依托重大工程带动我国水电设备制造业水平升级

曹广晶　孙志禹

三峡工程充分发挥国家重大工程对技术创新的带动作用,坚持以自主创新提升我国水电产业整体技术水平,通过引进、消化吸收、再创新,在短短7年左右的时间里,取得了一大批自主知识产权成果,实现了从生产32万千瓦机组的技术水平,到70万千瓦机组的重大突破,使我国水电设备制造业一举跨越与国外30年的差距。国产三峡机组达到了国际同等水平,自主研制的840MVA水轮发电机全空冷技术达到了国际先进水平。“三峡模式”以重点工程带动自主创新,是国内自主创新的新标志。

三峡水利枢纽规模宏伟、效益巨大、技术复杂、影响深远,是举世瞩目的跨世纪工程。三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽,无论其建设规模还是技术难度均居世界前列。

科技是整个三峡工程的先导和基础。三峡工程所使用的机电设备关系到整个枢纽工程的安全可靠运行和综合效益的实现,因此,对机电设备的参数、性能、质量和可靠性要求,一直是三峡工程的关键问题之一。三峡机组无论在尺寸、重量和技术参数方面,均达到或超过当时世界水平,加之电站运行水头变幅大,又担任调峰任务,负荷变化大,性能参数高,保护与监控自动化程度高,是当时设计、制造、安装、运行难度最大的机组设备。这给水轮发电机组的设计选型带来极大的难题,同时,也给机组的安全稳定运行带来极大的挑战。当时,国内大型水轮发电机组设计、制造的厂家仅为哈尔滨电机厂和东方电机厂两家,国内同类型的水轮发电机组转轮直径最大为8m,功率为320MW,而三峡水轮机转轮直径却达10m,单机容量达700MW。

其设计和制造难度之高,让世界著名的水轮发电机厂商也颇感棘手。如果仅靠自力更生,立足于国内厂家制造,由于当时缺乏设计、制造巨型水电机组的成熟技术和经验,不仅三峡工程要冒工程进度和质量的风险,而且,国内制造企业也难以获得世界先进技术,追赶世界技术进步的潮流;如果仅仅靠采购国际一流制造厂家的先进设备,虽有利于三峡工程如期投产和实现一流质量目标,但要花费不菲的大量外汇,增加工程成本,更重要的是永远摆脱不了对国外的技术依赖。因此,为了既确保三峡工程的质量达到一流,又不失时机地扶持民族工业,党中央、国务院果断决策:三峡左岸电站机组实行国际采购,走“技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产”之路,明确提出了依托三峡工程,走自主创新与技术引进相结合的道路,通过技术引进,消化吸收,自主创新,逐步实现三峡工程装备国产化。

技术引进 消化吸收自主创新

以自主创新为原则,国家统一协调技术引进

在三峡工程中,我国政府不仅投入了巨额的技术引进资金,而且成立了国务院三峡工程建设委员会及其办事机构——国务院三峡办,负责三峡工程的全面协调及实施。构建法人化的运作主体,成立三峡总公司。三峡总公司是一个自主经营、自负盈亏的法人实体。它不是行政指挥者,而是项目法人,对工程筹划、筹资、组织施工、生产营运、技术创新、还贷等进行全程管理,有效地把责、权、利统一起来,有利于控制工程进度、质量和投资。在技术引进招标的过程中,我国政府将三峡工程左岸水轮机组整体作为招标标的进行招标,使得此次招标合同金额规模非常大,对任何公司都有很强的吸引力,而且以获取先进技术为招标和进行下一步右岸机组施工的导向,果断地拒绝了一批拒绝转让技术企业的投标申请,使得我国企业在技术引进过程中占据了有利的地位,最终使得本次技术引进取得了成功。

