核電和風電裝備需求初探

　　能源是國民經濟發展的重要基礎，是人類生產和生活必需的基本物質保障。我國是一能源生產大國，也是一個能源消費大國。隨著國民經濟的快速發展和人民生活水平的提高，對能源的需求越來越高?！笆濉币詠?，我國電力工業得到飛快發展。

　　截止2007年底，中國裝機容量累計約達到6.8億kW ，發電量約3萬億kWh。電力裝機容量排名世界第二，但還是不能完全滿足發展國民經濟和提高人民生活水平對能源需求，人均裝機容量僅約0.45kW。

　　長期以來，我國電力供應主要依賴火力發電。“十五”期間，我國提出了調整能源結構戰略，積極推進核電、風電等清潔能源多元化能源供應，改變過渡依賴煤炭能源的局面。根據我國“十一五”期間電力工業“優化發展火電、有序發展水電、積極發展核電、加快發展氣電、大力發展風電”的發展方針，規劃到2010年在運行的核電裝機容量超過1200萬kW，到2020年在運行裝機容量4000萬kW；2015年風電裝機容量1500萬kW，2020年裝機容量要達到4000~6000萬kW。

　　1 我國核電和風電的現狀和需求

　　1.1 核電

　　我國的核電工業起步較晚，核電設備的制造能力有限。迄今為止，我國已建了4個核電站，共11個核電機組，總裝機容量870萬kW，在國家電能源中的比重很小。目前，我國正處于電力需求高速增長期，高效、清潔的核電列為重點發展對象，并提出我國核電發展戰略。核電發展基本思路是以市場需求為導向，以安全供應為基礎，以經濟效益為中心，加快建設，滾動發展；自主開發與技術引進相結合，以成熟的壓水堆起步，發展國際先進堆型；加強管理，降低成本，增強競爭力，實現技術與經濟的有機結合。從長遠的經濟發展和能源需求來看，中國將成為世界最大的核電市場。

　　我國核電裝備制造業主要集中在華東、西南、東北三地，形成三國爭雄之勢。這三個地區不僅是我國核電裝備制造基地，也是火電和水電裝備的制造基地。上海電氣核電設備有限公司投巨資在臨港建造的核電裝備制造基地，已經初具規模，將達到成套生產核電站核島中主要部件的能力。東北地區則以哈電為核心，輔以一重的大型鑄鍛件的優勢，形成核電裝備生產能力。西南的東方集團也具有一定生產核電裝備的能力。

　　按照《核電中長期發展規劃》確定的我國核電發展目標，到2010年在運行核電裝機容量1200萬千瓦，到2020年新建31座核電站，在運行裝機容量4000萬kW，在建核電裝機容量1800萬kW。我國今后每年至少要新開工建設2個百萬千瓦級核電機組，總共需要投資數千億元。按經驗數據表明，核電裝備投資占到核電站總投資的55%左右，裝備投資中約40%用于購買各種機床設備。

　　1.2 風電

　　自2005年我國通過《可再生能源法》后，國內風電發展很快。2005年我國風電裝機容量為127萬kW，2006年新增100萬kW，發展速度非?？欤?008年我國風電裝機容量將在世界上排名第2位。目前，我國風電設備的生產制造，從由國外提供成套設備或引進技術和部件在國內組裝，逐漸向自主研制開發轉變，國內風電設備產業發展迅速，制造廠家不斷增加，已經形成相當大的制造能力，而且不少地方都在擴建和新建風電設備制造能力。目前，國內風電整機設備制造企業主要有金風科技、維德風電、大連重工、四川東汽等，變速箱（升速箱）的主要生產廠則有南高齒。但是，我國風電設備制造生產正處在初級階段，成套能力嚴重不足，無法滿足國內對風電設備迅速發展的需要，國產風機設備的市場占有率很低，大部分依靠進口。

