“華龍一號”研發管理及創新

劉世光,李大波,袁 坤

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

1 “華龍一號”研發管理創新背景

1.1 實現核電自主化,促進我國由核電大國向核電強國轉變

2011年3 月,日本福島核電站反應堆冷卻系統失控,導致大量放射性物質外泄。各國紛紛調整了核電政策,并對新建核電廠的核安全標準提出了更加嚴格的要求,第三代核電廠 (或者先進核電廠)成為當今世界核電發展的主流技術。我國長期以來通過消化吸收再創新形成的二代改進型核電技術將逐步退出。同時由于我國核電技術是在引進基礎上發展起來的技術,尚未能實現核電型號的整體創新并形成我國自主的核電產品,因此在國際核能合作領域及核電市場上話語權很小。為適應國內國際核電技術發展要求,推進我國核電技術的自主發展,開展三代核電技術的自主研發極為必要。

1.2 支撐核電走出去,適應國家 “一帶一路”倡議要求

我國核電技術在起步階段經歷過了引進、消化及再創新的過程,并通過多項技術改進形成了二代改進型核電型號技術。但由于當初技術引進過程中外方施加了限制條件,盡管我國在二代改進型核電技術中做了重要的技術改進,但由于未能形成核電型號的整體創新,知識產權仍受外方限制,不能實現核電的自主出口。因此,要支撐“一帶一路”倡議,實現核電走出去,必須要實現核電技術的自主化,只有具有自主知識產權的核電技術,才能順利實現核電的整機出口,擺脫外方知識產權束縛,打破核技術大國的封鎖,實現我國核電技術在國際市場上的可持續發展。

1.3 帶動行業技術發展的需要

核電行業由于對安全性要求高,其相應的核設施及核設備技術門檻高,隨著核電技術的發展,可帶動裝備業水平和能力的進一步提升,促進產業升級及技術更新換代。發展自主三代核電技術,核電主要系統及設備在我國現有的成熟核電裝備制造業體系進行升級改進,在三代核電項目國內建設及配合國家實施核電 “走出去”的戰略中,依托核電項目可有效消納化解核電產業鏈過剩產能,帶動相關產業優勝劣汰。

2 加強頂層策劃,制定自主化研發技術路線

根據三代核電技術的發展要求及國內核電研究技術基礎,工程公司組織討論確定 “華龍一號”總體研發思路:在充分利用我國批量化壓水堆設計、建造和運行經驗的具有自主知識產權的成熟技術經驗基礎上,借鑒國際三代核電技術的設計理念,吸取福島事故的經驗反饋,開展進一步的自主研發,實現具有自主知識產權的三代核電型號的研制。

2.1 頂層策劃確定 “華龍一號”總體技術特征,明確自主創新要求

“華龍一號”作為我國自主研發的三代核電型號,需滿足國際上對三代核電技術指標的要求,并具備良好的安全性、先進性和經濟性。

為確保 “華龍一號”型號技術的自主創新性,在頂層策劃中,確定在總體設計、堆芯系統、結構設計、抗震技術、嚴重事故預防系統和應急能力等核電整體型號的核心領域采用自主技術,在滿足三代核電技術指標要求的基礎上,也突破外方知識產權限制,實現 “華龍一號”整體型號技術知識產權的自主化。完成技術創新后,“華龍一號”將形成的主要技術特征,包括177堆芯、單堆布置、雙層安全殼、能動與非能動安全設計理念、抗震能力、抗商用大飛機撞擊能力和應急能力提高等。

2.2 明確技術路線方案,指導項目實施

作為漸進式的先進壓水堆設計,“華龍一號”是基于成熟技術的基礎上開展的各系統的研發。根據總體技術特征及自主研發要求,確定的研發方式包括創新研發、漸進式改進及消化吸收再創新。

對于 “華龍一號”新增的安全系統,確定由設計單位提出系統的設計要求或初步設計方案,聯合國內具有技術優勢的科研院所完成新增系統的研發和驗證,如堆腔注水冷卻系統 (CIS)驗證試驗、二次側非能動余熱導出系統 (PRS)驗證試驗、非能動安全殼熱量排出系統 (PCS)驗證試驗等,確保系統的工程可用性及知識產權的自主性。

對于核電型號中的核蒸汽供應主工藝系統,確定在國內已有成熟運行經驗的三環路設計方案上進行優化。其相應的系統和配置,由設計單位根據已有的核電運行經驗反饋及 “華龍一號”的技術要求進行改進。主要關鍵設備 (壓力容器、堆內構件、控制棒驅動機構、燃料組件、蒸發器、主泵、主管道、穩壓器和數字化儀控系統等)也是基于我國現有的成熟核電裝備制造業體系及國產化能力進行改進。

