报告 | 《全球工程前沿2018》：电力与能源技术领域

（6）可再生能源发电系统的运行与控制

可再生能源发电系统的运行与控制技术是运用 先进电力电子技术、控制理论与信息通信技术，实现风电、光伏等可再生能源发电系统在不同容 量等级与并网方式下安全、高效、灵活运行的综 合技术体系。 可再生能源发电系统可采取集中式与分布式两 种运行方式。集中式可再生能源发电，通过构建新 能源基地和场站集群，可实现可再生能源的规模化 开发、集中式并网与远距离外送，有效解决我国可 再生能源分布与负荷中心不匹配的问题，适应我国 电网未来发展建设格局；但面临故障穿越、并网稳 定性、灵活运行控制、高效外送消纳与电网预测调 度等突出技术挑战。分布式可再生能源发电，利用 分布式发电单元、逆变器或直流变换器等装置，实 现可再生能源的分布式转换接入与本地化消纳利 用，具有经济、高效、灵活、可靠的特点；但同时 存在与配电系统协调控制、故障定位保护、系统稳 定性等技术难点。 因地制宜，采取不同开发规模与并网形式，实 现各类可再生能源规模化开发与高效率消纳利用， 同时有效克服其波动性、间歇性、随机性对电力系 统安全稳定运行的负面影响，实现一次能源结构升 级，构建清洁低碳、安全高效的电力能源系统，是 相关领域研究的主要目标与技术方向。 当前前沿技术包括：可再生能源发电基地直流 外送系统的稳定控制技术；分布式发电与微电网、 主动配电网等电力系统新形态的融合技术；高比例 分布式发电直流并网消纳技术；多种可再生能源发 电系统联合优化调度与智能控制；面向安全稳定并 网的可再生能源发电系统内电力电子设备集群协调 运行控制技术。

（7）先进反应堆技术及设备研发

针对先进反应堆技术及设备研发发展，国际“第 四代核能国际论坛”于2002 年提出了第四代核电 的 6 种研究开发的堆型（包括各自的燃料循环）和 研究开发“路线图”；国际“全球核能合作伙伴” 致力于推动安全、可持续发展、经济和防止核扩散 的先进核能技术联合研发；国际原子能机构发起国际项目致力于发展可持续的革新核能系统。第四代 核电站开发的目标：具有固有安全性，充分利用核 资源，提高热效率，开发核能制氢、冶金、化工等 多种用途，处置核废料，防止核扩散、反恐。目前 国际上遴选出了 6 种最具前景的反应堆系统，分别 是钠冷快堆（SFR）、超高温反应堆（VHTR）、 气冷快堆（GFR）、铅冷或铅– 铋共熔物冷却的快 堆（ LFR）、熔盐堆（ MSR）和超临界水堆（SCWR）。 第四代堆选择快谱反应堆是因为其具备核燃料增殖 的能力，钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆和熔盐堆 都具备这方面的能力，明显提高铀资源的利用率； 并能够嬗变以实现废物最小化。而超高温气冷堆的 作用是能够实现高温制氢、提高核电厂的发电效率， 同时其高温热可以在工业领域进一步拓展核能的应 用。美国针对本国核能特点推出行波堆，中美开展 合作共同开发。行波堆是快中子堆的一种特殊设计， 利用高性能燃料和材料技术，通过长寿命和深燃耗 使占天然铀中绝大部分的 238U 在堆内实现原位增殖 和焚烧，降低对乏燃料后处理需求。

（8）矿产和地热宽谱段遥感勘查

矿产和地热宽谱段遥感勘查主要与国家需求 相关。随着资源勘查程度的增加，寻找新矿难度 也在逐步增加，迫切需要新的技术手段。从过去 几十年来的发展来看，遥感逐步发展成为资源勘 查评价方法的常用的技术手段，世界各国争先发 射各种勘查卫星，包括可见光–短波红外、热红外、 微波等宽谱段。目前来说，虽然干旱区– 半干旱 区和浅覆盖区的遥感资源勘查方法相对成熟且已 经具有很大成效，但是，其一，世界范围内陆地 绝大部分被植被所覆盖，给目前勘查技术手段带 来很大困难，而遥感作为一种新技术需要突破植 被覆盖区找矿，可以利用植被抑制和光谱层析剥 离技术来实现；其二，备受国际社会追捧的清洁 资源——地热可供使用的大部分被第四系所覆盖， 热红外识别温度场和微波识别构造一定程度上揭 示了隐伏区下的深部信息，所采用的技术需要增强和提取有用信息并且抑制和减弱干扰信息，从 而有效地指导勘查，提供资源预测的准确性和有 效性。总之，矿产和地热宽谱段遥感勘查，其技 术本质就是通过较宽电磁波谱段范围内的各类不 同作用的遥感数据，有效地增强和提取与矿产和 地热资源勘查有关的信息，抑制和减弱干扰信息， 最终目的是指导勘查，满足资源勘查开发中有效 靶区选取的生产需求，实现资源找矿突破。