　　我國可開發利用的風能資源豐富，主要分布在西北、華北、東北以及東部沿海和島嶼等地帶。但目前利用率低，風力發電前景廣闊。由于風電技術的發展，風電成本不斷降低以及減少環境污染的成本，使風電站的單位發電量（kW）造價與火電和水電相已相差不大?！犊稍偕茉捶ā穼L電作為鼓勵發展的重點，因此國內很多省份都在大力增加對風電的投資。到2015年風電裝機容量將達到1500萬kW，2020年裝機容量規劃將達到4000~6000萬kW。很多省、自治區都做了大規模發展風力發電的規劃。

　　2  核電和風電裝備特點及需求

　　2.1 核電裝備特點及需求

　　核電站的裝備主要包括三部分：核島（一回路）、常規島（二回路）、輔助裝備等。其工作原理是：一回路和二回路經過蒸汽發生器進行熱交換：一回路的水將核裂變產生的熱量帶至蒸汽發生器，將二回路的水變成蒸汽，經過穩壓器，推動汽輪機轉動后，蒸汽經過三回路冷凝成水，再回到蒸汽發生器再加熱變成蒸汽，汽輪機帶動發電機發電。人們通常將一回路稱為核島部分，將二回路為常規島部分。

　?。?）核島部分

　　核島部分主要由反應堆堆芯、蒸汽發生器、穩壓器和主泵組成，其中反應堆堆芯包括壓力容器、核燃料棒束、驅動機構等部件。常規島由水泵、汽水分離器、蒸汽輪機、發電機、蒸汽凝結器等組成。此外有支持系統正常運行和保證反應堆安全的輔助設備。這些是核電站設備的主要組成部分。完成這些設備的主要部件的制造可分為以下幾種類型，需要不同機床設備進行加工。

　　壓力容器殼體、蒸汽發生器殼體、穩壓器殼體等大型圓桶類部件，基本上屬于兩端帶有封頭的圓桶型部件，但直徑和高度有所不同。壓力容器和蒸汽發生器的直徑取決于核電站發電機組的大小。目前，主要生產百萬千瓦級核電設備，壓力容器的直徑在φ5m~8m或更大，長度約20m,分為4~5節，焊接而成，材料為特種鋼。毛坯為圓柱型鍛件，需要萬噸壓力機鍛壓成型。后續切削加工需要超重型數控立式車床、超重型數控臥式車床、大鏜桿多軸聯動數控鏜銑床、數控龍門鏜銑床、五軸聯動車銑中心等。這些設備規格大，對于加工精度、主軸轉速和快速移動等參數并沒有特別要求，但是由于這些工件的價格昂貴，而且沒有備件，要求成品率必須100%，因此對機床的可靠性和穩定性有很高的要求。

　　主泵設備。一座核電站需要10多種200多臺各種類型的泵。這些泵都屬于離心泵系列。其中主泵（1級泵）是位于核島心臟部位的關鍵部件，是核電運轉控制水循環的關鍵，屬于核電站的一級設備，每個蒸汽發生器有一個主泵。核島中主泵的結構并不比其它泵復雜，但是要求極高，要求具有絕對的可靠性，是核反應堆中唯一國內目前做不了的設備，完全依賴整機進口。主要是因為主泵要求連續運行至少30年不準出現任何問題。主泵直徑約φ2m，高5m~6m，其主要部件分為兩類：承壓部件（包括泵體、泵蓋、主螺栓、主螺母等）和功能部件（包括葉輪、葉軸、密封件等）。目前，沈鼓正在與美國西屋公司進行聯合研制，總體新設計還沒有完成。除了1級主泵外，還有多種2級、3級泵，各種泵的名稱和功能不一樣，但是原理基本一樣。如安全殼噴淋泵，該泵平時不用，只有發生故障時使用，要求在6s內啟動，起到降溫的作用。這些泵的加工基本上包括了車、銑、鏜，鉆、攻絲等工序。

