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林雪萍 | 超级用户的力量

www.cechina.cn2021.06.28阅读 3583

  一个超级大的工程项目,就像是“连环雷”,可以引出一连串的创新。例如,美国的曼哈顿工程、阿波罗登月计划等,都展示了一种与众不同的科技创新方式。而在这种多方参与的创新体系中,最为显眼的一点就是有像美国航空航天局(NASA)这样的超级用户存在。这是一个奇特的市场,需求方看上去只有一家,而它起到的作用就像机场指挥塔台,让来来往往的“飞机”都有了明确的秩序。
  在中国,像三峡工程、特高压电网、高铁等大型项目,也都能看到这种超级用户主导的创新,它将市场需求与基础研究、测试、装备研制进行了有效的集成,形成了一种逆向灰度创新电力行业是中国工业体系中一个最典型的门类,国家电网有限公司(以下简称国家电网)这样一个超级用户的特高压电网工程,对推动中国电力装备制造业在短时间内发展成为比肩国际老牌企业的新生力量,起到了决定性的作用。 

  图1  国家电网在建在运特高压工程示意图

  没有马凳,特高压上马
  中国电力需求的70%以上集中在中东部地区,而我国80%以上的可用能源资源却分布在西部、北部地区,远离电力需求中心。在这种情况下,可实现远距离、大规模输送能源的特高压输电系统成为一种最经济的选择。这种交流电压1000kV及以上、直流电压±800kV及以上的特高压输电,与常规的500kV输电相比,输电容量可达到常规的3~4倍,输电距离可达2~5倍,具有大容量、远距离、低损耗、省占地的突出优势,代表了国际高压输电的最高技术水平。
  然而这一技术的技术可行性和工程应用可行性,在当时并无法完全确认。国外也没有特高压商业化运行的先例。2004年年底,当国家电网提出发展特高压时,最重要的配套电力装备,如变压器和开关,中国制造商无论是设计、制造,还是技术标准和规范,都还完全跟不上特高压的要求。更真实的情况是,几乎所有的设备国外也都没有。这是特高压工程本身和中国制造所共同面临的“无人区”。
  然而,国家电网的决策层及相关企业,已经下定决心要推动特高压的整套技术发展。一切从最基础的开始,抽调公司各专业领域的技术精英集中研讨,系统安排对国内制造企业创新能力的调研,与曾尝试开展或有兴趣开展特高压输电技术研究的国外企业进行技术交流。
  国家电网把特高压的整体装备分成两类进行攻关:一是针对中国基本上具备生产条件且经过努力可以全面实现国产化的装备开展自主研发;二是针对国内基础非常薄弱,当时很难自主研发或无法成为工程产品的,实行与国外企业联合开发的共进策略。但无论哪类设备,研发目标均设定为技术水平国际领先。这种自主可控、实施灵活的策略,为中国输变电设备制造业提供了一个全新的发展机遇。
  逆向灰度创新:系统设计是灵魂
  完成一个从来没有存在过的大工程,需要担心的并不仅仅是技术上的储备,从科研、设计、制造,到施工建设和建成之后的运行维护,都需要放在一个篮子里进行综合考量。这是任何一个单一创新主体都无法独立完成的任务。在这种情况下,国家电网作为一个超级用户,只能打破常规管理模式,充分发挥主导作用,组织国内电力、机械等行业的企业、研究机构和高等院校,依托试验示范工程建设,联合攻关。
  这种由超级用户主导的创新过程,打破了常规输变电工程由责任主体分阶段负责的管理模式。这是一种逆向创新,超级用户具备对复杂的系统创新工程的整体驾驭能力,可以推动前端研究向后端靠拢,进而实现装备制造的创新。这就像是一个精密运转的齿轮组,超级用户起到主驱作用,制造工厂受此驱动并引入各种驱动力,实现创新突破。

  图2  逆向灰度创新

