关于推进第三代核电关键仪控系统国产化的探索

张宏韬 李 想 郭爱华

(上海市核电办公室1，上海 200031；上海工业自动化仪表研究院2，上海 200233)



关于推进第三代核电关键仪控系统国产化的探索

张宏韬1李 想1郭爱华2

(上海市核电办公室1，上海 200031；上海工业自动化仪表研究院2，上海 200233)

针对第三代核电关键仪控系统国产化形势严峻的现状，上海核电办公室和国家能源核电站仪表研发(试验)中心走访调研了大量核电业主用户、工程公司以及制造企业。分析了第三代核电关键仪控系统的市场需求以及技术特点、难点和挑战，提出了近阶段重点攻关的目标内容。结合上海地区的创新资源特点，提出了组织第三代核电仪控系统国产化攻关的路径。

核电站 仪控系统 国产化 技术创新 第三代核电 战略性新兴产业

0 引言

积极推进核电建设，对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求，保障能源供应与安全，保护环境，实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位，都具有重要的意义[1]。“十三五”期间，国家明确要“以沿海核电带为重点，安全建设自主核电示范工程和项目”[2]。随着我国“一带一路”战略的实施，核电也成为我国参与国际经济合作的重要产业名片。

近年来，我国核电主设备和辅助设备的研发和制造能力都取得长足的进展，但是作为核电站“中枢神经”的仪控系统，我国在役核电机组绝大部分采用进口产品，因此，推进核电仪控设备国产化工作已经迫在眉睫，具有十分重要的战略意义。

1 核电仪控设备国产化的现状和特点

目前，我国在役核电机组所采用的仪控系统中，最为关键的核岛核安全级仪控系统几乎完全被外国厂商所垄断，非核级安全重要的关键仪表也多采用进口产品。核电仪表的国产化不仅能有效提升核电站的运营安全，而且可以降低核电站的建设成本。仪控系统的采购成本约占核电站建设成本的 5%～10%，规模达到数十亿至上百亿美元。核电仪表的研制和试验要求是仪器仪表行业中的至高标准。目前，我国核电关键仪表产品的技术瓶颈主要体现在原材料、加工工艺、精密电子元件、密封性、抗辐照性等基础工业和共性技术上。

①仪控设备种类繁多、精度要求高，企业研发动力不足。

核电站仪控系统控制着核电站近300多个系统、近万套设备，是核电站四大关键设备系统之一。仪表种类主要包括温度、压力、流量、物位、监测以及分析仪表等。每一类仪表均具有多种原理和要求，因此核电站对某一特定种类仪表需求就相对有限。同时核电站对仪表的精度和可靠性要求高，这也是目前我国国产仪表和国外仪表的主要差距。提高精度和可靠性需要投入大量的科研经费和人力。

②核电仪控设备国产化起步较晚，水平相对较低。

我国在1990年引进先进压水堆技术M310时，国产化水平大约在1%。随着我国工业体系的不断完善、制造水平的不断提高，国内企业逐步形成了批量化成套供货的能力。在采用二代+技术的CPR1000工程中，宁德、阳江核电站的国产化率已有长足的进步，达到80%。从核岛主设备和核级大型铸锻件来看，国产化已基本实现：除主泵外，核级泵的国产化率已达95%以上，核级阀门的国产化率也在90%以上。但仪控部分仅在盘、台、箱、柜要求较低的领域实现了国产化，对于仪表、执行机构、专用控制系统而言，国内企业虽然已经通过技术引进合作形式开展国产化工作，但通常应用于常规火电非重要系统，在核电领域仍然鲜有业绩。

③仪控产品与国外相比研发力量薄弱，尚未形成体系。

目前，为国内核电站提供仪表产品的国外企业主要是：美国的EMERSON、ROSEMOUNT、FISHER、MASONELAN；德国的HERAEUS 、WIKA；法国的BOURDON、HERMOCOAX等企业。产品覆盖各类传感器、变送器、调节阀、电动执行机构、温度仪表、流量仪表、液位仪表等几乎所有高端仪表类设备。国际上，核电站的仪表供货通常由总包商集成，并向业主供货，法国Areva和美国Westinghouse 都具有综合集成能力。Areva旗下更有众多中小型设备制造企业，能提供产销售后一条龙服务；Westinghouse将制造环节转移外包之后，专攻集成和售后，具备极强的技术服务能力。国内已涉入核电仪表领域的企业主要有：上海自动化仪表有限公司、重庆川仪自动化股份有限公司、上海光华仪表有限公司、北京布莱迪工程技术有限公司、承德热河克罗尼公司、开封仪表有限公司等。这些企业以中小型企业为主，专业覆盖面较窄，尚未出现具备完整仪表供货产业链的龙头企业。总体而言，核电业务占业务总额比重较低。

