科學(xué)家研發(fā)新型涂層,為西北最大的百萬(wàn)調峰機組“保駕護航”
發(fā)布時(shí)間:2024-06-18
出品:科普中國
作者:高祥虎、劉寶華(中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所)
監制:中國科普博覽

編者按:為揭開(kāi)科技工作的神秘面紗,科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章,邀請科學(xué)家親自執筆,分享科研歷程,打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們,開(kāi)啟一段段充滿(mǎn)熱情、挑戰與驚喜的旅程。

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沙漠、戈壁、丹霞、雪山……,它是集眾多極致風(fēng)光為一體的風(fēng)景走廊;石窟、長(cháng)城、邊關(guān)、古城……,它是集眾多文化遺產(chǎn)于一身的文明走廊。如今,河西走廊搭上了新能源發(fā)展的巨輪,并率先實(shí)現了能源消費和能源生產(chǎn)的全面轉型,成為一條為中國不斷輸送強大“甘肅綠電”的能源走廊。

近年來(lái),甘肅省委省政府高度重視能源安全、能源基地建設,已建成酒泉千萬(wàn)千瓦級風(fēng)電基地,張掖、金昌、武威、酒泉4個(gè)百萬(wàn)千瓦級光伏發(fā)電基地,通渭百萬(wàn)千瓦級風(fēng)電基地。

截至2023年年底,甘肅新能源發(fā)電裝機規模已突破5000萬(wàn)千瓦,約占全省電源總裝機容量的60%,居全國第2位。2023年,“甘肅綠電”的朋友圈持續擴大,全年成交綠電4.32億千瓦時(shí),輸送至全國25個(gè)省份,新能源外送規模居全國第二?!熬G電”已成為甘肅亮麗的名片。

甘肅酒泉千萬(wàn)千瓦級風(fēng)電基地

圖片來(lái)源:中國新聞網(wǎng)

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風(fēng)、光“棄”率高,火電來(lái)“救場(chǎng)”

風(fēng)、光是一種氣候資源,具有隨機性、波動(dòng)性特征,不隨電網(wǎng)需求而動(dòng)。雖然甘肅省清潔能源發(fā)展迅猛,卻面臨“消納難” “外送難”“調峰難”等“頑疾”,一路走來(lái),“棄”幾乎掩蓋了新能源所有的“風(fēng)光”。2015年,全省棄風(fēng)率達39%,棄光率達31%,棄風(fēng)、棄光電量高達108億千瓦時(shí),占新能源可發(fā)電量36.97%。

為解決河西走廊 “棄風(fēng)、棄光”問(wèn)題,西北地區最大的調峰火電—甘肅電投常樂(lè )電廠(chǎng)6×1000MW機組開(kāi)工建設。2021年全省新能源發(fā)電量達446億千瓦時(shí),利用率96.83%,甘電外送達517.55億千瓦時(shí),有力保障湖南等華中地區電力需求;作為祁韶直流唯一配套調峰電源的常樂(lè )電廠(chǎng)為新能源外送和消納發(fā)揮了“扛鼎”作用。

甘肅電投常樂(lè )電廠(chǎng)已建成4×1000MW超超臨界機組

圖片來(lái)源:甘肅電投集團

火電機組是如何實(shí)現“調峰”的呢?通常,電力需求存在明顯的峰谷期,例如白天時(shí)段是甘肅省用電負荷低谷,此時(shí)風(fēng)光資源疊加,火電出力需要調到最低,若調峰能力不足,將造成能源浪費;夜晚負荷高峰時(shí)段,新能源供給不足,火電需要滿(mǎn)發(fā)頂峰。這時(shí)“調峰”就發(fā)揮了重要作用,以常樂(lè )電廠(chǎng)1000MW超超臨界機組為例,在用電高峰時(shí),可調控火電機組功率到1000MW滿(mǎn)負荷運行,確保供電能夠滿(mǎn)足峰值需求;而在低谷期間,將機組負荷從1000MW降低到約350MW,以保障新能源出力。

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新疆煤炭遇“瓶頸”,納米涂層“顯神通”

近年來(lái),隨著(zhù)我國煤炭資源開(kāi)采西移,新疆煤炭因儲量豐富、開(kāi)采方便、價(jià)格低廉、熱值高和運輸距離短等優(yōu)勢,已成為甘肅等周邊省份火電企業(yè)主要燃用煤種。

