每日报道:非凡十年·能源发展成就报告——能源科技篇

时间:2022-10-28 08:37:19 来源: 中能传媒研究院


发挥科技创新第一动力作用


(资料图片仅供参考)

(来源:微信公众号“中能传媒研究院”作者:邱丽静 中能传媒能源安全新战略研究院)

党的十八大以来,我国持续推进能源科技创新,能源技术水平不断提高,一大批能源新技术、新模式、新业态蓬勃兴起,能源领域科技创新实现从“跟跑、并跑”向“创新、主导”加速转变,科技进步成为推动能源发展动力变革的基本力量。

一、清洁能源发电技术加快推进

党的十八大以来,我国已形成较为完备的可再生能源技术产业体系。水电领域具备全球最大的百万千瓦水轮机组自主设计制造能力;低风速、抗台风、超高塔架、超高海拔风电技术位居世界前列,10兆瓦海上风机开始批量生产;光伏发电技术快速迭代,光伏电池转换效率多次刷新世界纪录;全球首个商用高温气冷堆核电站已经并网发电,国核一号示范工程建设取得重大进展。

(一)水电技术居世界领先水平

大型水电机组制造不断迈上新台阶。我国先后完成了澜沧江、金沙江、怒江等大中型河流的水电规划,建成投产了白鹤滩、乌东德等一批大型特大型常规水电工程。同时,我国大型混流式、贯流式、轴流式以及可逆式水电机组均已实现自主设计制造,到达国际领先水平。2021年投产的白鹤滩水电站,16台百万千瓦混流式水电机组全部国产化。同年全面投产发电的乌东德水电站,是世界第七、我国第四大水电站,是十年来我国开工建设并投产的首个千万千瓦级世界级巨型水电站。高坝筑坝技术领跑全球。我国水电站建设在坝高、坝型和筑坝技术上的发展突飞猛进。水库大坝数量之多、规模之大位列世界前茅,世界最高的拱坝、面板堆石坝、碾压混凝土坝等均在我国,建成投产的200米、300米级高坝工程均名列同类大坝世界前列;高水头泄洪消能防护、高坝抗震设防、超高边坡变形稳定控制、大型地下洞室设计施工能力等关键技术取得重大突破,处于国际领先水平;发明了堆石混凝土、胶凝砂砾石筑坝等新技术,得到广泛应用。

水电工程智能化全面推进。我国水电产业在数字化智能化等重点领域实现了技术攻关和示范。2014年开工建设的雅砻江两河口水电站大坝是国内第一座采用“施工全过程智能化技术”修建的300米级超高土石坝;白鹤滩、乌东德水电站工程构建了以资源要素动态管理、业务流程数字化管理、工艺过程智能控制、结构安全与进度耦合分析及联动调控的数字化智能化系统。

(二)风电技术水平明显提升

单机容量大型化发展趋势明显。2020年我国陆上风电场主流机型单机容量已提高到2~2.9兆瓦(最大为5兆瓦),陆上风电机组平均单机容量达到2.6兆瓦,比2010年增长76%。2021年,我国自主研制、具有完全自主知识产权的DEW-5.5S-172型永磁直驱陆上风电机组成功下线,标志着我国陆上风电正式步入“6兆瓦时代”;海上大容量风电机组技术保持国际同步,主流机型单机容量已达到5兆瓦以上,10兆瓦级海上风电机组已开始批量生产,海上风电机组平均单机容量达到4.9兆瓦,比2010年增长85%。风电设备的技术水平不断提高。我国低风速、抗台风、超高塔架、超高海拔风电技术位居世界前列,特别是我国陆上低风速风电技术国际一流,已将可利用的风能资源下探到4.8米/秒左右,这不仅提高了低风速地区风电开发的经济价值,还极大提高了我国风能资源开发潜力,在全球处于领先地位。

风电装备国产化程度显著提升。我国已形成较为完备的风电设备配套产业链,除风电变流器、主轴轴承外,风电全产业链基本实现国产化,其中,风电设备零部件国产化率达到95%以上,国内风电装机90%以上采用国产风电机组。

