“华龙一号”研发管理及创新

刘世光,李大波,袁 坤

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

1 “华龙一号”研发管理创新背景

1.1 实现核电自主化,促进我国由核电大国向核电强国转变

2011年3 月,日本福岛核电站反应堆冷却系统失控,导致大量放射性物质外泄。各国纷纷调整了核电政策,并对新建核电厂的核安全标准提出了更加严格的要求,第三代核电厂 (或者先进核电厂)成为当今世界核电发展的主流技术。我国长期以来通过消化吸收再创新形成的二代改进型核电技术将逐步退出。同时由于我国核电技术是在引进基础上发展起来的技术,尚未能实现核电型号的整体创新并形成我国自主的核电产品,因此在国际核能合作领域及核电市场上话语权很小。为适应国内国际核电技术发展要求,推进我国核电技术的自主发展,开展三代核电技术的自主研发极为必要。

1.2 支撑核电走出去,适应国家 “一带一路”倡议要求

我国核电技术在起步阶段经历过了引进、消化及再创新的过程,并通过多项技术改进形成了二代改进型核电型号技术。但由于当初技术引进过程中外方施加了限制条件,尽管我国在二代改进型核电技术中做了重要的技术改进,但由于未能形成核电型号的整体创新,知识产权仍受外方限制,不能实现核电的自主出口。因此,要支撑“一带一路”倡议,实现核电走出去,必须要实现核电技术的自主化,只有具有自主知识产权的核电技术,才能顺利实现核电的整机出口,摆脱外方知识产权束缚,打破核技术大国的封锁,实现我国核电技术在国际市场上的可持续发展。

1.3 带动行业技术发展的需要

核电行业由于对安全性要求高,其相应的核设施及核设备技术门槛高,随着核电技术的发展,可带动装备业水平和能力的进一步提升,促进产业升级及技术更新换代。发展自主三代核电技术,核电主要系统及设备在我国现有的成熟核电装备制造业体系进行升级改进,在三代核电项目国内建设及配合国家实施核电 “走出去”的战略中,依托核电项目可有效消纳化解核电产业链过剩产能,带动相关产业优胜劣汰。

2 加强顶层策划,制定自主化研发技术路线

根据三代核电技术的发展要求及国内核电研究技术基础,工程公司组织讨论确定 “华龙一号”总体研发思路:在充分利用我国批量化压水堆设计、建造和运行经验的具有自主知识产权的成熟技术经验基础上,借鉴国际三代核电技术的设计理念,吸取福岛事故的经验反馈,开展进一步的自主研发,实现具有自主知识产权的三代核电型号的研制。

2.1 顶层策划确定 “华龙一号”总体技术特征,明确自主创新要求

“华龙一号”作为我国自主研发的三代核电型号,需满足国际上对三代核电技术指标的要求,并具备良好的安全性、先进性和经济性。

为确保 “华龙一号”型号技术的自主创新性,在顶层策划中,确定在总体设计、堆芯系统、结构设计、抗震技术、严重事故预防系统和应急能力等核电整体型号的核心领域采用自主技术,在满足三代核电技术指标要求的基础上,也突破外方知识产权限制,实现 “华龙一号”整体型号技术知识产权的自主化。完成技术创新后,“华龙一号”将形成的主要技术特征,包括177堆芯、单堆布置、双层安全壳、能动与非能动安全设计理念、抗震能力、抗商用大飞机撞击能力和应急能力提高等。

2.2 明确技术路线方案,指导项目实施

作为渐进式的先进压水堆设计,“华龙一号”是基于成熟技术的基础上开展的各系统的研发。根据总体技术特征及自主研发要求,确定的研发方式包括创新研发、渐进式改进及消化吸收再创新。

对于 “华龙一号”新增的安全系统,确定由设计单位提出系统的设计要求或初步设计方案,联合国内具有技术优势的科研院所完成新增系统的研发和验证,如堆腔注水冷却系统 (CIS)验证试验、二次侧非能动余热导出系统 (PRS)验证试验、非能动安全壳热量排出系统 (PCS)验证试验等,确保系统的工程可用性及知识产权的自主性。

对于核电型号中的核蒸汽供应主工艺系统,确定在国内已有成熟运行经验的三环路设计方案上进行优化。其相应的系统和配置,由设计单位根据已有的核电运行经验反馈及 “华龙一号”的技术要求进行改进。主要关键设备 (压力容器、堆内构件、控制棒驱动机构、燃料组件、蒸发器、主泵、主管道、稳压器和数字化仪控系统等)也是基于我国现有的成熟核电装备制造业体系及国产化能力进行改进。

