打造原创技术策源地系列报道

代表作1

打造原创技术策源地——

勇闯柔性直流技术“无人区”

本报记者 陈 瑜

“张北的风光点亮北京的灯”，为北京冬奥会全部场馆提供100%绿色电力，对普通公众来说，诗意的表达背后，是名字很学术的柔性直流技术。

“那时国内称之为电压源换流技术，国外管它叫轻型直流技术。”5月，国家电网有限公司（以下简称国家电网）智能电网研究院科技部副主任赵岩在接受科技日报记者采访时，回忆起17年前与柔性直流技术结缘的场景。

　　当时，他还是一名刚考上国家电网中国电科院的博士研究生。

“称谓没有统一，一个重要原因是当时技术刚起步。”赵岩解读。

一套图纸技术转让费达数百万欧元

　　上世纪末，风能、太阳能等间歇式可再生能源发电比重加大，给电网的安全可靠运行带来了巨大挑战，经济性更好的柔性直流输电技术便成为解决大规模新能源并网消纳问题的焦点。因为难度大，它也被誉为电力电子技术皇冠上的宝石。

1997年，世界上第一个柔性直流输电试验工程建成投运。同期，我国也希望发展自己的柔性直流技术，但那时既缺技术，也缺人才。大家把目光转向从国外引进技术。

2001年，现任国家电网智能电网研究院副总工程师、直流输电技术研究所所长的贺之渊几次跟随导师汤广福（2017年增选为中国工程院院士）前往国外洽谈技术引进，“仅仅是建设实验室，对方只给一套图纸，就开出700万欧元的技术转让费，这对我们来说简直是天方夜谭。”

科研“无人区”里从0到1的突破

　　技术引进的路走不通，只能自力更生找出路。

2006年，经过专家论证，国家电网确定了《柔性直流输电系统基础理论与关键技术研究框架》（以下简称《框架》）。这意味着我国启动了柔性直流输电技术领域的全面研究。对赵岩来说，开启的是全新的职业生涯，也是勇闯科研“无人区”的开始。

“世界首个柔性直流输电试验工程建成投运后，世界范围内的相关研究很活跃，然而进展却十分缓慢。”赵岩回忆，当时能参考借鉴的资料非常少，柔性直流技术研究要实现的是真正“从0到1”的突破。

　　该技术涉及多个专业，《框架》为期三年，牵头人汤广福确定了基础理论研究、关键技术、系统分析等十个方向，制定了基础理论—关键技术—设备研制—工程示范的总体技术路线。

　　作为团队中的“长者”，也是“领头羊”，30岁的贺之渊刚博士毕业，带领和赵岩差不多大的“秀才”，开始闯关。

　　虽然平均年龄只有二十五六岁，但团队却集中了当时国内柔性直流领域的主要力量。除了中国电科院，还有国家电网上海电科院、甘肃电科院、福建电科院、浙江大学、华北电力大学、四川大学等也参与了进来。

　　换流阀堪称柔性直流工程的“心脏”。

　　在一间简陋办公室的一张几平方米的桌子上，团队里二十几个人没白天没黑夜地干，像搭积木一样搭出了原理样机。他们白天忙着做试验，晚上凑到一起分析问题、总结经验、布置任务，将第二天可能遇到的隐患考虑周全。正是在这样紧凑、务实、高效的节奏下，他们开创性地开展了一系列的试验项目，对技术做了初步验证。

2011年初，带着经过无数次试验的柔性直流成套设备，团队远赴上海南汇风电场开展工程实施工作。早春时节，上海飘起了鹅毛大雪，大家在零度的气温中，踩着梯子徒手安装设备。项目地处远郊，条件非常艰苦，中午大家就在工地蹲着吃饭，回城吃晚饭常常要等到深夜。

　　历时7年，在国家电网总部的指导下，依托一系列科技项目，研发团队在国内首次建立了柔性直流输电技术的基础理论体系。2011年7月，亚洲首条柔性直流输电工程在上海南汇建成，实现了我国在柔性直流输电技术领域零的突破，投运时间比十几年前开出高价转让费的国外公司仅晚了半年，真正实现了并跑。

　　示范工程投运后，研发团队没有停下创新脚步，继续打造满足更高电压等级的柔性直流技术和装备，最为人熟知的是500千伏张北柔性直流电网工程，让“张北的风光点亮北京的灯”。