以巨大的市场需求为筹码,迫使国际厂商转让核心技术

坚持对外开放,运用市场竞争机制,在引进一流机电产品的同时全面引进关键技术。三峡电站单机容量70万千瓦,是世界上容量最大、直径最大、重量最重的机组。同时,总金额为7.4亿美元的三峡左岸14台水轮发电机组的一次性采购合同是当时世界上最大的水电机组采购项目,在全球水电行业处于低谷的情况下,对跨国公司无疑很有吸引力。1996年6月,中国三峡总公司对外宣布左岸电站一次采购14台70万千瓦水轮发电机组。消息发布后,一下吸引了全球著名水电设备制造厂商和跨国公司,组成了6个投标体竞争投标,形成了激烈的竞争局面。最终,阿尔斯通和 ABB(后并入阿尔斯通发电公司)组成的供货集团,挪威克瓦纳(后并入 GE 水电)负责水力设计,中标8台,与哈电合作;加拿大 GE 和德国伏依特、西门子(VGS)联合体中标6台,与东电合作。其中,国内两家制造企业分包份额大于合同总价的30%。

三峡总公司充分发挥业主统筹协调的主导作用,以市场为导向,搭建了国际化竞争的平台。在左岸14台机组招标文件中三峡总公司明确提出了“三个必须”:投标者必须与中国制造企业联合设计、合作制造;必须向中国制造企业全面转让核心技术,培训中方技术人员;中国制造企业分包份额不低于合同总价的25%,14台机组中的最后2台必须以中国企业为主制造。为确保核心技术转让完全到位,三峡总公司支付了1 635万美元的技术转让费。通过上述举措,哈尔滨电机厂和东方电机厂(以下简称哈电和东电)等国内企业完整地引进了核心技术,大大提高了设计制造能力,在三峡左岸机组制造中的实际份额达到50%以上,后4台机组以哈电和东电为主制造,投产后各项运行指标均达到设计要求。同时,国内企业通过引进技术形成了自主创新能力,为自主设计制造70万千瓦特大型水轮发电机组奠定了基础。

通过引进、消化吸收、再创新,实现重点跨越

三峡左岸机组制造时我国企业没有这种能力,全部都是买别人的东西。但是,因为我们有这块市场,在跟别的国家引进技术、引进设备时多了一个筹码,以“市场换技术”,可以要求他们与中国的企业进行技术转让和技术合作,让国内制造厂能参与部分零部件的配套,以此进行先进技术的消化吸收和再创新。所以,到了右岸之后,情况就已经发生了很大变化,中国的企业可以独立参与投标,在许多重要技术参数上甚至还超过了国外企业。

三峡工程通过追求国产化的目标,实现了国内相关技术的重点跨越。三峡机组追求的国产化是“三自”的国产化,即自主设计、自主制造、具有自主知识产权。在三峡工程机电设备国产化的广度和深度上,三峡机组从分包制造到独立制造,制造份额的提高体现出国产化的宽广度;从转轮铸件、蜗壳钢板等关键材料的完全进口到国内采购,原材料的逐步国内采购,展现出国产化的深度。

三峡左岸14台机组制造中,哈电、东电参与了所有关键部件的分包制造并各自为主制造了一台机组,上海福伊特西门子(原上海希科)、天津阿尔斯通承担部分设备制造任务,水电八局承担水轮机埋件制造任务。合同签订时国内分包份额达到38.6%,机组制造过程中发生变更,实际国内分包份额超过50%;三峡右岸12台机组制造中,哈电、东电和ALSTOM各自承担了4台机组的设计制造任务,天津阿尔斯通参加了ALSTOM合同中关键部件的制造,水电八局和葛洲坝承担了水轮机埋件制造任务。国内合同份额占2/3,国内制造份额超过了70%;与左岸相比,右岸国内制造份额得到了大幅提高,充分体现出我国大型水电设备国产化推进的宽广度。