（9）石油工程新工具新材料

随着油气藏勘探开发的复杂程度日益加深，为 应对井下高温高压等复杂工况，迫切需要研制石油 工程新工具新材料，以实现井眼顺利钻进与油气高 效开采，推动复杂油气藏勘探开发进程。其中石油 工程新工具主要涉及钻井、完井、生产等方面，新 材料则用于提高石油工具、钻井液、压裂液、支撑 剂等的性能。 目前，世界油气勘探开发领域由浅层向深层， 由浅海向深水，由常规向非常规进一步拓展，日趋 复杂的地质环境为石油工程提出更高、更新的要求， 在国家创新驱动发展战略与中国制造2025 战略的 引领下，为了提升油气勘探开发规模和效益，开展 石油工程中工具材料创新研究是必然趋势。当前， 石油工程新工具的研究前沿包括：智能导向工具， 旋转导向工具、智能同井注采工具、智能分层注水 工具等。而前沿材料有：纳米颗粒材料、功能梯度 材料、碳纤维复合材料等，可以用于显著改善工具 性能。此外纳米减阻剂、纳米智能驱油剂、自愈性 聚合物材料等在提高钻井液、压裂液与支撑剂等性 能方面起到了重要的推动作用。

（10）绿色采矿技术（煤、油、气、矿）

绿色开采就是使开采对矿区环境的扰动量小于 区域环境容量，实现资源开发利用最优化和生态环 境影响最小化，在开采过程中既要严格实施科学有 序的开采，又要对矿区及周边环境的扰动控制在环 境可控制的范围内。煤、油、气、矿绿色开采技术， 是从开采的角度认识和对待煤、油、气、矿、瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的能源资源，防止 或尽可能减轻开采能源资源对环境和其他资源的不 良影响，在取得经济效益的同时实现最佳的环境效 益和社会效益。 煤炭资源绿色开采是针对煤炭大量开采造成的 环境问题提出的，仍然是资源环境领域科学研究的 重点，应从采煤方法的源头进行技术开发与创新， 加强伴生资源共同开采和利用技术研究，加强技术 和装备的研究。研究内容包括保水开采技术、土地 与建筑物保护与生态重建技术、煤与瓦斯协调开采 技术、减沉开采、矸石减排、瓦斯浓缩利用技术、 固体废弃物利用技术、矿产资源清洁开发与加工技 术、矿区废弃地生态修复技术、矿产开发效益效果 评价、矿区资源环境安全与监测预警等。金属非金 属矿山绿色开采的重点是采选一体化技术、无废开 采技术，突破机械连续切割掘进、采矿技术，创新 高压水射流、激光和等离子破岩掘进与采矿技术。 绿色油田开采是一个系统整体的概念，它以追 求环境效益、社会效益、经济效益为目标，可持续发 展为模式。通过现代技术科技的生态化研究开发生态 产品，形成清洁采油甚至无废物污染生产技术系统， 并使其转化为可在市场上销售的环保产品，改变以往 采油企业高能耗、高污染的高消耗发展模式，建立起 生态经济一体化的可持续发展模式。其技术创新主要 包括提高注水水质处理技术、注入水精细过滤技术， 创新生产流程中的关键设备，提高资源的利用率；创 新生产流程控制系统，提高生产效率。

（11）非常规油气藏储层测井识别

非常规油气藏是指用传统技术无法获得自然产 能、需用新技术改善储层渗透率或流体黏度等才能 经济开采的油气藏，常规测井方法在非常规油气藏 中适用性很差，需要进行测井解释模型的重新探索， 利用新型测井技术，形成非常规油气藏储层测井识 别技术。目前主要技术包括：ECS 测井( 元素能谱 测井仪)、成像测井、核磁共振测井等特殊测井技术， 以及测井曲线重叠图像快速识别、自然伽马和三孔隙度测井识别，电磁电阻率和电阻率–流体性质法， 页岩油气有效裂缝层段检测技术等，这些技术具有 高识别精度和速度，通过确定有效储层和非储层连 续识别深度范围，提高非常规油气藏有效储集层预 测准确性，满足非常规油气藏有效储层勘探开发中 压裂有效层段的生产需求。未来非常规储层测井识 别仍是难点和前沿，将会在采集技术、岩石物理研 究、处理与解释方法研究以及储层评价等系列技术 方面提升优化，预计未来数字岩石物理技术将在测 井评价与分析方面发挥更重要的作用，此外测井解 释评价软件向多学科一体化方向发展，更重视油气 藏综合评价，测井基础理论方法研究力度加大，分 析技术与手段更为丰富。