对于核电设计与分析软件的研发,在消化吸收国外分析软件的基础上开展自主创新,通过分析掌握国外先进软件的理论模型和程序流程,结合国内已有核电设计、建造、运行的实际情况,充分利用国内前期已有的研发基础,添加或改进理论模型,按照核电软件相关法规的要求,在统一的框架下开发具有自主知识产权的成套核电设计、分析、运行支持软件,形成自主的核电设计与分析软件。

3 建立项目管理组织模式,构建技术分层决策体系

3.1 完善研发组织体系

为适应市场机制、推进创新发展、全面提升核心竞争力,早日实现国际一流研发公司的目标,工程公司实施管理体系优化工作。以 “市场导向、精干高效;项目核心、强化责任;板块支持、分工协作;流程清晰、责权对等”为基本原则,管理优化新设立4个业务板块,设置13个职能部门,明确提出了职能部门服务业务板块的核心理念,各职能部门全力配合业务板块 “华龙一号”的研发工作,进一步优化研发管理决策层、管理层和执行层合理分工和高效协同的组织架构。

在公司总体研发体系建设上,由相关职能部门牵头开展计划管理体系、质量管理体系、经费管理体系、知识产权管理体系、合同管理体系和信息化管理体系建设,建立起以公司科研管理为中心,以科研进度管理、经费管理、专利管理等一系列程序和细则为纽带的科研项目管理体系,为科研项目管理和实施的有序开展提供支撑。

图1 “华龙一号”研发管理体系Fig.1 HPR1000 R&D management system

3.2 建立 “华龙一号”项目技术分层决策体系,提高项目技术决策效率

完善 “华龙一号”项目技术决策体系,解决一般科研项目实施技术决策效率低的问题,针对型号研发系统性强,专业交叉多,系统技术接口多的特点,在实践中逐步摸索并建立了 “华龙一号”项目总设计师-型号总师-专业总设计师的技术分层决策体系,制定了 《中国核电工程有限公司首席专家职位设置》《中国核电工程有限公司型号总设计师管理办法》和 《中国核电工程有限公司 “华龙一号”专业总设计师管理办法》。根据职责分工,各专业领域内技术问题及技术方案由各专业总设计师进行解决和决策;型号总师负责组织完成项目总体技术方案,并统筹协调多专业领域间的技术问题以及与参研单位之间的技术协调;总设计师负责提出项目总体技术路线,审查并确定项目总体技术方案,参与解决多系统的技术协调。在确定的分层技术决策体系下,各类技术问题高效地在各决策层级权限范围内部解决,与过去各类技术问题都需要总工程师/副总工程师决策解决的低效局面形成鲜明对比,提高了项目研发决策效率。

3.3 完善激励机制,加强人才队伍建设

科技创新研发具有不确定性,技术难度高于工程设计,为鼓励公司员工积极开展科技创新,工程公司建立覆盖面广且重点突出的科技奖励机制,先后发布、升版一系列关于专利、科技成果和科技创新评价奖励的制度。工程公司设立每年140万元的科技创新奖励基金,通过对专利、计算机软件、技术标准、成果鉴定、科技论文等进行计分的形式,对参与科技研发的单位进行科技创新评价,对获奖单位予以表彰和奖励。同时,在专项奖励方面,工程公司尤其加强了对知识产权的奖励,对获得授权的发明专利奖励1万元、实用新型专利奖励3 000元;对获得国家或省部级的科技成果奖,除上级部门奖励外,公司进行等额的配套奖励。根据规定,这些奖励必须落实到开展科技创新的具体员工,如专利的发明人、科技成果的完成人、软件的开发者,用于调动广大基层科技人员开展科技创新和知识产权保护的积极性。

科技创新战略实施需要有一支优秀的专业技术管理队伍和技术人才队伍的支撑。为保障 “华龙一号”型号研发所需的管理及技术人才,工程公司制定 《中国核电工程有限公司培训体系管理办法》,建立由培训管理体系、培训课程体系、培训讲师体系和培训信息化支持体系四部分组成的培训体系。培训管理体系以 “分层级、分阶段、分通道”的培训管理体系为核心理念,培训课程体系和培训核心体系为保障,培训信息支持体系为有效支撑。