④三大核电集团已经布局控制系统的国产化，并取得了一定成绩。

2005年，由中广核集团与北京和利时集团合资成立广利核公司，主要从事核电数字化仪控系统设计、制造和工程服务。2010年，广利核发布了其具有自主知识产权的核安全级数字化控制平台研发成果。2008年，中核集团成立中核东方控制系统工程有限公司(简称中核控制)；2010年，中核控制推出了首套核电数字化控制系统平台——NicSys1000。我国引进三代AP1000核电技术后，国家核电技术有限公司与上海自动化仪表有限公司合资组建了国核自仪系统工程有限公司，作为AP1000数字化仪控系统技术转让指定受让方，全面接收了AP1000数字化仪控系统工程设计和设备制造领域的技术。经过多方努力，我国已经具备非安全级控制系统的国产化能力，但是安全级控制系统和关键仪表仍是仪控国产化必须攻关的重要“堡垒”。

2 三代核电关键仪控系统国产化的紧迫性

当前，我国在建核电机组已全面提升到第三代核电系统，AP1000、华龙一号、CAP1400、EPR等三代技术堆型的安全性要求更高，对仪表和控制系统提出了新的要求。

①市场容量大，国产化水平要求高。

按照“十三五”规划，至2020年，我国核电将实现在运5 800 万kW、在建3 000 万kW的目标。按此计算，未来五年核电投资额将至少新增5 000 亿元，仪控设备投资约占整个核电站投资的10%，市场容量将达到500亿元级别。随着核电“走出去”，海外项目的逐步开工建设，以及现有核电机组的需求，市场容量将更加可观。同时，国家能源局在针对我国自主研发三代核电“华龙一号”的批复中要求，充分利用我国目前的核电装备制造业体系，支持关键设备、零部件和材料的国产化工作，压力容器、蒸汽发生器、主泵、数字化仪控系统、堆内构件、控制棒驱动机构以及常规岛等关键设备，泵、阀等零部件，690U型管、核级电缆、焊材等关键材料的国产化比例不能低于85%。这为仪控设备制造商提供了巨大的市场机遇。

②仪控设备国产化是产业转型升级的要求。

核电仪表的国产化能有效带动我国仪器仪表、电子元件、基础材料等相关产业的技术发展。与核电蓬勃发展的态势不同，面对日益严重的环境污染压力，控制煤电开工规模、优化电力调度、避免火电投资对新能源的挤出效应，已经成为社会的共识。对于制造企业而言，尽早进行产业转型升级，重点布局技术水平要求和附加值高的三代核电是其必然选择。这也有利于企业提高管理水平，增加国际竞争力。

③仪控设备国产化是形成三代核电自主可控、系统集成能力的关键一环。

随着核电建设的发展，越来越多的核电子系统采用集成发包或者小总包的模式，这就对核电产业链的完整性以及关键设备自主研发、生产的能力提出了很高的要求，对于制造商而言，既是机遇也是挑战。上海地区工业基础好，也是我国最早开展核工业的地区之一，具有国内最完整的核电产业链，逐步形成常规岛(TG包)、核岛设备的总包集成供货能力。在AP1000技术重大专项的扶持下，仪控设备的系统集成能力大大提升，但部分关键进口产品仍然受制于人。加快仪控设备国产化的进程，是提升能力、应对国内外市场竞争的关键。

3 三代核电仪控设备国产化的重点选择

目前，三大核电集团针对DCS控制系统都已布局开展工作，但是支撑其发展的关键核级仪表和专用控制系统仍是薄弱环节，应将其作为“十三五”期间制造企业攻关的重点。根据已有的技术能力及经验积累，可以将待国产化的仪控设备分为以下三种情况。一是技术条件好，已有相关业绩，或者已经用于试验堆、出口项目的仪控设备，可以根据三代核电技术要求、标准规范作出改进，逐步实现产业化。二是技术难度高，需要进行技术开发和攻关，完成样机研制和试验，并通过鉴定认证才能实现国产化的仪控设备。三是在出口海外项目中，受制于禁运条约，必须实现国产化替代的仪控设备。

针对以上情况，上海市核电办公室与国家能源核电站仪表研发(试验)中心走访了多家工程公司、核电站以及制造企业，初步提出应聚焦攻关以下产品。

①温度仪表：如快响应热电阻、堆芯热电偶等。

②压力仪表：如一体式压力变送器、差压变送器等。

③流量仪表：如电磁流量计、超声波流量计等。

④液位仪表：如导波雷达、超声波液位计等。

⑤分析仪表、辐射监测仪表。

⑥调节阀及执行机构。

⑦专用控制系统：如核岛3R系统、堆芯冷却监视系统、各重要设备在线监测及诊断系统等。

上海地区是国内仪控研发制造企业比较集聚的地区之一，拥有多家具备参与仪控设备国产化攻关能力和基础的企业单位，如表1所示。

表1 上海地区国内仪控研发制造企业

续表1

4 核电关键仪控系统国产化的途径

推进第三代核电仪控国产化工作符合国家能源装备发展的导向[3]。《上海市制造业转型升级“十三五”规划》中指出，要突破数字化核级安全保护控制系统、核级仪控等关键配套设备核心瓶颈[4]。上海作为国家重要的先进制造业基地，在电子信息、工业控制、仪器仪表等领域具有良好的产业基础，下一步应整合资源、形成合力、全力推进。