(三)光伏发电技术快速迭代更新

光伏电池转换效率多次刷新世界纪录,产业化制造水平世界领先。目前,我国光伏电池制造环节基本实现了从传统“多晶铝背场”技术到“单晶PERC”技术的更新换代,量产单晶硅、多晶硅电池平均转换效率分别达到22.8%和20.8%;TOPCon(隧穿氧化层钝化接触)、HJT(异质结)、IBC(背电极接触)等新型晶体硅高效电池与组件技术产业化水平不断提高,N型电池的转换效率已基本超过PERC转换效率的理论极限;钙钛矿等新一代高效电池技术产业化生产研究加速,研究机构多次创造钙钛矿电池实验室转换效率世界纪录,头部企业已加大布局和开发,并多次刷新产业化生产组件转换效率纪录。生产设备技术不断升级,基本实现国产化。我国光伏发电制造设备水平明显提升,除了电池片制造环节的小部分设备外,多晶硅硅片、电池片、组件各环节生产装备已基本实现国产化。

光伏发电系统成套技术不断优化完善,智能化水平显著提升。随着光伏发电系统技术不断优化,大量新技术被应用于光伏电站整体设计以及系统级优化。其中,光伏支架技术不断优化和创新,跟踪支架、柔性支架等新技术在光伏电站建设施工中的重要性愈加凸显,特别是支架跟踪系统依托其发电增益优势,近年来在集中式光伏电站占比稳步上升;采用1500伏光伏系统代替传统的1000伏系统,在同样装机容量下,更高的系统电压有效降低了设备和线路电损,提升了系统发电效率;智能机器人、无人机、大数据、远程监控、先进通信技术等已在电站运行中使用。

(四)核电技术取得重大进展

具有自主知识产权的大型三代压水堆核电技术逐渐形成。“华龙一号”全球首堆示范工程——福清核电5号机组正式投入商业运行,标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列;“国和一号”示范工程建设进展顺利,该项目成功打破了多项材料及设备制造技术垄断,主泵、爆破阀、压力容器、蒸汽发生器、堆内构件等关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造。系统掌握具有四代特征的高温气冷堆技术。全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目——石岛湾高温气冷堆核电站示范工程首次并网发电,60万千瓦示范快堆工程进入安装阶段。

小型反应堆发展取得重要进展。多种各具特色的小型堆技术正在进行工程示范准备,“玲龙一号”小堆示范工程启动建设,泳池式低温供热堆初步设计全面完成。此外,乏燃料后处理及放射性废物处理与处置取得一定进展,正在建设示范工程,有关后处理技术的各项科研试验正在进行。

二、油气开采与装备技术显著提升

党的十八大以来,我国油气工业科技水平与创新能力显著增强,勘探开发理论不断突破,常规油气勘探开采技术达到国际先进水平,页岩油气等非常规油气勘探开发技术和装备水平大幅提升,天然气水合物试采取得成功,油气工程技术与装备水迈上新的台阶。

(一)油气勘探开发理论与技术不断取得突破

石油采收率等关键技术创新能力不断提高。新一代油气地质理论不断创新,发展特高含水精细水驱、二类聚驱和三元复合驱提高采收率技术,创新低渗透、中深层稠油及海相碳酸盐岩油藏高效开发等核心技术,有力支撑了大庆、胜利等老油田提高采收率以及长庆等低渗油气田实现规模效益开发,支撑我国原油长期稳产。陆上常规油气勘探开发技术保持国际领先。超深井、深层勘探理论创新与技术实现突破,系统掌握世界先进的超深井钻井技术,深层超深层天然气实现了一批重大装备和关键工具的自主研发,多口超深井迈上8500米新台阶,塔里木油田钻探能力可达10000米,陆上超深油气勘探技术达到世界领先水平。

深水油气开发关键技术装备实现重大突破。深水水下生产系统主要设施包括水下井口、水下采油树、水下控制系统等。此前,我国深水水下生产系统依赖进口,设备应用面临采办周期长、价格高、后期维保难等问题。随着我国南海莺歌海的东方1-1气田东南区乐东块开发项目投入生产,我国自主研发的首套深水水下生产系统正式投入使用,这一核心装备对于我国打造自主可控的海洋油气装备体系具有非常关键的战略意义。

(二)非常规油气勘探开发技术取得重大突破

十年来,我国非常规油气资源勘探理论创新与技术取得突破,支撑发现了鄂尔多斯庆城、新疆吉木萨尔等大型页岩油田;煤层气开发新兴产业初见成效,初步扭转了低产、经济效益差的局面;形成页岩气水平井钻完井与储层改造“工厂化”作业技术系列,建成涪陵、长宁-威远等国家级页岩气开发示范区,2020年页岩气产量超过200亿立方米,使我国成为北美之外首个实现页岩气规模化商业开发的国家;天然气水合物实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的跨越,使我国成为全球累计试采天然气水合物产气量最多的国家。