三峡左岸蜗壳高强钢板完全依赖从日本进口,通过国内企业的积极努力,鞍钢和宝钢分别研制出了性能完全相同的高强钢板ADB610D、B610CF,三峡右岸蜗壳钢板完全由鞍钢和宝钢供货。左岸水轮机转轮的铸件基本上依靠从韩国斗山、法国等少数国外铸件厂进口,为减少此类重要原材料对国外进口的依赖,国内机械制造行业从左岸就开始了转轮铸件的试制,目前,鞍钢、大重、二重、一重、哈电、共享等国内企业已具备量产能力。通过国家政策支持和行业合作与相互促进,国内企业从科研攻关开始直至量产,逐步实现了核心部件的关键材料国内制造,展现出了我国大型设备国产化推进的深度。

国产化程度决定了机组招标方式;国产化水平和产能决定了分配方案。如,三峡总公司向家坝、溪洛渡的国际招标结果是:19台由哈电、东电国内企业制作,7台由天津阿尔斯通、上海福伊特西门子合资厂制造。因为,向家坝、溪洛渡机组招标时,哈电、东电在三峡机组国产化上已取得了实质性成果,天津阿尔斯通和上海福伊特西门子也通过许多大型水电项目的实践检验,在其母公司的技术支持下具备了700MW级机组的设计制造能力。从三峡左岸的全部国际公开招标,至三峡右岸4台国际公开招标,再到向家坝、溪洛渡全部国内公开招标,不同的招标政策反映出不同的国产化水平,国产化程度的提高促进了招标方式的改变。同时,在溪洛渡、向家坝投标方各家的模型同台对比试验结果表明,各家的水力设计处于同一高水平上。通过三峡工程国产化成果的实践,哈电、东电均具备了完全的自主设计制造能力,天津阿尔斯通和上海福伊特西门子在水力设计和电磁设计等核心技术方面需要其母公司提供技术支持,部分核心部件的国内生产还需实践检验。在向家坝、溪洛渡机组招标过程中,我们发现从三峡左岸至三峡右岸,再到向家坝、溪洛渡,每一次招标都带来技术的进步:无论水力设计的提升,还是在全空冷发电机的推广,发电机电压等级的选取,每一步都成为了行业技术进步最好的见证。

经济与社会效益

三峡工程充分发挥国家重大工程对技术创新的带动作用,坚持以自主创新提升我国水电产业整体技术水平,通过三峡左岸机组的技术引进、消化,设计水平实现了飞跃。

水轮机方面,右岸电站招标过程中,国内厂商自主设计的水轮机模型试验在同台对比试验中,哈电、东电的模型试验成果与国外厂商站到了一个平台上,效率、稳定性达到了国际先进水平,水轮机水力学设计实现了自主设计而且有所创新突破。发电机方面,发电机全空冷技术在大容量水轮发电机应用上取得重大突破。哈电在引进技术的基础上,自主研制成功目前世界上容量最大的840MVA全空冷水轮发电机,突破了原有机组容量对全空冷技术采用的限制,开辟了巨型水轮发电机组全空冷技术应用的广阔前景。此外,三峡右岸的主变压器、GIS、励磁调速系统及计算机监控系统等重大装备通过左岸的引进消化吸收,国内厂家的设计制造能力和技术水平都提升了一个高度,达到国际先进水平。在引进消化吸收的同时,各制造厂家拥有了具有自主知识产权的原始创新,如应用于700MW级大型水轮发电机的蒸发冷却技术。2008年12月,在三峡召开的“三峡电站水轮发电机组性能评审会”上,经曾经参与三峡工程机电设备论证、科研、设计、制造、安装、运行等工作的40多位专家评审认为,国产三峡机组在水力设计、电磁设计、冷却方式、绝缘技术等方面都达到了国际同等水平,三峡右岸电站机组总体性能优于左岸电站机组。哈电自主研制的目前世界上单机容量最大的840MVA水轮发电机全空冷技术达到了国际先进水平。