4 加强知识产权策划和保护

中国核电走过了引进、消化吸收、再创新的历程。为防止中国核电企业成长并与其竞争,在签订技术引进协议时,西方核电公司作为技术许可方,以其掌握的知识产权,给中国核电企业设置了种种限制,尤其是限制中方引进的技术只能用于中国大陆地区,将中国核电出口之门封堵的严严实实。因此,自有知识产权积累不足,技术引进受限严重,成为中国核电 “走出去”难以逾越的壁垒。尽管之前在知识产权方面开展过大量工作,但如何在核电技术创新过程中保护好自己的知识产权,避免侵犯他人知识产权,尤其是摆脱当年技术引进过程中的各种限制,使自己的研发成果走出国门,是“华龙一号”研发管理工作中面临的一项重大课题。

4.1 明确知识产权管理的基本目标、基本原则

在项目总设计师的主持下,经各方充分讨论,确认 “华龙一号”科研项目知识产权管理的基本目标是:保护自有创新成果,获取自主知识产权,防止侵犯他人合法权益,为研发成果走出国门提供保障。

在此基本目标下,确立一些基本原则:在对外合作工作中,本着 “开放、包容、合作、共赢”的原则, “华龙一号”研发产生的知识产权,确保不影响后续自行使用,积极争取独享,与国内核电设备供应商协商处理设备国产化过程中的知识产权问题;对创新成果保护,根据使用方式、生命周期、保密难易程度等采取技术秘密＋专利＋著作权的多种知识产权保护方式;跟兄弟单位之间,专利申请要打破分工界限,只要是自己取得的发明构思,就应该及时申请专利。

4.2 构建全方位参与的知识产权管理组织

作为组织保障,围绕 “华龙一号”科研项目的知识产权管理,构建一套各方全面参与的知识产权管理组织。在中核集团公司层面,根据总设计师的推荐,任命公司专业副总工程师为项目知识产权专员,负责组织开展专项知识产权策划,在项目立项论证、研发过程、验收等各个阶段开展知识产权具体工作。在公司内部,任命知识产权专职管理人员为项目知识产权副专员,协助专员开展项目的知识产权管理工作。另外,设置知识产权兼职设总和各专业知识产权联络员。从而构建知识产权专员组织落实、知识产权专业机构介入服务和知识产权管理部门全程深入跟踪的“华龙一号”知识产权工作体系。

作为公司副总经理,项目总设计师邢继为各单位设定专利考核目标。结合项目例会制度,将知识产权工作纳入行动跟踪项,及时通报相关工作的进展和遇到的问题。

4.3 与市场紧密结合,排查知识产权风险

联合知识产权专业机构对技术引进合同中制约核电 “走出去”的限制条款进行分析,包括1986年 《大亚湾核电站核岛技术许可协议》、1992年 《秦山二期核岛技术咨询协议》、1995年《岭澳一期核岛技术许可协议》、1991年 《大亚湾燃料组件技术转移协议 (2G)》、1998年 《燃料组件技术转移协议 (3G)》,避免发生不遵守技术引进合同约定而引发合同纠纷,并为 “华龙一号”开展自主创新提出目标和要求。

此外,针对目标出口国,组织相应的知识产权法律法规及法制环境调研,以防侵犯他人专利权,遭遇专利纠纷。

4.4 积极申请知识产权

在 “华龙一号”核电机组研发过程中,知识产权保护工作贯穿全过程,采用商业秘密、专利、商标和计算机软件等知识产权保护方式,构建完善的知识产权保护网。对于满足 “新颖性”“创造性”“实用性”等相关要求且适用范围广、具备一定通用性的创新方案,如产品结构、配方、系统组成、施工调试工艺以及容易被加工制造厂商、与公司有竞争关系者知悉的创新技术方案,都通过申请专利的方式加以保护。对于市场周期短、仅被公司员工掌握的技术诀窍或仅在公司内部实施不易扩散的技术方案优先通过技术秘密的方式加以保护。对于新开发的计算机软件,及时申请著作权登记。为加强品牌建设和保护,在公司范围组织开展图形商标设计,并及时将 “华龙一号”的中文(“华龙”“华龙一号”“华龙二号”)、英文(“HPR1000”“HUALONG1000”)和图形在中国和潜在海外市场开展商标注册。