然而現在開(kāi)采的煤種中含有較高成分的堿金屬、氯元素或硫元素,易導致鍋爐輻射受熱面結焦、高溫腐蝕、爆管、煤耗高等問(wèn)題,嚴重影響電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。隨著(zhù)“疆煤外運”市場(chǎng)的擴大,燃用新疆煤引起的結焦、高溫腐蝕已成為全國火電行業(yè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

多年來(lái),國內外主要采用改變鍋爐結構和摻燒高嶺土等方式,盡可能減少鍋爐輻射受熱面結焦和高溫腐蝕爆管問(wèn)題,或采用堆焊增加水冷壁厚度或熱噴涂防護涂層,延緩鍋爐水冷壁壽命,但因成本高、熱效率降低,不能從根本上解決問(wèn)題。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所高祥虎研究員團隊

圖片來(lái)源:高祥虎提供

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所低碳能源材料組高祥虎研究員團隊近年來(lái)圍繞電站關(guān)鍵材料,專(zhuān)注于大型電站鍋爐輻射受熱面防護與節能增效關(guān)鍵技術(shù)研究。受陶瓷釉啟發(fā),團隊自主研發(fā)了一種納米高熵防護與節能增效陶瓷涂層,突破了陶瓷材料防結焦、耐高溫腐蝕、紅外增效、高導熱率、熱膨脹系數可調等關(guān)鍵技術(shù),從而實(shí)現防護與節能增效耦合,可滿(mǎn)足大型調峰電站及其他常規火電站的使用需求。

火力發(fā)電是指利用煤炭燃燒產(chǎn)生熱量,通過(guò)輻射換熱將水冷壁管內的水加熱成高溫、高壓水蒸氣,從而推動(dòng)汽輪機旋轉,將機械能轉化成電能。納米高熵防護與節能增效陶瓷涂層噴涂在輻射受熱面(水冷壁、過(guò)熱器)上,可依靠鍋爐啟動(dòng)時(shí)的熱量使自身發(fā)生熱固化,形成致密的陶瓷層;并且涂層與基材之間可形成牢固的化學(xué)鍵,使其在爐膛惡劣的環(huán)境中不易剝落。

噴涂防護材料的受熱面就像穿了一件“鋼鐵鎧甲”,阻隔了外部腐蝕介質(zhì)的侵入,減少了鍋爐高溫煙氣中熔融物對管壁的黏附,保護水冷管壁表面不受結焦、高溫腐蝕的影響;并且涂層與基材具有匹配的導熱率和熱膨脹系數,不影響鍋爐的傳熱效率以及使用壽命。同時(shí),防護材料還具有的紅外輻射功效,可強化爐膛內輻射傳熱,降低爐膛出口煙溫;強化燃燒,提高煤粉的燃盡率,降低煤耗、提高煤種的適應性。

納米高熵陶瓷涂層防結焦、耐高溫腐蝕效果圖

圖片來(lái)源:高祥虎提供

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“風(fēng)光”賽道上,從“大省”奔“強省”

經(jīng)過(guò)一年多的運行實(shí)踐,爐膛內水冷壁管壁表面光滑致密、無(wú)結焦、附著(zhù)物易清除,未出現凹坑和管壁減薄等腐蝕情況,充分證明該技術(shù)優(yōu)異的耐高溫腐蝕和防結焦性能。據悉,該技術(shù)將于2025年在甘肅超超臨界1000MW調峰機組開(kāi)展大規模示范應用。

常樂(lè )電廠(chǎng)2號機組運行11個(gè)月后墻噴涂區域水冷壁表觀(guān)形貌

圖片來(lái)源:高祥虎提供

目前,甘肅已運行和正在建設的超超臨界1000MW火電調峰機組有19座,納米高熵防護與節能增效陶瓷涂層將確保甘肅省已投產(chǎn)和在建煤電調峰機組的運行安全,為甘肅省委省政府“打造新能源千億級產(chǎn)業(yè)鏈”決策部署和隴電外送提供技術(shù)支撐,助力甘肅省由“風(fēng)光大省”向“風(fēng)光強省”的順利轉化。

研究成果將輻射推廣至新疆、青海、內蒙古、貴州等省,為加快煤電轉型,推動(dòng)煤電和新能源的優(yōu)化組合,保障煤炭清潔高效利用,為我國煤電向基礎性、支撐性、調節性電源轉型提供技術(shù)支撐。

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參考文獻:

[1]馬軍,張國山,高祥虎,等.納米高熵陶瓷涂層在超超臨界1 000 MW機組鍋爐的防結焦耐腐蝕應用研究[J/OL].熱力發(fā)電:1-10[2024-05-20].

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