（12）三维地质建模技术

三维地质建模技术是运用计算机技术，在虚拟 三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分 析与预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视 化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。数据 源包括钻孔数据、剖面数据、三维地震资料和其他 地质数据等。建模方法包括相控地质建模、沉积微 相约束的岩相建模和孔、渗、饱等参数建模。克里 金方法、随机建模方法、序贯高斯模拟方法、双模 迭代技术、沉积相耦合岩石物理类型建模、井震协 同建模技术、三维储层参数建模、四维地震技术等 成为研究前沿。未来三维地震建模软件将更加成熟， 应用更为广泛；由早期的注重形态建模向形态与物 性并重的方向发展；与地震、测井、电法、重、磁 等物探数据和钻井、地质认识等资料结合更加紧密； 与各种专业模型（矿藏描述、成藏模拟、重磁场三 维反演、沉积环境分析等）与应用结合更加紧密， 大数据分析、云计算、物联网等IT 主流技术将成 为主要手段。

（13）先进核燃料技术研发

在 2011 年日本福岛核事故发生之后，各国开 始加速以耐事故燃料（简称 ATF）为代表的先进核燃料的研发工作。相比传统燃料，ATF 燃料通过增 强燃料包容裂变产物和包壳材料抗氧化的能力来提 高反应堆和乏燃料水池在事故情况下的安全性，提 供更长的事故应对时间，并因此潜在的通过主动 或被动方式缓解事故后果，实现更深的燃耗，并 提高燃料的经济性。ATF 可以在新建和在役核电 站应用，因此ATF 燃料的研发对于核电的安全发 展具有重大意义。研发方向均着眼于包括革新的 包壳和新型燃料，可分为三个方向：提高锆合金 包壳的高温抗氧化能力及强度；具有高强度和抗 氧化能力的非锆合金；比UO2 具有更好性能和裂 变产物滞留能力的新型燃料。扩展的ATF 还应包 括几何形状的变化，如环形燃料。研究包括材料、 工艺和检测、验证技术。

（14）矿业安全智能精准开采技术与装备

矿业安全智能精准开采技术与装备是指基于透 明空间地球物理和多物理场耦合，以智能感知、智 能控制、物联网、大数据、云计算等作支撑，具有 风险判识、监控预警等处置功能，能够实现时空上 准确安全可靠的智能少人（无人）安全精准开采的 新模式新方法新装备。目前主要研究方向：创新具 有透视功能的地球物理科学，智能新型感知与多网 融合传输方法与技术装备，动态复杂多场多参量信 息挖掘分析与融合处理技术，基于大数据云技术的 精准开采理论模型，多场耦合复合灾害预警，远程 可控的少人（无人）精准开采技术与装备，救灾通 信、人员定位及灾情侦测技术与装备和基于云技术 的智能矿山建设，这些研究方向为实现“互联网+” 科学开采的未来少人（无人）采矿提出了技术路径。 聚焦矿业智能少人（无人）安全开采，进一步加大 矿业科技创新力度，力争2020 年矿业安全智能精 准开采取得阶段性突破，2035 年基本实现矿业安 全智能精准开采，到2050 年全面实现矿业精准开 采，以矿业开采全面实现高科技产业改造升级，助 推中国能源科技强国梦。

领域课题组人员

课题组组长：翁史烈 倪维斗 彭苏萍 专家组组长：袁士义 课题组副组长：黄 震 巨永林 刘 静 能源与电气科学技术与工程学科组： 组 长：翁史烈 罗 安

秘书长：巨永林 徐千鸣 参加人（按照拼音排序）： 蔡 旭 代彦军 丁小益 韩 东 韩敏芳 何晋伟 江 亿 李争起 上官文峰 沈水云 沈文忠 盛宏至 史进渊 汪洪亮 王 俊 王 睿 翁一武 杨 林 余晴春 章俊良 赵长颖 钟文兴 朱 淼

核科学技术与工程学科组： 组 长：叶奇蓁 李建刚 秘书长：苏 罡 高 翔 参加人（按照拼音排序）： 郭 晴 郭英华 胡 古 李思凡 刘少帅 师学明 杨 勇 地质资源科学技术与工程学科组： 组 长：毛景文 赵文智 秘书长：张国生 刘 敏 参加人（按照拼音排序）： 曹 宏 陈志勇 董世泰 侯连华 黄金亮 李潮流 李厚民 李建忠 李 欣 梁 坤 王淑芳 王晓梅 魏国齐 吴 颖 徐兆辉 杨建民 杨 涛 姚佛军 张朝军 张水昌 张 研 周灿灿

矿业科学技术与工程学科组： 组 长：袁 亮 李根生 秘书长：张 农 宋先知 周福宝 吴爱祥 参加人（按照拼音排序）： 安衍培 江丙友 阚甲广 钱德雨 时国庆 薛 生 尹升华 文献情报专家：陈天天 李 婷 工作组办公室： 能源与矿业工程学部办公室： 宗玉生 张 宁 王浩闻 《Frontiers in Energy》期刊编辑部： 刘瑞芹 黄冬苹

（本文节选自《全球工程前沿2018》）