　　这几年，国际直流输电热已成不争的事实。2022年，团队中标国外海上风电柔直并网工程，我国柔性直流输电技术成功实现“走出去”。

产学研用一体化机制激发创新动能

“自行设计、自己安装、自己制造，连实验室建设都是自行研发建设起来的。现在回头看，正是因为经历了一个完整的研发过程，我们对整个柔性直流输电技术才有了一个更深刻的认识。”赵岩同时感慨：国家电网的持续投入将创新团队凝聚在一起，让大家可以静下心来做研究。

　　国家电网能源研究院副总工程师兼企业战略研究所所长马莉告诉记者，公司一贯高度重视科技创新工作，坚持加强科技投入，并建立了稳定支持和有序竞争相结合的经费投入方式，尤其对长线研究和基础前瞻研究团队给予了持续、稳定经费支持。

“从立项来看，只要是经过科学论证、需要加快突破的重点方向，国家电网会持续给予大力支持，保证项目有延续、经费有保障。同时，高端人才引领、电力工匠塑造、青年人才托举‘三大工程’，畅通了科研人员的发展通道，让科研人员有更大的‘成就感’和‘获得感’；尤其是近几年在中央企业中率先开展分红激励探索，项目分红、岗位分红等激励措施，为科研人员提供了充分物质保障。”在马莉看来，科研人员最看重的，是国家电网把科研与应用结合，真正推动了创新链产业链对接融合，实现了产学研用一体化，公司内外的创新要素得以集聚并迸发出持久活力。

代表作2

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大型国产化海上风电机组有了“试验场”

◎本报记者 陈 瑜

5兆瓦风机的单桩基础已矗立于海上，其底部牢牢“抓住”水下30多米深处的海床。然而，风机叶片方案还没着落。

　　叶片如同风电机组的心脏，重要性不言而喻。

6月，中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司（以下简称华能清能院）海上风电技术部主任刘鑫在接受科技日报记者采访时，仍对2020年的那一次艰难选择记忆犹新：是选择技术成熟但价格高昂的外国进口碳纤维叶片，还是选择国产首台套碳玻叶片？

国产化设备鲜有海上试验机会

2009年，我国风电行业开启了一次“摸着石头过河”的尝试——风机被从陆上搬至海上，准确说是潮间带。

　　潮间带是指低潮位时海岸裸露出来的区域。十几年后回看，业内甚至直言，这不是严格意义上的海上风电。潮间带风机比陆上风机增加了一些冗余设计，风机所受载荷与陆上风机几乎没有差异。但潮间带试验风电场项目开启了国内海上风电开发建设的新时代。

　　自20世纪90年代以来，作为单体规模大、年利用小时数高的风电发展类型，国外海上风电技术发展到今天已日趋成熟。

　　发展海上风电，我国有着天然优势——海岸线长、可利用海域面积广，而且风能资源主要分布在经济发达、电网结构较强又缺乏新能源的东南沿海地区。“双碳”目标下，我国海上风电优势尽显，发展速度加快。

　　华能清能院党委书记、董事长李卫东告诉记者，2020年底，我国海上风电累计装机量已达世界第二，但大容量海上风电机组仍有多种关键部件被国外厂家垄断。

　　李卫东分析，这很大程度是因为，相较于陆上，海上风机运行环境更加苛刻，造价也更高：一座百万千瓦的海上风电机场耗资大约150亿元，运行过程中需要应对更加极端的气候条件、更加复杂的海洋环境。开发商因而依赖于更稳定、更高效的机型。

“将百亿元设备放到距海岸几十公里的海上，平时看不到，设备出了问题后，如果运气不好，一两周内维修人员都可能因为天气原因过不去，经济损失会很大。”李卫东说，正因如此，之前大家更偏好国外成熟可靠的产品，不愿意使用国产化设备，从某种程度上说，国产化设备连试验的机会都没有。

合力打破海上风电机组国产化不了的“怪圈”

　　为实现大型海上风电机组国产化，2020年，作为我国最大的海上风电开发商之一，中国华能集团有限公司（以下简称中国华能）牵头，联合行业相关的整机厂家、零部件厂家、设计院、科研院所以及施工企业组成海上风电补短板技术攻关团队，2021年又正式成立了更加紧密的海上风电技术创新联合体。

“这是我国未来海上风电发展的重要抓手之一，也是国家能源安全的重要保障。我们希望站在产业链整体角度思考中国海上风电的未来。”在李卫东看来，作为产业链的“链长”，中国华能就是希望联合全产业链，打破海上风电机组国产化不了的“怪圈”。5兆瓦大容量海上风电机组正是推进大型海上风电机组国产化的第一步。中国华能依托华能清能院，联合华能江苏公司、中国海装等多家单位共同开展研发工作。