  那么,不同“频道”的企业,如何精细地调频,指向同一个频段?超级用户的系统设计思想,可以说是整个系统信号的最早发出者,也是所有工程的灵魂。在特高压交流电网工程论证之初,为什么将电压确定是1000kV而不是900kV?这都是经过系统研究和论证,且经过仿真之后才被确定下来的电压等级。再例如,设计单位负责设计一个变电站,本来变电站容量这类问题应该由设计单位来回答。然而由于史无前例,设计师也并不知道设备尺寸、功率等参数。这个时候,就需要科研单位的相关专家先计算出这个变电站需要承受的电压和电流等相关参数。
  一个一个的系统信号,就是这样发出来的,超级用户需要有一种超然于任何一个参与单位的“全知视角”。
  面对工程所提出来的无数问题,国家电网需要协同其他研究机构,将各个组织在研发过程中的边界条件,相互交叉输入,而每一次小的成果输出,又会转变成其他组织的边界条件。生产厂家解决工艺并提出问题,科研单位的专家提出模拟界,各自都在有限的资源中实现局部任务。相互迭代的过程中,猜测被分解成问题,问题被分解成模型,模型被组合成答案,答案最终形成方案。
  国家电网正是按照系统工程的思想,来统筹更高电压等级所需要的各方面工作。
  超级用户的中枢
  国家电网是工程建设的指挥机构和装备研制的大脑中枢,协调各路人马共同前进。对于众多参与方而言,各自的组织边界在一段时间内必须被打破。只有存在一个超级用户,才能跨越并打破众多参与方的边界,才可能使众多参与方真正变成一个大的创新共同体,通力合作。这正是国家电网所需要完成的任务:既要获得国家和地方政府部门与相关企业的支持,也要与供应链上下游其他企业和机构联合推进,承上启下。
  这样一个大脑中枢是如何形成的?国家电网抽调了熟悉高压输电技术和系统装备的专家,成立特高压办公室,随后发展成为特高压建设部。从最后结果来看,这是一种非常高效且务实的系统工程的顶层设计。
  特高压办公室汇聚了各个专业的精英,包含了系统工程、工程设计、核心装备等专业的众多人才。除了从国家电网的系统抽调优秀人才,还凝聚了来自各个子系统的力量。不同组织人员的加入,保证了特高压办公室的无边界性。而且,许多业界的老专家们也踊跃参与,形成了有效的智力围栏,从学术上避免了无谓的风险漏洞。
  以变压器专家工作组为例,这是一个固定小组,不仅包含年轻的变压器技术骨干,还有一个专家团队顾问组,聘请了来自全国各地变压器厂的总工程师控制工程网版权所有,还有一些院士主动请缨参加。同时,负责变压器计算系统、工程设计,以及现场安装变压器的人才,都是这个工作组的成员。由于超级用户的号召力,这些精英人才的观点和想法,可以在这里相互碰撞进而相互启发。
  国内某变压器厂的新品开发,采用了与国家电网相似的“滚动式开发”的思路。企业一边设计,一边给国家电网提供方案。国家电网有一个论证团队CONTROL ENGINEERING China版权所有,抽调顶级专家,随时进行论证。当时该变压器厂已经拿到了俄罗斯、日本的相关参数,但专家组仍然会担心这些参数不足以支撑系统安全。因此不断通过工厂试验,确立变压站的安全系数。安全系数是1.3还是1.35?变压器是采用两个组合还是直接用一个大号的?这类问题都是在工厂数据验证的基础上,再跟国家电网的专家团队一起去探讨解决的。
  超级用户形成了一个全国范围资源优化配置的平台。特高压办公室人员最多的时候有上百名技术专家,这里既是一个资源调配中心,也是一个系统集成中心。作为高速运转的“大脑”,它形成了巨大的“智力辐射”效应,通过“智力辐射”将知识层层放大。密集的指令和决策层层放大,并扩散到参与特高压的300多家单位和十几万参与者中。
  友商成为同一条板凳上的兄弟
  一般而言,用户更接近对需求的定义,而设备制造商起初并不一定了解。用户对于解决方案的设想,成为制造商至关重要的创新原型。电网的设备制造商经常会碰到很多困难。其中一个是商业问题,那就是无法给设备定价。起初,设备制造商并没有这种设备,很多具体参数也不知道,那么如何签订商务合同?
