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核电和风电装备需求初探 |
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| http://cn.newmaker.com
3/3/2009 2:24:00 PM
佳工机电网
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能源是国民经济发展的重要基础，是人类生产和生活必需的基本物质保障。我国是一能源生产大国，也是一个能源消费大国。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求越来越高。“十五”以来，我国电力工业得到飞快发展。截止2007年底，中国装机容量累计约达到6.8亿kW ，发电量约3万亿kWh。电力装机容量排名世界第二，但还是不能完全满足发展国民经济和提高人民生活水平对能源需求，人均装机容量仅约0.45kW。
长期以来，我国电力供应主要依赖火力发电。“十五”期间，我国提出了调整能源结构战略，积极推进核电、风电等清洁能源多元化能源供应，改变过渡依赖煤炭能源的局面。根据我国“十一五”期间电力工业“优化发展火电、有序发展水电、积极发展核电、加快发展气电、大力发展风电”的发展方针，规划到2010年在运行的核电装机容量超过1200万kW，到2020年在运行装机容量4000万kW；2015年风电装机容量1500万kW，2020年装机容量要达到4000~6000万kW。
1 我国核电和风电的现状和需求
1.1 核电
我国的核电工业起步较晚，核电设备的制造能力有限。迄今为止，我国已建了4个核电站，共11个核电机组，总装机容量870万kW，在国家电能源中的比重很小。目前，我国正处于电力需求高速增长期，高效、清洁的核电列为重点发展对象，并提出我国核电发展战略。核电发展基本思路是以市场需求为导向，以安全供应为基础，以经济效益为中心，加快建设，滚动发展；自主开发与技术引进相结合，以成熟的压水堆起步，发展国际先进堆型；加强管理，降低成本，增强竞争力，实现技术与经济的有机结合。从长远的经济发展和能源需求来看，中国将成为世界最大的核电市场。
我国核电装备制造业主要集中在华东、西南、东北三地，形成三国争雄之势。这三个地区不仅是我国核电装备制造基地，也是火电和水电装备的制造基地。上海电气核电设备有限公司投巨资在临港建造的核电装备制造基地，已经初具规模，将达到成套生产核电站核岛中主要部件的能力。东北地区则以哈电为核心，辅以一重的大型铸锻件的优势，形成核电装备生产能力。西南的东方集团也具有一定生产核电装备的能力。
按照《核电中长期发展规划》确定的我国核电发展目标，到2010年在运行核电装机容量1200万千瓦，到2020年新建31座核电站，在运行装机容量4000万kW，在建核电装机容量1800万kW。我国今后每年至少要新开工建设2个百万千瓦级核电机组，总共需要投资数千亿元。按经验数据表明，核电装备投资占到核电站总投资的55%左右，装备投资中约40%用于购买各种机床设备。
1.2 风电
自2005年我国通过《可再生能源法》后，国内风电发展很快。2005年我国风电装机容量为127万kW，2006年新增100万kW，发展速度非常快，到2008年我国风电装机容量将在世界上排名第2位。目前，我国风电设备的生产制造，从由国外提供成套设备或引进技术和部件在国内组装，逐渐向自主研制开发转变，国内风电设备产业发展迅速，制造厂家不断增加，已经形成相当大的制造能力，而且不少地方都在扩建和新建风电设备制造能力。目前，国内风电整机设备制造企业主要有金风科技、维德风电、大连重工、四川东汽等，变速箱（升速箱）的主要生产厂则有南高齿。但是，我国风电设备制造生产正处在初级阶段，成套能力严重不足，无法满足国内对风电设备迅速发展的需要，国产风机设备的市场占有率很低，大部分依靠进口。
我国可开发利用的风能资源丰富，主要分布在西北、华北、东北以及东部沿海和岛屿等地带。但目前利用率低，风力发电前景广阔。由于风电技术的发展，风电成本不断降低以及减少环境污染的成本，使风电站的单位发电量（kW）造价与火电和水电相已相差不大。《可再生能源法》将风电作为鼓励发展的重点，因此国内很多省份都在大力增加对风电的投资。到2015年风电装机容量将达到1500万kW，2020年装机容量规划将达到4000~6000万kW。很多省、自治区都做了大规模发展风力发电的规划。
2 核电和风电装备特点及需求
2.1 核电装备特点及需求