(三)油气工程技术与装备水平再上新台阶

重大装备国产化率大幅提升。目前炼油装备国产化率超过90%,百万吨级乙烯装备国产化率超过85%。自主研发了高精度可控震源(EV56)、全数字地震仪(G3iHD)、地震处理解释软件(GeoEast 4.0)、测井交互精细融合处理平台(CIFLog3.0)、3000~12000米全系列电驱钻机、旋转导向钻井系统(CG STEER)和5000型电动压裂撬等重大技术装备,打破高端装备主要依赖进口的局面,支撑我国石油装备制造和工程技术服务产业快速发展。油气长输管线技术取得重大突破。电驱压缩机组、燃驱压缩机组、大型球阀和高等级管线钢等核心装备和材料实现自主化,有力保障了西气东输、中俄东线等长输管线建设。千万吨级LNG项目、千万吨级炼油工程成套设备已实现自主化。天然气管道重大技术装备研发持续推进,首次提出管道金属损失及裂纹缺陷电磁控阵检测原理和方法,研制首台1016毫米口径油气管道电磁控阵内检测器等。

储气库建设技术不断创新优化。地下储气库强化库(群)集约化建设新模式,创新形成复杂断块油气藏新老井协同排液与注采建库技术,完成国内首个复杂连通老腔改建盐穴储气库工程建设方案。

三、煤炭清洁高效利用技术取得积极进展

党的十八大以来,我国在煤炭勘探开发及转化利用方面的技术取得积极进展。煤炭开采机械化、智能化水平大幅提升;燃煤发电技术世界领先,煤电机组污染物排放控制水平、二氧化碳排放控制水平等多项指标达到世界先进水平;大型煤炭气化、液化、热解等煤炭深加工技术、煤制清洁燃料和化学品技术已实现产业化,煤炭清洁利用多项技术达到国际领先水平。

(一)煤炭开采技术装备水平持续提升

煤炭开采技术及装备实现规模化应用。系统攻关特厚煤层开采的关键技术及装备,研发出大采高综放开采技术,实现年产1000万吨以上特厚煤层综采与综采放顶煤开采装备规模化应用;重介质选煤技术获得了大面积推广应用,技术居国际领先水平。

煤矿机械化、智能化水平大幅提升。成功自主研发世界首台8.8米超大采高智能化采煤机,智能工作面技术达到国际先进水平。据统计,截至2021年底,大型煤炭企业采煤机械化程度提高至98.95%,比2012年提高约17个百分点,全国已建成智能化采掘工作面813个,其中,采煤面477个,掘进面336个。已有29种煤矿机器人在370余处矿井现场应用。煤矿瓦斯治理、灾害防治技术水平显著提升,百万吨死亡率持续下降。

(二)燃煤发电技术达到世界先进水平

当前,我国燃煤发电技术世界领先,超临界和超超临界先进煤电机组超过860台,在全国煤电总装机中占比超过一半。同时,百万千瓦空冷发电机组、二次再热技术、大型循环流化床发电等技术均世界领先,多台超超临界二次再热煤电机组相继投产,世界首台135万千瓦煤电机组投入运行。此外,我国自主研发的世界参数最高、容量最大超临界二氧化碳循环发电试验机组已完成72小时试运行,标志着我国在超临界二氧化碳循环发电技术领域已处于世界领先水平,为进一步提高火电机组效率打下坚实基础。

煤电机组节能降耗改造持续推进,煤电机组发电效率、资源利用水平、污染物排放控制水平、二氧化碳排放控制水平等均达到世界先进水平。

(三)现代煤化工技术日渐成熟

现代煤化工领域推动产品高端化、高值化,煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇等现代煤化工技术日渐成熟。率先掌握百万吨级煤直接液化工程化技术,建成世界首套示范工程——鄂尔多斯百万吨级煤直接液化项目;具有自主知识产权的神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化等一批煤炭深加工重大示范工程建成投产;形成以内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、宁夏宁东和新疆准东、新疆哈密和山西晋北6大现代煤化工产业示范区。2021年,我国煤制油、煤(甲醇)制烯烃、煤制气、煤(合成气)制乙二醇产能分别达到931万吨/年、1672万吨/年、61.25亿立方米/年、675万吨/年。