對于核電設計與分析軟件的研發,在消化吸收國外分析軟件的基礎上開展自主創新,通過分析掌握國外先進軟件的理論模型和程序流程,結合國內已有核電設計、建造、運行的實際情況,充分利用國內前期已有的研發基礎,添加或改進理論模型,按照核電軟件相關法規的要求,在統一的框架下開發具有自主知識產權的成套核電設計、分析、運行支持軟件,形成自主的核電設計與分析軟件。

3 建立項目管理組織模式,構建技術分層決策體系

3.1 完善研發組織體系

為適應市場機制、推進創新發展、全面提升核心競爭力,早日實現國際一流研發公司的目標,工程公司實施管理體系優化工作。以 “市場導向、精干高效;項目核心、強化責任;板塊支持、分工協作;流程清晰、責權對等”為基本原則,管理優化新設立4個業務板塊,設置13個職能部門,明確提出了職能部門服務業務板塊的核心理念,各職能部門全力配合業務板塊 “華龍一號”的研發工作,進一步優化研發管理決策層、管理層和執行層合理分工和高效協同的組織架構。

在公司總體研發體系建設上,由相關職能部門牽頭開展計劃管理體系、質量管理體系、經費管理體系、知識產權管理體系、合同管理體系和信息化管理體系建設,建立起以公司科研管理為中心,以科研進度管理、經費管理、專利管理等一系列程序和細則為紐帶的科研項目管理體系,為科研項目管理和實施的有序開展提供支撐。

圖1 “華龍一號”研發管理體系Fig.1 HPR1000 R&D management system

3.2 建立 “華龍一號”項目技術分層決策體系,提高項目技術決策效率

完善 “華龍一號”項目技術決策體系,解決一般科研項目實施技術決策效率低的問題,針對型號研發系統性強,專業交叉多,系統技術接口多的特點,在實踐中逐步摸索并建立了 “華龍一號”項目總設計師-型號總師-專業總設計師的技術分層決策體系,制定了 《中國核電工程有限公司首席專家職位設置》《中國核電工程有限公司型號總設計師管理辦法》和 《中國核電工程有限公司 “華龍一號”專業總設計師管理辦法》。根據職責分工,各專業領域內技術問題及技術方案由各專業總設計師進行解決和決策;型號總師負責組織完成項目總體技術方案,并統籌協調多專業領域間的技術問題以及與參研單位之間的技術協調;總設計師負責提出項目總體技術路線,審查并確定項目總體技術方案,參與解決多系統的技術協調。在確定的分層技術決策體系下,各類技術問題高效地在各決策層級權限范圍內部解決,與過去各類技術問題都需要總工程師/副總工程師決策解決的低效局面形成鮮明對比,提高了項目研發決策效率。

3.3 完善激勵機制,加強人才隊伍建設

科技創新研發具有不確定性,技術難度高于工程設計,為鼓勵公司員工積極開展科技創新,工程公司建立覆蓋面廣且重點突出的科技獎勵機制,先后發布、升版一系列關于專利、科技成果和科技創新評價獎勵的制度。工程公司設立每年140萬元的科技創新獎勵基金,通過對專利、計算機軟件、技術標準、成果鑒定、科技論文等進行計分的形式,對參與科技研發的單位進行科技創新評價,對獲獎單位予以表彰和獎勵。同時,在專項獎勵方面,工程公司尤其加強了對知識產權的獎勵,對獲得授權的發明專利獎勵1萬元、實用新型專利獎勵3 000元;對獲得國家或省部級的科技成果獎,除上級部門獎勵外,公司進行等額的配套獎勵。根據規定,這些獎勵必須落實到開展科技創新的具體員工,如專利的發明人、科技成果的完成人、軟件的開發者,用于調動廣大基層科技人員開展科技創新和知識產權保護的積極性。

科技創新戰略實施需要有一支優秀的專業技術管理隊伍和技術人才隊伍的支撐。為保障 “華龍一號”型號研發所需的管理及技術人才,工程公司制定 《中國核電工程有限公司培訓體系管理辦法》,建立由培訓管理體系、培訓課程體系、培訓講師體系和培訓信息化支持體系四部分組成的培訓體系。培訓管理體系以 “分層級、分階段、分通道”的培訓管理體系為核心理念,培訓課程體系和培訓核心體系為保障,培訓信息支持體系為有效支撐。