  这就需要回归到预算的分解。在研发初期,“用得起的技术”作为一个总体思想,始终贯穿其中。随着电压等级提高而大幅度增长的成本趋势可能是线性的,也可能是非线性的,还可能是剧烈的非线性的。有时候并不需要研制特别先进的科研产品,基于技术常识做出一些判断和选择是至关重要的。毕竟,贵到企业用不起的技术,往往很难成为一个有生命力的技术。
  超级用户的预算总额,需要在试探性地分解后,最终落定到各个子系统中去。这是一个基本的成本约束,一般会在常规工程的基础上,用一定的系数进行控制,完成动态调控。比如参数性能提高一倍,那么价格就可能需要锁定在原价的1.5~3倍以内。同时,也需要了解国际上已有的研发性技术的价格和价值,要求各个设备制造商先做概念设计,并测算价格。由于每个设备类别里都有国内外多个设备制造商,工程管理者根据这些汇集在一起的信息,形成价格的基本概念。这是超级用户在系统工程能力的支持下,所形成的一种基本功。这就发生了一个很有意思的现象,作为竞争对手的设备制造商,大家会坐在一起计算成本,这就形成了一个初步的合同价格。
  合同落实之后,进入工程研制阶段。科研单位系统的专家从系统和电网的维度(整体)来看一个点(局部),对这个点提出要求,形成一种参数。之后,研发团队的专家和各个设备制造商共同讨论其合理性。由于是唯一用户,而且设备参数决定了设备的先进性和经济合理性,所以各设备制造商就必须要坐在一起,就像是面对课堂上老师提出的问题一样,共同作答。每个设备制造商都需要结合自己的经验,不断修订不合理参数,从而实现既能制造出来产品,也能保持长期的安全稳定运行。
  例如,设定设备参数的时候,如额定电流、直流分量、开断电流,都是国内几家大型开关制造厂一起商量的,大家在一起讨论参数的合理性,这是一个共性问题。一旦确定参数、性能指标之后,各个设备制造商便可以各自进行生产制造。各个设备制造商在技术方面互相保密的同时,也采用项目合作的方式共享部分技术,当面临共同的问题时,也能够一致对外。强大的超级用户,形成一种倒灌机制,使得所有参与者像是坐在同一条长凳上,接受同样的指令。
  2004年国家电网开始在武汉高压研究所建立特高压示范实验基地。采用2千米的小型电网线路,通过小型变电站的挂网运行,测试整个特高压对通信和环境的影响。当时,几家国内大型变压器厂都参与其中,每家做一台样机。国家电网有限公司牵头的这个科研项目,几家国内大型变压器厂都有专家组入驻,在绝缘水平、运行条件一致的情况下,一起探讨技术,联合研发。
  在常规变压器的时代,这种研发方法是不可以思议的。全世界各变压器厂都有自主技术,都不会分享技术要点。在第一次会议上,几家变压器厂派出人员参加讨论的时候,大家也都有犹豫和相互防范。但一方面由于特高压技术需要从头开始探索,另一方面国家电网也搭建了一个共性平台,所以大家通过相互交流、协调,达成了很多共识。
  在许多会议中,由于只有技术人员参加,所以探讨都比较深入。这种交流习惯,甚至在制定后续工程的方案中都继续发挥作用,同行之间也对方案相互审核。当然,这也是在国家电网的要求下做到的。有了超级用户的支持,昔日的竞争对手,一起开会,一起出国学习。到2006年,几家变压器厂同时研发成功特高压需要的变压器,成功入驻武汉的试验基地。
  通过技术理念的密切碰撞,同行知识扩散得非常快,因此也推动了整个行业的发展。而这种模式要想成功,一定要有超级用户发挥推进作用。
  从另一个角度看,国家电网起初就在特高压电网的工程中,不断推动建立了统一的行业标准和规范。时至今日,特高压技术在全国有统一的标准,各个企业并没有自行制定五花八门的标准。这使得国内制造企业之间可以相互配合、无障碍衔接。围绕不断升级的规划需求,企业不断丰富和细化,最后形成一个强大且相互呼应的电力装备中国制造的体系。
  设备制造商和电科院联手走向炮火中心
  设备制造商与国家电网系统下的电力科学研究院(以下简称电科院)的合作,让设备的研发进一步加快速度。
  在国家电网的组织下,在产品研发的过程中,电科院因超强的系统计算能力,在对设备核心参数的初始设定方面具有很大的发言权。这种对于参数的初始设定,使得变压器厂可以将自己的工艺向这种代表市场需求的技术阈值快速靠拢。这种大幅度的收敛过程,极大地节省了设备制造商自行测试的时间。“一开始就接近炮火的中心”,成为设备制造商与电科院合作的重要理念。
  对于变压器的仿真任务,双方有清晰的分工。以某变压器厂为例,其侧重变压器本身CONTROL ENGINEERING China版权所有,如计算线圈内部的电压分布、温度场和铁芯的磁通分布,着重于从结构入手;而变压器与调压变压器在各种系统运行条件和故障条件下的过电压、局部区域的详细三维电场精确模拟计算、变压器及其连接设备的整体结构力学计算等,则需要电科院联合其他科研机构和高等院校来做,电科院的实验室及多年积累的宝贵的工程参数,可以提供高水平的仿真计算分析。