图2 “华龙一号”图形商标Fig.2 HPR1000 logo

5 建立产学研用和国内外协同创新研发模式,搭建协同创新平台

随着技术的复杂性、技术创新的不确定性和创新模式的融合性加剧,单个企业的创新能力及科技创新资源日益受到挑战。“华龙一号”属于型号研发,涉及核电领域各专业,系统性强,技术难度大,为了有效推进项目实施,工程公司开拓思路,在集中内部优势资源的基础上,广泛开展社会协作,利用各方科技人才、技术及研发设施资源,开展协同攻关,形成研发合力。

5.1 集中中核集团内部优势资源开展专业攻关

为集中自身资源提升核心竞争力,工程公司联合中国核动力研究设计院以及中核武汉核电运行技术股份有限公司形成核心研发团队,集中优势力量重点在 “华龙一号”型号研发的顶层设计与谋划、总体布置、燃料组件、堆芯系统等方面开展研究。结合各单位的研发能力和技术基础,工程公司作为设计总体院,负责完成 “华龙一号”总体设计方案,提出各系统及设备的输入及技术要求;中国核动力研究设计院作为核电站中主工艺系统核蒸汽供应系统的责任单位,负责燃料组件的研究设计及核电站一回路系统和关键设备的研制;中核武汉核电运行技术股份有限公司具备多年的核电站运行维护经验,主要负责核电站运行维护技术的研发。各单位根据各自职责分工开展相关研发工作,工程公司作为牵头单位负责总体研发进度的控制和各系统间的接口协调,整体把握项目的研发进度。

5.2 积极开展社会化大协作,建立社会协作创新机制

创立以 “以项目为载体,以技术为纽带,优势互补,共同攻关”科技创新合作模式,在明确研发总体技术方案的基础上,确定研发分工,充分发挥全国科研院所、高校和企业以及国际合作科技资源,发挥产学研用的结合优势,集中力量开展科技攻关。在把自身有限资源投入到 “小核心”的同时,充分吸纳国内外优质资源参与到“华龙一号”型号研发设计中来。工程公司具有丰富的核电设计经验,在 “华龙一号”研发中,在系统研发方面,根据 “华龙一号”的总体技术要求,在完成各系统设计方案的基础上,主要通过联合研究的形式,与有技术优势及研发平台的科研院所进行联合攻关,完成系统方案的试验验证,形成研究成果并共享知识产权。对核电设备研制,则由工程公司提出设备研制要求,通过委托设备制造厂,以设备研发与产品供货相关联的形式,鼓励设备制造厂开展设备研发及技术更新,形成国内核电设备的自主供货能力。在 “华龙一号”的研发过程中,包括国际原子能机构、法国辐射防护与核安全研究院 (IRSN)、BERTIN TECHNOLOGIES等14家国际组织及机构,国内清华大学、哈尔滨工程大学、北京中核东方控制系统工程有限公司、大连宝原核设备有限公司、中冶建筑研究总院有限公司等75家高校、科研机构、设备制造厂共同参与,协作完成了风险导向研究、严重事故源项分析程序引进、超大型高位收水冷却塔国际咨询、重要厂用水冷却塔用核级风机研发、双层安全壳机械贯穿件研制与鉴定试验研究等共计179项研发工作。同时,在 “华龙一号”的研制过程中,提请邀请潜在核电业主参与重要技术方案的评审和最终项目的验收见证,确保新研发核电技术的可实施性,并满足核电业主的要求。通过广泛利用社会研发资源,极大地加快了 “华龙一号”的研发进程。

6 实行 “互联网＋三维协同”设计一体化,促进行业研发设计模式升级

核电工程设计是一项极其复杂的系统工程,国内核电设计起步较晚,在设计过程中,由于工作流程不够顺畅,各专业之间接口沟通不畅而造成的工作反复和返工现象经常发生,如果仍照以前那种按部就班的设计方式进行工作,势必会影响到设计进度,延误工程进展,为提高设计效率以及设计的准确性,在 “互联网＋”大力发展的今天,工程公司引入了 “互联网＋三维协同”的新设计思路。互联网既是一种技术,也是一种能力,有利于产业创新和优化,实现了以人为本的全新理念。 “互联网＋”是互联网的形态演进,而其发展的基础来源于互联网,又高于互联网。利用互联网广泛互联的特点将碎片化业务整合起来,为设计部门进行集中式的开发设计活动提供了统一平台,并与各行各业相结合,从而赋予后者新的力量。工程公司基于这种新兴的技术形式,将 “互联网＋三维协同”的思想应用到工程公司目前的设计工作之中。