(四)燃机装备技术取得重要突破

十年来,通过实施能源技术创新规划、燃气轮机创新发展示范,我国燃气轮机设计体系基本建立,效率进一步提升,重型燃气轮机获得重大突破,实现了从E级到F级的新跨越。2014年,我国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机R0110设计与研究项目取得突破性进展;2018年,我国首件自主化300兆瓦F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件通过鉴定,标志着我国在重型燃机热端核心部件上取得的重要突破;2019年,我国首台F级50兆瓦重型燃气轮机原型机整机点火试验成功,顺利实现满负荷稳定运行;2020年,我国具有完全自主知识产权的5万千瓦燃气轮机实现满负荷稳定运行;2022年,我国国内首套F级燃气轮机控制系统成功投运。

四、电网技术创新能力大幅提升

党的十八大以来,我国电网的总体装备和运维水平处于国际前列,连续攻克特高压输电、柔性直流输电、大电网安全等关键核心技术。

特高压输电技术处于世界引领地位。依靠自主创新,我国攻克了特高压技术和装备难题,掌握了具有国际领先水平的长距离、大容量、低损耗的特高压输电技术,运行着领先世界的特高压电网,掌握了1000千伏特高压交流和±800千伏、±1100千伏特高压直流输电关键技术,建成了世界上输电电压等级最高、距离最远的±1100千伏特高压直流输电工程。柔性直流输电技术取得显著进步。深入推进柔性直流技术研究,世界首台机械式高压直流断路器投运,研制成功世界上电压等级最高、容量最大的柔性直流换流阀,张北柔性直流电网示范工程支撑北京冬奥会场馆实现100%绿电供应,世界首个特高压多端混合直流工程乌东德电站送电广东广西工程提前投产。

大电网安全防御体系加速构建。我国已全面掌握国际领先的大电网仿真技术,构建起大电网仿真技术支撑体系,研发了适用于各级调度的大电网安全监测、预警与防御系统,实现了多级协调防御。建立大电网安全防御信息支持系统,解决了大电网协调建模和海量电力信息处理等难题。自主创新研发出大电网智能调度控制系统、大规模源网荷友好互动系统,开发完成了适应智能电网发展的安全稳定控制装置。

五、能源领域前沿技术取得新突破

党的十八大以来,我国大规模储能、氢能等技术不断取得新进展。主流储能技术总体达到世界先进水平,电化学储能技术进入商业化示范阶段,国际首套百兆瓦先进压缩空气储能示范电站实现并网发电;氢能及燃料电池技术迭代升级持续加速;“互联网+”智慧能源、综合能源服务等一大批能源新技术、新模式、新业态正在蓬勃兴起。

储能技术进入快速发展阶段,新型储能应用技术不断突破。电化学储能技术中,锂离子电池性能显著提升,能量密度提高1倍,循环寿命提高2~3倍;液流电池方面基本能够实现关键材料、部件、单元系统和储能系统的国产化,正在建设百兆瓦级项目试验示范;铅碳电池取得较大进步,循环寿命达5000次,实现了兆瓦到数十兆瓦级应用。机械储能技术中,压缩空气储能方面开展了新型压缩空气储能研究,并在关键技术上取得较大突破,国际首套百兆瓦先进压缩空气储能示范电站实现并网发电,每年可发电1.32亿千瓦时以上。此外,大型“源网荷储”技术研发试验基地正加速推进,试验基地搭建了国内首座固态锂离子电池储能电站、首座3兆瓦钠离子电池示范电站等七种储能技术验证平台以及储能技术检测实验室和大规模新能源接入仿真验证实验室。

氢能及燃料电池技术迭代升级持续加速,产业朝着多元示范迈进。目前,我国氢能产业呈现积极发展态势,已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺,在电解水制氢、燃料电池、加氢等装备进行了全面的攻关部署,燃料电池关键材料、部件已实现自主可控,在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用,在河北张家口已开展10兆瓦风电电解水制氢系统以及氢气综合利用系统示范。数字技术与能源技术深度融合,能源各环节智能化加快升级。当前,围绕新能源开发、多能转换、先进储能、碳捕集利用与封存、能源系统控制等领域的新技术、新装备不断涌现,数字技术与能源技术深度融合,能源基础设施智能化、能源大数据、多能互补、储能和电动汽车应用、智慧用能与增值服务等领域创新十分活跃。已有的成果表明,能源电力系统数字化智能化转型升级已成为我国创新创造的优势领域。比如,青海省经试点推广“基于工业互联网的新能源行业数字化转型升级解决方案”,实现省内67座电站进入“无人值班,少人值守”模式,降低企业运营成本40%以上,单个新能源电站年节约运营成本约30万元,有力推动新能源企业数字化、智能化转型,助力企业降本增效。

关键词: 综合能源服务 智慧能源 电力市场


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