　　承壓部件（包括泵體、泵蓋、主螺栓、主螺母等）。泵體和泵蓋加工需要的設備主要有大型數控立式車床、數控落地銑鏜床、龍門加工中心等設備。

　　主螺栓、主螺母等加工比一般螺栓和螺母要求高，但是主要是材料和刀具選擇問題。

　　功能部件（包括葉輪、葉輪軸、密封件等）。葉輪和葉輪軸加工需要的設備主要有五軸聯動加工中心、數空車床，大型數控臥式車床等。

　?。?）常規島部分

　　常規島部分主要由蒸汽輪機組、發電機組、水泵、汽水分離器等組成。

　　蒸汽輪機。核電蒸汽輪機的原理和結構都與火電（燃煤）蒸汽輪機相同，不同之處在于同等發電容量的蒸汽輪機組，核電蒸汽輪的直徑比火電蒸汽輪機要大一些，使用的材料也有部分不同，制造要求更高。主要加工零件有葉片、定子、轉子等。主要加工機床有用于加工葉片的不同型號（最大葉片長度超過1600mm）4~5軸聯動加工中心，用于加工轉子的數控重型臥式車床、數控葉根槽銑床，用于加工定子的數控大型落地銑鏜床、數控龍門鏜銑床、大型定子專用機床等，如加工一個重達200多t的60萬kW汽輪機轉子，需要回轉直徑φ3.5m~5.0m、長15m~20m的重型臥車，加工渦輪葉片需要五軸聯動加工中心，加工中壓缸、高壓缸需要龍門寬7.5m~8m，長22m的數控龍門鏜銑床和重型數控立式車床以及鏜桿直徑φ200m~260mm的數控落地銑鏜床等。對這些機床并沒有特殊的要求，一般情況下，具有能滿足火電蒸汽輪機加工需要的機床，基本上也能滿足核電蒸汽輪機加工的要求。在這些機床設備中，大部分中小型葉片加工用4~5軸聯動加工中心和轉子主軸加工用數控臥式車床等，國內基本可以滿足要求。但是大型葉片加工用加工中心和數控葉根槽銑床等數控機床主要依靠進口。

　　發電機。核電發電機與火電發電機基本相同，兩者的加工設備也沒有什么不同。在一般情況下，能滿足火電發電機加工需要的機床，基本上也能滿足核電發電機加工的要求。主要加工件有定子、轉子等。主要加工機床有用于加工轉子的數控重型臥式車床、數控轉子槽銑床，用于加工定子的數控大型落地銑鏜床、大型定子專用機床等。目前，在這些需要的高檔數控機床中 ，部分機床國內可以滿足需要，但是部分機床設備如數控轉子槽銑床等仍然依靠進口。

　　水泵。主要由專業水泵生產廠提供，加工設備沒有特殊要求。

　　汽水分離器。屬于容器類，主要是圓桶類零件加工，主要設備是卷板機、焊接設備等。

　?。?）輔助裝備部分

　　輔助裝備部分主要是指支持核反應堆系統正常運行和保證反應堆安全的輔助設備。主要輔助裝備包括核反應堆控制設備、各種儀器儀表、各種管道、閥門、冷卻裝置以及各種核輻射防護設備等。
這些輔助裝備的制造加工，其所需要的機床設備沒有特殊要求，國產機床基本可以滿足需要。

　　2.2 風電裝備特點和需求

　　風力發電站裝備主要包括以下幾部分：變速箱（升速箱）部分、發電機組、葉片部分、塔基和變電站等。目前，風力發電逐漸向大功率機組發展，而且技術上要求很高，風力發電機組要求可靠、壽命周期長，因此零部件的精度、功能要求高。隨著風力發電技術的發展，風電機組的原理和結構也在發生變化，未來的風電機組在向結構簡單化，體積減小的方向發展。目前，我國正在開發無齒輪箱風力發電機組。如哈爾濱發電設備集團的發電設備工程研究中心開發了無齒輪箱變速變漿永磁風力發電機組，正在研制“變速恒頻風力發電機組”和“直驅型變速風力發電機組”等。代替帶齒輪箱傳動的異步發電機組，具有制造成本降低，運行可靠，維修簡便等優點。并具有自主知識產權。