核电站的装备主要包括三部分：核岛（一回路）、常规岛（二回路）、辅助装备等。其工作原理是：一回路和二回路经过蒸汽发生器进行热交换：一回路的水将核裂变产生的热量带至蒸汽发生器，将二回路的水变成蒸汽，经过稳压器，推动汽轮机转动后，蒸汽经过三回路冷凝成水，再回到蒸汽发生器再加热变成蒸汽，汽轮机带动发电机发电。人们通常将一回路称为核岛部分，将二回路为常规岛部分。
（1）核岛部分
核岛部分主要由反应堆堆芯、蒸汽发生器、稳压器和主泵组成，其中反应堆堆芯包括压力容器、核燃料棒束、驱动机构等部件。常规岛由水泵、汽水分离器、蒸汽轮机、发电机、蒸汽凝结器等组成。此外有支持系统正常运行和保证反应堆安全的辅助设备。这些是核电站设备的主要组成部分。完成这些设备的主要部件的制造可分为以下几种类型，需要不同机床设备进行加工。
压力容器壳体、蒸汽发生器壳体、稳压器壳体等大型圆桶类部件，基本上属于两端带有封头的圆桶型部件，但直径和高度有所不同。压力容器和蒸汽发生器的直径取决于核电站发电机组的大小。目前，主要生产百万千瓦级核电设备，压力容器的直径在φ5m~8m或更大，长度约20m,分为4~5节，焊接而成，材料为特种钢。毛坯为圆柱型锻件，需要万吨压力机锻压成型。后续切削加工需要超重型数控立式车床、超重型数控卧式车床、大镗杆多轴联动数控镗铣床、数控龙门镗铣床、五轴联动车铣中心等。这些设备规格大，对于加工精度、主轴转速和快速移动等参数并没有特别要求，但是由于这些工件的价格昂贵，而且没有备件，要求成品率必须100%，因此对机床的可靠性和稳定性有很高的要求。
主泵设备。一座核电站需要10多种200多台各种类型的泵。这些泵都属于离心泵系列。其中主泵（1级泵）是位于核岛心脏部位的关键部件，是核电运转控制水循环的关键，属于核电站的一级设备，每个蒸汽发生器有一个主泵。核岛中主泵的结构并不比其它泵复杂，但是要求极高，要求具有绝对的可靠性，是核反应堆中唯一国内目前做不了的设备，完全依赖整机进口。主要是因为主泵要求连续运行至少30年不准出现任何问题。主泵直径约φ2m，高5m~6m，其主要部件分为两类：承压部件（包括泵体、泵盖、主螺栓、主螺母等）和功能部件（包括叶轮、叶轴、密封件等）。目前，沈鼓正在与美国西屋公司进行联合研制，总体新设计还没有完成。除了1级主泵外，还有多种2级、3级泵，各种泵的名称和功能不一样，但是原理基本一样。如安全壳喷淋泵，该泵平时不用，只有发生故障时使用，要求在6s内启动，起到降温的作用。这些泵的加工基本上包括了车、铣、镗，钻、攻丝等工序。
承压部件（包括泵体、泵盖、主螺栓、主螺母等）。泵体和泵盖加工需要的设备主要有大型数控立式车床、数控落地铣镗床、龙门加工中心等设备。
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选择问题。
功能部件（包括叶轮、叶轮轴、密封件等）。叶轮和叶轮轴加工需要的设备主要有五轴联动加工中心、数空车床，大型数控卧式车床等。
（2）常规岛部分
常规岛部分主要由蒸汽轮机组、发电机组、水泵、汽水分离器等组成。
蒸汽轮机。核电蒸汽轮机的原理和结构都与火电（燃煤）蒸汽轮机相同，不同之处在于同等发电容量的蒸汽轮机组，核电蒸汽轮的直径比火电蒸汽轮机要大一些，使用的材料也有部分不同，制造要求更高。主要加工零件有叶片、定子、转子等。主要加工机床有用于加工叶片的不同型号（最大叶片长度超过1600mm）4~5轴联动加工中心，用于加工转子的数控重型卧式车床、数控叶根槽铣床，用于加工定子的数控大型落地铣镗床、数控龙门镗铣床、大型定子专用机床等，如加工一个重达200多t的60万kW汽轮机转子，需要回转直径φ3.5m~5.0m、长15m~20m的重型卧车，加工涡轮叶片需要五轴联动加工中心，加工中压缸、高压缸需要龙门宽7.5m~8m，长22m的数控龙门镗铣床和重型数控立式车床以及镗杆直径φ200m~260mm的数控落地铣镗床等。对这些机床并没有特殊的要求，一般情况下，具有能满足火电蒸汽轮机加工需要的机床，基本上也能满足核电蒸汽轮机加工的要求。在这些机床设备中，大部分中小型叶片加工用4~5轴联动加工中心和转子主轴加工用数控卧式车床等，国内基本可以满足要求。但是大型叶片加工用加工中心和数控叶根槽铣床等数控机床主要依靠进口。
发电机。核电发电机与火电发电机基本相同，两者的加工设备也没有什么不同。在一般情况下，能满足火电发电机加工需要的机床，基本上也能满足核电发电机加工的要求。主要加工件有定子、转子等。主要加工机床有用于加工转子的数控重型卧式车床、数控转子槽铣床，用于加工定子的数控大型落地铣镗床、大型定子专用机床等。目前，在这些需要的高档数控机床中 ，部分机床国内可以满足需要，但是部分机床设备如数控转子槽铣床等仍然依靠进口。
水泵。主要由专业水泵生产厂提供，加工设备没有特殊要求。