4 加強知識產權策劃和保護

中國核電走過了引進、消化吸收、再創新的歷程。為防止中國核電企業成長并與其競爭,在簽訂技術引進協議時,西方核電公司作為技術許可方,以其掌握的知識產權,給中國核電企業設置了種種限制,尤其是限制中方引進的技術只能用于中國大陸地區,將中國核電出口之門封堵的嚴嚴實實。因此,自有知識產權積累不足,技術引進受限嚴重,成為中國核電 “走出去”難以逾越的壁壘。盡管之前在知識產權方面開展過大量工作,但如何在核電技術創新過程中保護好自己的知識產權,避免侵犯他人知識產權,尤其是擺脫當年技術引進過程中的各種限制,使自己的研發成果走出國門,是“華龍一號”研發管理工作中面臨的一項重大課題。

4.1 明確知識產權管理的基本目標、基本原則

在項目總設計師的主持下,經各方充分討論,確認 “華龍一號”科研項目知識產權管理的基本目標是:保護自有創新成果,獲取自主知識產權,防止侵犯他人合法權益,為研發成果走出國門提供保障。

在此基本目標下,確立一些基本原則:在對外合作工作中,本著 “開放、包容、合作、共贏”的原則, “華龍一號”研發產生的知識產權,確保不影響后續自行使用,積極爭取獨享,與國內核電設備供應商協商處理設備國產化過程中的知識產權問題;對創新成果保護,根據使用方式、生命周期、保密難易程度等采取技術秘密＋專利＋著作權的多種知識產權保護方式;跟兄弟單位之間,專利申請要打破分工界限,只要是自己取得的發明構思,就應該及時申請專利。

4.2 構建全方位參與的知識產權管理組織

作為組織保障,圍繞 “華龍一號”科研項目的知識產權管理,構建一套各方全面參與的知識產權管理組織。在中核集團公司層面,根據總設計師的推薦,任命公司專業副總工程師為項目知識產權專員,負責組織開展專項知識產權策劃,在項目立項論證、研發過程、驗收等各個階段開展知識產權具體工作。在公司內部,任命知識產權專職管理人員為項目知識產權副專員,協助專員開展項目的知識產權管理工作。另外,設置知識產權兼職設總和各專業知識產權聯絡員。從而構建知識產權專員組織落實、知識產權專業機構介入服務和知識產權管理部門全程深入跟蹤的“華龍一號”知識產權工作體系。

作為公司副總經理,項目總設計師邢繼為各單位設定專利考核目標。結合項目例會制度,將知識產權工作納入行動跟蹤項,及時通報相關工作的進展和遇到的問題。

4.3 與市場緊密結合,排查知識產權風險

聯合知識產權專業機構對技術引進合同中制約核電 “走出去”的限制條款進行分析,包括1986年 《大亞灣核電站核島技術許可協議》、1992年 《秦山二期核島技術咨詢協議》、1995年《嶺澳一期核島技術許可協議》、1991年 《大亞灣燃料組件技術轉移協議 (2G)》、1998年 《燃料組件技術轉移協議 (3G)》,避免發生不遵守技術引進合同約定而引發合同糾紛,并為 “華龍一號”開展自主創新提出目標和要求。

此外,針對目標出口國,組織相應的知識產權法律法規及法制環境調研,以防侵犯他人專利權,遭遇專利糾紛。

4.4 積極申請知識產權

在 “華龍一號”核電機組研發過程中,知識產權保護工作貫穿全過程,采用商業秘密、專利、商標和計算機軟件等知識產權保護方式,構建完善的知識產權保護網。對于滿足 “新穎性”“創造性”“實用性”等相關要求且適用范圍廣、具備一定通用性的創新方案,如產品結構、配方、系統組成、施工調試工藝以及容易被加工制造廠商、與公司有競爭關系者知悉的創新技術方案,都通過申請專利的方式加以保護。對于市場周期短、僅被公司員工掌握的技術訣竅或僅在公司內部實施不易擴散的技術方案優先通過技術秘密的方式加以保護。對于新開發的計算機軟件,及時申請著作權登記。為加強品牌建設和保護,在公司范圍組織開展圖形商標設計,并及時將 “華龍一號”的中文(“華龍”“華龍一號”“華龍二號”)、英文(“HPR1000”“HUALONG1000”)和圖形在中國和潛在海外市場開展商標注冊。