　　目前，正在生產最多的是有齒輪箱風力發電機組，由于結構比較復雜，完成其各種部件的制造，需要不同機床設備進行加工。

　?。?）齒輪變速箱（升速箱）

　　風機的變速箱主要由箱體、行星輪系和變速機構等組成。

　　變速箱體加工。該箱體屬于大型箱體，根據發電量的不同，直徑在約φ2m~3m，大部分為分體結構。加工需要鏜桿直徑約φ160mm~250 mm的數控落地銑鏜床，大型臥式加工中心、龍門加工中心等，要求精度保持性要好，加工精度要求較高。目前主要使用的是進口設備。

　　齒輪加工。變速箱內的齒輪加工量很大，需要對大型內齒圈、圓柱直齒輪和斜齒輪等齒輪進行成批生產。主要加工設備為大型數控立式滾齒機、數控插齒機、數控磨齒機等。這些齒輪加工機床中，大規格數控齒輪機床普遍要求高效、重載、重切、剛性好的特點，主要依靠進口，中小型使用國產。其中大規格、大模數齒輪和齒圈采用數控成型銑齒機和數控成型磨齒機，數控成型銑齒機要求大切深、大進給、滾速高。數控成型磨齒機要求精度達到5級以上，自動化程度高、自動調心、自動測量、自動修形、穩定性高。目前，國內制造風電用變速箱的企業主要有南高齒。該廠生產任務非常忙，長期3班倒，還是不能完全滿足市場需求，因此要求加工設備穩定、可靠，目前該廠使用的齒輪加工機床基本上是進口設備。

　?。?）發電機組

　　風電用發電機組的原理和結構與火電等其它發電機基本一樣。風電大都使用千瓦級發電機，比火電使用的萬千瓦級發電機，屬于不同級別的機組，從制造角度上看沒有太大難度，能制造火電發電機組的企業，一般都能滿足制造風電用發電機組的要求。但是，風電發電機要求使用壽命達到20年以上，對其穩定性和可靠性要求更高。另外，風電采用變頻聯調和空—空冷卻等設備，也有一些特殊的要求。

　　（3）葉片

　　風機的葉片大多采用環氧玻璃纖維或碳纖維等復合材料制作。葉片設計主要采用全三維氣動仿真和結構有限元仿真，使用真空灌注工藝進行葉片生產。機械加工較少，部分需要沖切成型。

　　葉片的變槳機構主要有變槳電機、減速器和變槳控制器等。對制造設備沒有特殊要求，國內機床可以滿足需求。

　　偏航機構主要部件是帶內外齒的大型軸承和4個小齒論和變速裝置等。該種大型軸承目前國內還不能制造，主要依靠進口。國內“天馬股份”將進行偏航機構用的大型軸承開發制造。其加工設備主要是一些要求較高的專用機床裝備，如CCMT2008展覽會上，齊重數控裝備股份有限公司展出的三臺大型數控專用機床，就是為加工制造風電大型齒輪的設備。

　?。?）塔桶

　　千瓦級風力發電塔桶一般采用普通鋼板材料，輥壓卷曲焊接而成。其直徑約φ3m~5 m，高約80 m，內部設有升降機構。制造的設備主要需要大型卷板機和焊接設備，大型切割設備等。

　　3 小結

　　我國核電和風電裝備制造業起步較晚，屬于新興制造業，原有基礎較差。但是，近幾年發展很快，進入快速增長期，成為電力工業新的增長點，在電力行業中所占比重逐漸增加。國家重視核電和風電的發展，主要是在能源短缺和環境惡化雙重壓力下，進行能源結構調整和能源政策戰略轉移的結果。

　　核電和風電是屬于新興產業，需要新材料、新工藝、新技術、新裝備。機床工具行業應當重視核電和風電的這種需要，作為重點服務對象。

　　核電和風電裝備制造需要的機床特點是大規格、大噸位、高剛度、高可靠性。但是，與核電工業和風電工業的要求相比，國產機床的可靠性和穩定性還有一定差距。雖然用戶對可靠性和穩定性沒有提出定量指標，但機床制造企業必須對這個問題予以足夠的重視。