6.1 开发”互联网＋三维协同”设计一体化工作平台

采用由英国AVEVA公司开发的三维工厂设计系统PDMS(Plant Design Management System),基本涵盖工厂设计中的各个专业,包括配管、设备、结构、暖通、电气、仪表、给排水等,各专业可在同一软件系统中实现协同设计,实时进行碰撞检查。在设计过程中,不仅配管专业进行三维管道设计,其他专业包括设备、结构、土建、暖通、仪表、电气、给排水等也可以在PDMS设计环境中建立三维外形实体模型,从而实现管道与管道之间、管道与钢结构之间、楼板开口与设备之间等的协同设计,解决管道系统之间、各专业之间的碰撞、土建基础条件的校验、分区管道的连接设计问题,进而整体提升设计质量,降低在现场出现设计问题的可能。

经过多年的三维设计实践和经验积累,工程公司形成以三维布置设计为主的多专业工作平台,精细化设计水平得到提高。在此基础上,与“互联网＋”相结合,形成 “互联网＋三维协同”的独特设计方式,以此实现异地设计人员访问同一个三维模型,对其进行修改,并通过视频、语音的形式进行沟通。同时利用协调策略,对其中存在的冲突进行处理,进而保证异地协同设计工作能够高效开展。

6.2 整合数据,协同作业,提高设计质量

“华龙一号”研发涉及70多个专业,有上千名来自各地的设计人员同步参与,利用互联网和图像数据同步重建技术,搭建起了三维综合设计平台。“华龙一号”三维综合设计平台”办公室一共有40多名工作人员,如有的人负责 “华龙一号”设备冷却水热交换器的三维设计工作,而这一设备仅仅是核电站设备系统中的万分之一。“华龙一号”在采用三维综合设计平台后,除包括中核工程公司、中核动力院协同设计外,还与核电业主、项目管理、工程采购、设备制造厂以及土建与安装施工等单位连接,提供相关设计数据支持,互联单位共约20家。同时三维设计平台可使分布在北京、上海、成都、福建、西安、石家庄、郑州等地单位相连,协同设计平台的终端数量达到500个,该平台还可以根据需要进行扩充。通过三维设计平台,设计人员随时可以了解相关信息与其他专业设计情况,随时协调设计接口;同时,平台提供了自动 “碰撞检查”功能,快速准确,使 “零碰撞”成为可能,从而大幅提升设计质量。

6.3 开展可视化的工程进度管理

工程进度管理可视化是工程建造可视化的一个重要方面,工程建造可视化的实质就是将设计成果三维模型和工程进度管理关联,建立工程进度管理的三维模型,给三维模型增加 “时间轴”,并通过互联网的模式让在各地的工作人员都可以轻松查看,明确工程进度。“互联网＋三维协同”模式的引入,增强了工程进度计划的可视化管理,在计算机中可以自由查看并调用可视化工程进度,并以此模型为各方交流的平台,提高了工程参与各方的沟通效率,以及管理工程施工进度的效率,同时,在计算机中可视化再现现场实际进度,给工程协调提供直观的信息,更可以及时地进行决策,使工程进度可以得到更有效的控制和监督,以最小的资源消耗,取得更大的经济效益。

7 结论

本文通过探讨三代核电技术 “华龙一号”研发管理创新的实施背景,通过创新研发管理模式实现研发体系转型升级,构架一体化知识产权管理与研发体系实现完全自主知识产权,搭建全球化协同创新平台整合技术资源,创建 “互联网＋”核能一体化三维协同研发设计平台大幅提升创新研发效率,成功研发出具有完全自主知识产权的三代核电型号 “华龙一号”,完成了支撑完全自主知识产权核电项目走出去的研发管理体系构建,实现自主知识产权的三代核电技术型号开发,打破国际垄断,提升我国核电话语权,推动我国核电项目 “走出去”。

[1]袁坤,刘立平,刘世光,等.中国核电工程有限公司产品研发管理体系V1.0[R]．北京:中国核电工程有限公司,2017:6-8．

[2]刘立平,袁坤,等.中国核电工程有限公司科研项目管理办法 [R]．北京:中国核电工程有限公司,2013:10-31．

[3]李大波,袁坤,等.中国核电工程有限公司科研项目知识产权管理细则 [R]．北京:中国核电工程有限公司,2015:9-30．

[4]王秋林,等.中国核电工程有限公司型号总设计师管理办法 [R]．北京:中国核电工程有限公司,2014:9-23．