標準電壓, 國際大電網委員會與電氣和電子工程師學會先後成立了由我國主導的9個特高壓輸電工作組, 國際電工委員會(IEC)成立了特高壓交流輸電系統技術委員會(TC122). 我國成為繼美, 德, 英, 法, 日之後第六個國際電工委員會常任理事國, 在國際標準制定方面的話語權和影響力顯著提升. 標準化水平不僅是衡量一個企業核心競爭力的重要指標, 也是衡量一個行業乃至國家核心競爭力的重要指標. 通過制定標準搶佔技術制高點, 已成為世界知名企業參與全球競爭, 提高核心競爭力的重要途徑.