①加强组织领导，确保国产化工作顺利进行。

由于国产工作涉及单位多、内容庞杂，应加强组织领导，建议在国家有关部门指导下，上海市率先成立仪控设备国产化工作小组，协调工作中的重大问题，组织对接国产化依托工程，帮助落实技术攻关费用和政策支持。工作组由行业管理部门牵头，以上海仪控设备主要企业为主体、科研机构为支撑，形成从科研攻关-样机生产-检验认证-工程应用的国产化机制。

②建立重大项目攻关机制。

针对国产化需求迫切、技术水平要求高的产品，组织上海地区优势资源，形成“政产学研用”紧密结合的重大项目攻关机制。由政府有关部门引导，搭建工作平台，依靠上海地区丰富的高校、科研院所的技术实力，针对重点产品重点攻关，引进第三方检验机构以及业主单位对科研成果进行检验、认证，保证科研成果的最终产业化。

③注重检验认证平台建设，保证自主可控。

在重视技术研发、技术引进、产品生产的同时，还要注重检验认证平台的建设，这也是国产化工作中的重要一环。没有自主的验证的能力和手段，就无法实现真正的自主研究开发。在此领域，核电强国均有大型第三方技术机构的支撑，如法国必维集团、阿拜维集团。上海地区也有很好的资源，上海工业自动化仪表研究院于2010年被国家能源局授牌“国家能源核电站仪表研发(试验)中心”，其技术能力如图1所示。只有建设和利用好检验认证平台，才能做到项目“散而不放”，保证国产化项目实施和质量。

图1 国家能源核电站仪表研发(试验)中心技术能力图

④通过产业链的协同，促进国产化工作的推进。

用户掌握产品的第一手信息，是产品市场的主体单位，由业主或者工程公司引导制造企业模式，通常可以起到事半功倍的效果。同时，由于出口项目受到禁运条约的限制，对外工程公司正在大力支持制造企业实现设备国产化，实现互利共赢。工作组应当推动业主公司、工程公司与制造企业的对接，保持供需方的信息畅通，打通产业链。

⑤建设产业基地，提高设计集成能力。

2015年，位于漕河泾的核电“四新基地”的挂牌，为上海核电产业的集聚发展打开了新的篇章，对于仪控设备国产化工作也具有重要意义。通过产业基地辐射带动作用，吸引市外优势企业到上海发展，可以大大提高上海地区仪控设备的设计集成能力。

⑥加大产业政策扶持力度。

核电产业作为上海市鼓励发展的战略性新兴产业，仪控设备作为核电厂内高技术含量设备，其国产化工作对于上海地区制造业升级发展具有重要意义，建议上海市有关产业政策进一步聚焦支持核电仪控装备国产化工作，并适时争取国家产业政策支持。同时，应当引导社会资本以及通过组建产业基金等形式，加强与业主单位的合作，加大对仪控设备研发攻关的投入，力争仪控设备国产化工作在“十三五”期间实现新突破。

5 结束语

上海是我国核电产业的发源地和重要基地，在当前国内核电建设加快和核电装备“走出去”的形势下，上海地区核电仪控领域的骨干企业和科研机构应该加强紧密合作，在国家产业政策的指引和核电用户的支持下，聚焦第三代核电关键仪控系统国产化目标，明确重点，提升能力，联合攻关；通过若干年的努力，一定可以改变我国核电仪控产品国产化比重较低的现状，为核电产业自主创新发展作出更大贡献。

[1] 国家发展改革委.核电中长期发展规划(2005～2020年)[Z].2007.[2] 国家发展改革委.国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[Z].2016.

[3] 国家发展改革委,工业和信息化部,国家能源局.中国制造2025—能源装备实施方案[Z].2016.

[4] 上海市经济信息化委.上海市制造业转型升级“十三五”规划[Z].2016.

Exploration on Promoting the Localization of the Critical Instrumentation and Control System for the Third Generation Nuclear Power

In view of the status quo of grim situation of the localization of critical instrumentation and control system for the third generation nuclear power, a large number of owners and users; engineering companies and manufacturing enterprises of nuclear power are visited and investigated by Shanghai nuclear power office and national energy nuclear power plant instrument research and development (experiment) center.The market demand,technical characteristics, difficulties and challenges of the critical instrumentation and control system for the third generation nuclear power are analyzed and the target content of the key research goal in recent stage is put forward.Combining with the features of innovation resources in Shanghai area, the research path of organizing localization of critical instrumentation and system for the third generation nuclear power is proposed.

Nuclear power station Instrument & control system Localization Technological innovation The third generation of nuclear power Strategic emerging industries

张宏韬(1976—)，男，2011年毕业于上海交通大学机械制造及其自动化专业，获博士学位；主要从事智能制造装备和高新技术产业化的研究。

TH-3；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611013

修改稿收到日期：2016-10-18。