汽水分离器。属于容器类，主要是圆桶类零件加工，主要设备是卷板机、焊接设备等。
（3）辅助装备部分
辅助装备部分主要是指支持核反应堆系统正常运行和保证反应堆安全的辅助设备。主要辅助装备包括核反应堆控制设备、各种仪器仪表、各种管道、阀门、冷却装置以及各种核辐射防护设备等。这些辅助装备的制造加工，其所需要的机床设备没有特殊要求，国产机床基本可以满足需要。
2.2 风电装备特点和需求
风力发电站装备主要包括以下几部分：变速箱（升速箱）部分、发电机组、叶片部分、塔基和变电站等。目前，风力发电逐渐向大功率机组发展，而且技术上要求很高，风力发电机组要求可靠、寿命周期长，因此零部件的精度、功能要求高。随着风力发电技术的发展，风电机组的原理和结构也在发生变化，未来的风电机组在向结构简单化，体积减小的方向发展。目前，我国正在开发无齿轮箱风力发电机组。如哈尔滨发电设备集团的发电设备工程研究中心开发了无齿轮箱变速变浆永磁风力发电机组，正在研制“变速恒频风力发电机组”和“直驱型变速风力发电机组”等。代替带齿轮箱传动的异步发电机组，具有制造成本降低，运行可靠，维修简便等优点。并具有自主知识产权。
目前，正在生产最多的是有齿轮箱风力发电机组，由于结构比较复杂，完成其各种部件的制造，需要不同机床设备进行加工。
（1）齿轮变速箱（升速箱）
风机的变速箱主要由箱体、行星轮系和变速机构等组成。
变速箱体加工。该箱体属于大型箱体，根据发电量的不同，直径在约φ2m~3m，大部分为分体结构。加工需要镗杆直径约φ160mm~250 mm的数控落地铣镗床，大型卧式加工中心、龙门加工中心等，要求精度保持性要好，加工精度要求较高。目前主要使用的是进口设备。
齿轮加工。变速箱内的齿轮加工量很大，需要对大型内齿圈、圆柱直齿轮和斜齿轮等齿轮进行成批生产。主要加工设备为大型数控立式滚齿机、数控插齿机、数控磨齿机等。这些齿轮加工机床中，大规格数控齿轮机床普遍要求高效、重载、重切、刚性好的特点，主要依靠进口，中小型使用国产。其中大规格、大模数齿轮和齿圈采用数控成型铣齿机和数控成型磨齿机，数控成型铣齿机要求大切深、大进给、滚速高。数控成型磨齿机要求精度达到5级以上，自动化程度高、自动调心、自动测量、自动修形、稳定性高。目前，国内制造风电用变速箱的企业主要有南高齿。该厂生产任务非常忙，长期3班倒，还是不能完全满足市场需求，因此要求加工设备稳定、可靠，目前该厂使用的齿轮加工机床基本上是进口设备。
（2）发电机组
风电用发电机组的原理和结构与火电等其它发电机基本一样。风电大都使用千瓦级发电机，比火电使用的万千瓦级发电机，属于不同级别的机组，从制造角度上看没有太大难度，能制造火电发电机组的企业，一般都能满足制造风电用发电机组的要求。但是，风电发电机要求使用寿命达到20年以上，对其稳定性和可靠性要求更高。另外，风电采用变频联调和空—空冷却等设备，也有一些特殊的要求。
（3）叶片
风机的叶片大多采用环氧玻璃纤维或碳纤维等复合材料制作。叶片设计主要采用全三维气动仿真和结构有限元仿真，使用真空灌注工艺进行叶片生产。机械加工较少，部分需要冲切成型。
叶片的变桨机构主要有变桨电机、减速器和变桨控制器等。对制造设备没有特殊要求，国内机床可以满足需求。
偏航机构主要部件是带内外齿的大型轴承和4个小齿论和变速装置等。该种大型轴承目前国内还不能制造，主要依靠进口。国内“天马股份”将进行偏航机构用的大型轴承开发制造。其加工设备主要是一些要求较高的专用机床装备，如CCMT2008展览会上，齐重数控装备股份有限公司展出的三台大型数控专用机床，就是为加工制造风电大型齿轮的设备。
（4）塔桶
千瓦级风力发电塔桶一般采用普通钢板材料，辊压卷曲焊接而成。其直径约φ3m~5 m，高约80 m，内部设有升降机构。制造的设备主要需要大型卷板机和焊接设备，大型切割设备等。
3 小结
我国核电和风电装备制造业起步较晚，属于新兴制造业，原有基础较差。但是，近几年发展很快，进入快速增长期，成为电力工业新的增长点，在电力行业中所占比重逐渐增加。国家重视核电和风电的发展，主要是在能源短缺和环境恶化双重压力下，进行能源结构调整和能源政策战略转移的结果。
核电和风电是属于新兴产业，需要新材料、新工艺、新技术、新装备。机床工具行业应当重视核电和风电的这种需要，作为重点服务对象。
核电和风电装备制造需要的机床特点是大规格、大吨位、高刚度、高可靠性。但是，与核电工业和风电工业的要求相比，国产机床的可靠性和稳定性还有一定差距。虽然用户对可靠性和稳定性没有提出定量指标，但机床制造企业必须对这个问题予以足够的重视。
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