  电科院可以从超级用户的角度,基于多年来超高压等级电网的运行经验和国外的发展趋势,对设备制造商在产品选型等方面提出一些要求和注意事项。这也是国家电网公司的一种核心资源,对设备制造商的研发有很大帮助。到了后期的设备制造过程,由于电科院也是设备的监造方,因此对于产品的质量控制也有很大帮助。
  这种系统级的技术支持,让制造商与用户市场需求能够紧密联系在一起。
  逆向支撑,自主创新“十六字方针”
  世界上第一条商业化运行的1000kV特高压交流项目,晋东南—荆门特高压交流试验示范工程在2009年1月正式投入使用。三年的建设周期中,整个工程的国产化率在90%以上www.cechina.cn,具有完备的自主知识产权。在整个“三站二线”(三个变压站两个回线)中,没有一台整机是进口的。在其100多种合资或者国产主设备中,高压开关的独特创新模式最为引人注目。
  从项目立项开始,超级用户就帮助产业链条上的企业解决技术引进、技术论证等问题,事无巨细,一路呵护。在发展直流特高压时,直流的穿墙套管和换流变用的阀侧套管等关键部件,属于全球的紧缺资源。为了这些虽然是主机附件但却非常金贵的部件,国家电网也会亲自出面,跟ABB、德国惠斯普这些外企去沟通,促进装备制造企业与国外企业达成合作。例如,在特高压项目开始实施的时候,中国在开关方面拥有的技术仍然较弱,而且国外也没有现成的产品。如何联合发展CONTROL ENGINEERING China版权所有,成为国家电网有限公司、外企制造商和国内制造商讨论的焦点。
  国家电网创新性地提出了“联合设计、产权共享、合作制造、国内出厂”的十六字方针,引导三家国内开关制造厂分别和国外公司绑在一起供货。国内外企业形成联合体(不一定是合资厂,可以是工厂间合作),联合研制产品,共享产权。产品制造放在国内外均可以,但产品组装一定要在国内进行,并且要在国内的实验室完成最后的验证。十六字方针的核心在于实现了系统设计引领,设备总承包权在国内制造商手中,国外企业为分包方。二者联合设计,让国产装备有机会从源头思考如何实现整机装备的系统性能。
  “市场换技术”传统三部曲是“引进—消化—吸收”,一般是通过 “国外研制、转让技术、国内制造”来实现。国家电网自主创新的“十六字方针”在灰度创新的实践中向前大大迈进了一步。它让国内电力装备制造企业拥有了系统设计的主动权,同步实现“正向设计+工艺制造”的联动推进。
  在十六字方针的背后,国家电网发挥了重大作用。当时,在电力领域,没有任何一个国内制造商具备这种能力可以跟国外企业进行这类谈判。国外企业更希望中国采用常规方法,但是国家电网很坚定地坚持方针。有了超级用户的支撑,最后形成几家国内开关制造厂分别与东芝、ABB、日立等国际品牌合作的局面。
  这种从系统设计入手的策略,彻底地改变了中国电力装备的进程。然而,如果没有国家电网作为商业用户与国外企业的谈判,没有国家电网对系统集成的技术分解,想要实现十六字方针则会很困难。国家电网作为超级用户的介入,改变了国外企业和国内设备制造商之间完全不对等的强弱关系。
  在第一个特高压项目工程开发时,短路电流的核心指标是50 000A。而到了第二个工程时,由于特高压网络线路的形成,短路电流已经提高到63000A,在100万伏电压的作用下实现这样的短路电流开断水平是世界级的难题。而此时开关的研发,已经逐渐转变成以中方为主的中外联合体,中方技术的作用更加凸显。
  在世界首条全清洁能源特高压输电线路——“青海—河南±800kV特高压直流输电工程”中,有的国内设备制造商研发的新型开关已经做到一次测试就通关。为了精准控制电压、动态调节直流的输电功率,需要用开关频繁地开合和切断滤波器组。在测试期间,交流滤波器组断路器需要经历一次“魔鬼试验”,正常工作电流下,前后有100多次开合,600多次放电。这种试验的难度很大,此前只有ABB能对供应断路器。而国内某设备制造商的18台断路器,在2019年8月一次就通过试验。
  目前尽管在一些关键部件上还需要跟国外企业合作,但国内的几大开关制造厂已经能够独立开发,可以胜任升级的挑战。装备制造创新,通过超级用户的逆向支撑,在波浪式滚动的迭代中,逐步升级持续发展。
  小记
  科技攻关与装备制造是同步进行的,这是大型工程的一个显著特点。在这个过程中,以超级用户为代表的“逆向灰度创新”,令人印象深刻。国家电网是灰度创新链的逆向发起者,也是创新成果的首次应用者。
  在特高压工程发展的十多年间,中国的电网技术达到了当今世界的先进水平。大约30多条特高压的线路,带动了国内上下游产业数千亿的投资。国家电网真正的亮点在于,作为一个提供电力的业主,它以需求引导的超级用户形态,推动电力大装备的硬核制造的突破。这是一束珍贵的光源,照亮了中国制造的创新之路。
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