　　国产化之路并非一帆风顺。刘鑫告诉记者，叶片的国产化过程中就遇到了重大技术挑战，在最开始设计风机单桩基础、塔架承载力时，考虑的是进口的成熟商业化叶片的重量，但国产化5兆瓦机组所配备的叶片长达80多米，项目组虽然革新了已有的叶片设计材料和制造技术，但与原始方案相比，新叶片的重量还是明显增加。

　　增重后的风机安不安全？已经打好的桩基础能不能承载这超出的重量？一系列问题让所有人担忧，更直接关系国产化工作能不能干得下去。

　　作为承担海上风电机组国产化的部门，刘鑫和团队从叶片增重问题出发，采用了华能清能院开发的一体化载荷计算方法，对整个海上风电机组的叶片、机舱、塔架和基础的运行负载做了大量精细的计算，确认叶片增重后风电机组仍可安全运行。

　　作为“链长”，中国华能鼓励产业链的其他环节主动采用自有知识产权新技术、国产化新产品，还对国产化设备“免责”，打消厂家担忧。最终，参研单位实现了大型海上风电机组叶片、主轴承、齿轮箱轴承等一系列核心关键部件国产化，取得了机组关键核心部件全部国产化的既定目标。

“这是以问题为导向，抓住机遇走出的一条自主创新之路。”李卫东总结说。

国产化助推高质量发展

　　国产化5兆瓦海上风电机组的成功，不仅迈出了解决能源领域关键问题上的坚实一步，对海上风电下一步平价化发展也意义重大。值得一提的是，中国海装即将推出单机容量更大、叶片更长的海上风电机组，将有效降低海上风电成本。

　　中国华能党组成员、副总经理樊启祥告诉记者，一直以来，中国华能高度重视自主创新，为更好发挥联合体作用、高质量打造原创技术策源地，出台了专门的保障工作方案，以策源地为试点，赋予策源地所属领域领军人才更大技术路线选择权、经费支配权和团队组建权，5兆瓦国产化大容量海上风电机组研制就是生动体现。

今年印发的《“十四五”现代能源体系规划》提出，提升东部地区能源清洁低碳发展水平，要积极推进东南部沿海地区海上风电集群化开发。与此同时，多地也锚定“蓝海”，海上风电“高质量跃升发展”的主题逐渐明确，国产化将是助推高质量发展的重要抓手。

代表作3

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高温气冷堆：自主创新铸就国之重器

本报记者 陈 瑜

　　山东荣成石岛湾，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站示范工程现场，工程走向商运前的最终调试正在紧张进行。

2021年12月20日，示范工程并网成功，我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一。

　　高温气冷堆被称作“傻瓜堆”——发生异常情况时，该堆可以在不需要任何人为干预的情况下保持安全状态。这对视安全为生命线的核电意义重大。

2003年至今，清华大学、中国核工业集团有限公司（以下简称中核集团）、中国华能集团有限公司（以下简称中国华能）“牵手”近20载，联合一批大型企业，推动我国高温气冷堆从“样品”变为“产品”。从10兆瓦实验堆到20万千瓦示范工程，首台套设备达2200多台（套），创新型设备有600余台（套），设备国产化率高达93.4%。

　　在清华大学核能与新能源技术研究院（以下简称核研院）党委书记、高温气冷堆核燃料元件研发工作带头人唐亚平看来，并网成功是合作带来的直观效益，更深层的效益则是通过体制机制创新，把高校和企业紧紧地结合在一起，将“小核心、大协作”这一协同创新战略构想落到了实处、取得了实效，这将给未来的高温气冷堆批量化、商业化、国际化带来可观前景。

合理配股 构建协同创新格局

2003年1月29日，清华大学10兆瓦高温气冷实验堆成功实现72小时连续满功率运行。实验成功后，清华大学希望寻找志同道合且具有雄厚实力的央企合作推动成果产业化。此时，对正在为谋求更高质量发展寻找突破的原中国核工业建设集团（2018年与中核集团重组）来说，清华大学的橄榄枝无异天赐良机。

　　双方一拍即合，通过校企合作正式启动高温气冷堆工程转化研究。

　　作为参与合作谈判的主要成员之一，中核集团中核能源科技有限公司（以下简称中核能源）党委书记、董事长张国华回忆起当年的场景仍历历在目，“因为是第一次，大家都是摸着石头过河，过程很艰苦，但也卓有成效，包括成立高温气冷堆科技成果转化平台——中核能源，推动高温气冷堆技术从实验室走向市场，实现产业化”。