圖2 “華龍一號”圖形商標Fig.2 HPR1000 logo

5 建立產學研用和國內外協同創新研發模式,搭建協同創新平臺

隨著技術的復雜性、技術創新的不確定性和創新模式的融合性加劇,單個企業的創新能力及科技創新資源日益受到挑戰。“華龍一號”屬于型號研發,涉及核電領域各專業,系統性強,技術難度大,為了有效推進項目實施,工程公司開拓思路,在集中內部優勢資源的基礎上,廣泛開展社會協作,利用各方科技人才、技術及研發設施資源,開展協同攻關,形成研發合力。

5.1 集中中核集團內部優勢資源開展專業攻關

為集中自身資源提升核心競爭力,工程公司聯合中國核動力研究設計院以及中核武漢核電運行技術股份有限公司形成核心研發團隊,集中優勢力量重點在 “華龍一號”型號研發的頂層設計與謀劃、總體布置、燃料組件、堆芯系統等方面開展研究。結合各單位的研發能力和技術基礎,工程公司作為設計總體院,負責完成 “華龍一號”總體設計方案,提出各系統及設備的輸入及技術要求;中國核動力研究設計院作為核電站中主工藝系統核蒸汽供應系統的責任單位,負責燃料組件的研究設計及核電站一回路系統和關鍵設備的研制;中核武漢核電運行技術股份有限公司具備多年的核電站運行維護經驗,主要負責核電站運行維護技術的研發。各單位根據各自職責分工開展相關研發工作,工程公司作為牽頭單位負責總體研發進度的控制和各系統間的接口協調,整體把握項目的研發進度。

5.2 積極開展社會化大協作,建立社會協作創新機制

創立以 “以項目為載體,以技術為紐帶,優勢互補,共同攻關”科技創新合作模式,在明確研發總體技術方案的基礎上,確定研發分工,充分發揮全國科研院所、高校和企業以及國際合作科技資源,發揮產學研用的結合優勢,集中力量開展科技攻關。在把自身有限資源投入到 “小核心”的同時,充分吸納國內外優質資源參與到“華龍一號”型號研發設計中來。工程公司具有豐富的核電設計經驗,在 “華龍一號”研發中,在系統研發方面,根據 “華龍一號”的總體技術要求,在完成各系統設計方案的基礎上,主要通過聯合研究的形式,與有技術優勢及研發平臺的科研院所進行聯合攻關,完成系統方案的試驗驗證,形成研究成果并共享知識產權。對核電設備研制,則由工程公司提出設備研制要求,通過委托設備制造廠,以設備研發與產品供貨相關聯的形式,鼓勵設備制造廠開展設備研發及技術更新,形成國內核電設備的自主供貨能力。在 “華龍一號”的研發過程中,包括國際原子能機構、法國輻射防護與核安全研究院 (IRSN)、BERTIN TECHNOLOGIES等14家國際組織及機構,國內清華大學、哈爾濱工程大學、北京中核東方控制系統工程有限公司、大連寶原核設備有限公司、中冶建筑研究總院有限公司等75家高校、科研機構、設備制造廠共同參與,協作完成了風險導向研究、嚴重事故源項分析程序引進、超大型高位收水冷卻塔國際咨詢、重要廠用水冷卻塔用核級風機研發、雙層安全殼機械貫穿件研制與鑒定試驗研究等共計179項研發工作。同時,在 “華龍一號”的研制過程中,提請邀請潛在核電業主參與重要技術方案的評審和最終項目的驗收見證,確保新研發核電技術的可實施性,并滿足核電業主的要求。通過廣泛利用社會研發資源,極大地加快了 “華龍一號”的研發進程。

6 實行 “互聯網＋三維協同”設計一體化,促進行業研發設計模式升級

核電工程設計是一項極其復雜的系統工程,國內核電設計起步較晚,在設計過程中,由于工作流程不夠順暢,各專業之間接口溝通不暢而造成的工作反復和返工現象經常發生,如果仍照以前那種按部就班的設計方式進行工作,勢必會影響到設計進度,延誤工程進展,為提高設計效率以及設計的準確性,在 “互聯網＋”大力發展的今天,工程公司引入了 “互聯網＋三維協同”的新設計思路。互聯網既是一種技術,也是一種能力,有利于產業創新和優化,實現了以人為本的全新理念。 “互聯網＋”是互聯網的形態演進,而其發展的基礎來源于互聯網,又高于互聯網。利用互聯網廣泛互聯的特點將碎片化業務整合起來,為設計部門進行集中式的開發設計活動提供了統一平臺,并與各行各業相結合,從而賦予后者新的力量。工程公司基于這種新興的技術形式,將 “互聯網＋三維協同”的思想應用到工程公司目前的設計工作之中。