分析与启示

“三峡模式”以重点工程带动自主创新,是国内自主创新的新标志。“三峡模式”成功实施带给我们有益的启示:

以重大工程带动自主创新能力提升需要体现国家意志。

在技术引进招标的过程中,正是我国政府将三峡工程左岸水轮机组整体作为招标标的进行招标,才使得此次招标合同金额规模巨大,成为谈判的重要筹码。自主创新不仅是企业自身发展的需要,更是提高国家整体科技水平和综合国力的要求,是企业承担的重要社会责任。因此,国家对企业自主创新要给予必要的引导和支持。在三峡工程建设初期,我国不具备生产70万千瓦特大型水轮发电机组的能力,国家从全局和长远考虑,提出了“技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产”的方针。正是这一重大决策,奠定了三峡机组引进消化吸收再创新的基础,坚定了国内企业勇于创新、跻身世界一流的信心和决心,从而推动了我国民族制造工业的发展。

该模式实施需要具备和充分利用国际和国内条件。

国际水电发展的一个趋势是:大型水电设施在亚洲发展最快,而在北美地区近些年来基本没有发展,进入21世纪后还有下降的趋势。例如,北美水电的开发率有的达到了80%~90%,因此,不可能有大幅增长,再开发需要的成本投入太大。而中国目前水电开发率仅有20%多,并且具有良好的成长空间。因此,我国水电开发工程对于国际大公司具有巨大的诱惑力。三峡创新模式的成功实施从一定程度上是充分利用有利的国内、国际条件,适时地把握了通过合作再创新的机遇。

国内必须提前具备一定的技术积累。

国家对三峡工程自主研发的长期支持和技术积累,为引进技术的消化吸收再创新奠定了坚实基础。在三峡工程开工前,相关部门围绕三峡机电设备国产化、对民族工业的扶持政策等,制定了切实可行的支持鼓励政策及措施。三峡工程的重大装备科研攻关项目,列入“六五”到“十五”连续5个国家“五年”计划,我国相关科研机构、院校及机电设备制造厂为此做了充分准备。从1983年可行性审查会到国家正式批准三峡工程开工的十余年论证中,三峡工程的重大装备前期科研攻关一直没有停止。在上个世纪80年代进行三峡工程论证时,原国务院重大装备领导小组办公室将三峡工程机电设备,列入国家重大技术装备研制项目,组织各大制造厂、设计院、高校和科研院所等有关单位开展科技攻关。先后建立了高水头水力试验台进行水轮机水力设计与模型试验的研究;建立了1 000吨级、3 000吨级推力轴承试验台;进行6 000吨级推力轴承的计算与试验研究;总结了国内设计制造大型水电机组的经验;配合设计部门和论证小组提出了三峡工程的水轮机和水轮发电机的参数方案;在制造能力方面,国家通过技改计划,投入近8亿元资金,支持哈电和东电进行技术改造,为立足于国内自主设计制造做了大量的准备。

需要以企业为主体,建立产学研合作平台。

自主创新必须发挥企业的主体作用。自主创新只有坚持以企业为主体,才能在面向市场、面向应用中取得实效。三峡工程建设有效地利用市场手段,发挥业主的主导和协调作用,组织参建各方建立了科研、设计、制造联合创新的团队,形成了联合创新的机制,集中力量在一些关键领域取得了重大的技术突破。一大批企业通过参与三峡工程建设,提升了自主创新能力。同时,自主创新要创建广泛合作的平台,充分利用国内外的各种技术资源,在更高的起点上更快地提升我国企业的自主创新能力。在三峡工程建设中,我们开展了广泛的国际技术交流与合作,引进世界一流的施工机械和机电设备,学习借鉴全球最先进的施工技术与管理经验,聘用国际一流的专家开展工程咨询,使三峡工程成为一个面向全球全方位开放的工程,成为代表当今世界最高建设水平的水电工程。