　　然而，“一拍即合”并不意味着“一帆风顺”。

　　一开始，双方都有顾虑：资本方怀疑技术方到底能不能研发出真正满足市场需求的产品以实现自身投资价值，技术方也对资本方是不是真心实意、能不能坚定不移支持技术研发并进行商业推广没底。

“怎么分工、如何互补？怎么分担责任、如何考虑收益预期？这些事情如果不明晰，会影响合作积极性、紧密程度以及投入力度。”张国华告诉记者，中核能源成立之初采用了双方各占50%的股权分配方式，为“小核心、大协作”创新体系奠定了重要基础。

2004年，随着中国华能的加入，高温气冷堆示范工程三方合作、强强联合的新格局正式形成，校企合作、协同创新迈上新台阶。

联合攻关 共同承担国家使命

　　高温气冷堆的高安全性主要得益于一种基于陶瓷型的4层包覆颗粒的全陶瓷型核燃料元件。这也是“买不来、要不来、讨不来”的关键核心技术。

“清华大学在实验室里将这项技术走通后，在国家科技重大专项支持下，与中核北方核燃料元件有限公司展开合作攻关，让实验室的技术实现了工程化、变成了生产力。”唐亚平说。

　　作为全球首堆，示范工程没有可借鉴经验，面临诸多类似的高难度技术挑战。

　　蒸汽发生器被称为“核电之肺”，也是高温气冷堆最关键设备之一。2008年，承担蒸汽发生器制造任务的哈电集团组建新团队、建设新厂房准备一鼓作气拿下新技术。

　　然而，问题接踵而来。最初的设计是将10兆瓦实验堆小规模的非工业化设备数据提高两到三个量级形成的，然而制造难度太大、经济性不好、后续可检验性不足。

2015年春，为加快蒸汽发生器制造，确保按期交付，在项目业主单位华能石岛湾核电公司的组织下，作为EPC总包方，中核能源推动哈电集团制造专家、核研院设计专家及业主设备采购、安装管理人员协同创新、联合攻关。

　　联合攻关团队在高温堆一比一的工程实验室一起协作，经过8个月不懈努力，前后完成8版设计，修改100多处细项，并一一验证。2018年，从最初算起历时10年，团队攻克了30多项关键技术、打造出了“高温气冷堆之肺”，其中高精密换热管对接焊工艺等18项重大工艺均为国内首创。

　　出了钱还要出人？这在以前是不可思议的事，在示范工程建设过程中却成为常态。

“因为是首堆，合同写得再细，也会碰到很多没有想到的事。”张国华经常说，“不要把与清华大学的合作看作一般商业化工程，而要看成是在联合攻关，在共同承担国家使命。”

　　逐步接受这个观点后，三方合作就越来越顺畅了。

“师徒制”促进文化深度融合

　　除了创新难度大，合作之初三方还面临文化冲突，尤其在示范工程设计工作中。

　　核研院老师习惯于学术研究，喜欢不断探索、追求完美，对设计成果精益求精。中核能源设计人员则更多是工程思维，更加注重进度、成本、可靠性。中国华能设计管理人员更强调项目安全、质量、进度、成本“四大控制”。

“我们推动公司与清华大学共同成立‘联合总体室’，联合举办核工程硕士班，建立‘师徒制’等多种举措全面促进相互理解与深度融合。”张国华说，多年文化融合的成效是显而易见的：老师们更加重视工程技术工作“合理可行、规范变更”的原则，公司员工则更加理解、尊重老师们对创新的追求。

　　中核能源原副总经理杨明德是核研院教授，曾在示范工程现场坚守了4年。他深情地表示，自己既是清华人也是中核人。

　　如今，中核能源52%的员工拥有硕士及以上学历，40%拥有高级职称，其中大部分经过了核研院工程硕士班的培养，双方建立了亦师亦友的深厚情谊。在共同的事业中，高校文化和工程文化和谐共生、相得益彰。

中核集团科技质量与信息化部主任尹卫平表示，科技创新是核工业的立业之本，是核工业发展之魂。在当前历史阶段，核科技创新的重要地位丝毫不亚于任何一个历史时期。中核集团坚持“小核心、大协作”的理念，加强和扩大“国内翼”合作，发挥协同创新单位的优势来共同推动解决集团关注的科学问题，成为集团公司研发体系的重要组成部分和科技创新“新势力”。