6.1 開發”互聯網＋三維協同”設計一體化工作平臺

采用由英國AVEVA公司開發的三維工廠設計系統PDMS(Plant Design Management System),基本涵蓋工廠設計中的各個專業,包括配管、設備、結構、暖通、電氣、儀表、給排水等,各專業可在同一軟件系統中實現協同設計,實時進行碰撞檢查。在設計過程中,不僅配管專業進行三維管道設計,其他專業包括設備、結構、土建、暖通、儀表、電氣、給排水等也可以在PDMS設計環境中建立三維外形實體模型,從而實現管道與管道之間、管道與鋼結構之間、樓板開口與設備之間等的協同設計,解決管道系統之間、各專業之間的碰撞、土建基礎條件的校驗、分區管道的連接設計問題,進而整體提升設計質量,降低在現場出現設計問題的可能。

經過多年的三維設計實踐和經驗積累,工程公司形成以三維布置設計為主的多專業工作平臺,精細化設計水平得到提高。在此基礎上,與“互聯網＋”相結合,形成 “互聯網＋三維協同”的獨特設計方式,以此實現異地設計人員訪問同一個三維模型,對其進行修改,并通過視頻、語音的形式進行溝通。同時利用協調策略,對其中存在的沖突進行處理,進而保證異地協同設計工作能夠高效開展。

6.2 整合數據,協同作業,提高設計質量

“華龍一號”研發涉及70多個專業,有上千名來自各地的設計人員同步參與,利用互聯網和圖像數據同步重建技術,搭建起了三維綜合設計平臺。“華龍一號”三維綜合設計平臺”辦公室一共有40多名工作人員,如有的人負責 “華龍一號”設備冷卻水熱交換器的三維設計工作,而這一設備僅僅是核電站設備系統中的萬分之一。“華龍一號”在采用三維綜合設計平臺后,除包括中核工程公司、中核動力院協同設計外,還與核電業主、項目管理、工程采購、設備制造廠以及土建與安裝施工等單位連接,提供相關設計數據支持,互聯單位共約20家。同時三維設計平臺可使分布在北京、上海、成都、福建、西安、石家莊、鄭州等地單位相連,協同設計平臺的終端數量達到500個,該平臺還可以根據需要進行擴充。通過三維設計平臺,設計人員隨時可以了解相關信息與其他專業設計情況,隨時協調設計接口;同時,平臺提供了自動 “碰撞檢查”功能,快速準確,使 “零碰撞”成為可能,從而大幅提升設計質量。

6.3 開展可視化的工程進度管理

工程進度管理可視化是工程建造可視化的一個重要方面,工程建造可視化的實質就是將設計成果三維模型和工程進度管理關聯,建立工程進度管理的三維模型,給三維模型增加 “時間軸”,并通過互聯網的模式讓在各地的工作人員都可以輕松查看,明確工程進度。“互聯網＋三維協同”模式的引入,增強了工程進度計劃的可視化管理,在計算機中可以自由查看并調用可視化工程進度,并以此模型為各方交流的平臺,提高了工程參與各方的溝通效率,以及管理工程施工進度的效率,同時,在計算機中可視化再現現場實際進度,給工程協調提供直觀的信息,更可以及時地進行決策,使工程進度可以得到更有效的控制和監督,以最小的資源消耗,取得更大的經濟效益。

7 結論

本文通過探討三代核電技術 “華龍一號”研發管理創新的實施背景,通過創新研發管理模式實現研發體系轉型升級,構架一體化知識產權管理與研發體系實現完全自主知識產權,搭建全球化協同創新平臺整合技術資源,創建 “互聯網＋”核能一體化三維協同研發設計平臺大幅提升創新研發效率,成功研發出具有完全自主知識產權的三代核電型號 “華龍一號”,完成了支撐完全自主知識產權核電項目走出去的研發管理體系構建,實現自主知識產權的三代核電技術型號開發,打破國際壟斷,提升我國核電話語權,推動我國核電項目 “走出去”。

[1]袁坤,劉立平,劉世光,等.中國核電工程有限公司產品研發管理體系V1.0[R]．北京:中國核電工程有限公司,2017:6-8．

[2]劉立平,袁坤,等.中國核電工程有限公司科研項目管理辦法 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2013:10-31．

[3]李大波,袁坤,等.中國核電工程有限公司科研項目知識產權管理細則 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2015:9-30．

[4]王秋林,等.中國核電工程有限公司型號總設計師管理辦法 [R]．北京:中國核電工程有限公司,2014:9-23．