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      科學家研發新型涂層,為西北最大的百萬調峰機組“保駕護航”
      發布時間:2024-06-18
      出品:科普中國
      作者:高祥虎、劉寶華(中國科學院蘭州化學物理研究所)
      監制:中國科普博覽

      編者按:為揭開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,邀請科學家親自執筆,分享科研歷程,打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們,開啟一段段充滿熱情、挑戰與驚喜的旅程。

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      沙漠、戈壁、丹霞、雪山……,它是集眾多極致風光為一體的風景走廊;石窟、長城、邊關、古城……,它是集眾多文化遺產于一身的文明走廊。如今,河西走廊搭上了新能源發展的巨輪,并率先實現了能源消費和能源生產的全面轉型,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,甘肅省委省政府高度重視能源安全、能源基地建設,已建成酒泉千萬千瓦級風電基地,張掖、金昌、武威、酒泉4個百萬千瓦級光伏發電基地,通渭百萬千瓦級風電基地。

      截至2023年年底,甘肅新能源發電裝機規模已突破5000萬千瓦,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,輸送至全國25個省份,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。

      甘肅酒泉千萬千瓦級風電基地

      圖片來源:中國新聞網

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      風、光“棄”率高,火電來“救場”

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

      為解決河西走廊 “棄風、棄光”問題,西北地區最大的調峰火電—甘肅電投常樂電廠6×1000MW機組開工建設。2021年全省新能源發電量達446億千瓦時,利用率96.83%,甘電外送達517.55億千瓦時,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電廠為新能源外送和消納發揮了“扛鼎”作用。

      甘肅電投常樂電廠已建成4×1000MW超超臨界機組

      圖片來源:甘肅電投集團

      火電機組是如何實現“調峰”的呢?通常,電力需求存在明顯的峰谷期,例如白天時段是甘肅省用電負荷低谷,此時風光資源疊加,火電出力需要調到最低,若調峰能力不足,將造成能源浪費;夜晚負荷高峰時段,新能源供給不足,火電需要滿發頂峰。這時“調峰”就發揮了重要作用,以常樂電廠1000MW超超臨界機組為例,在用電高峰時,可調控火電機組功率到1000MW滿負荷運行,確保供電能夠滿足峰值需求;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,隨著我國煤炭資源開采西移,新疆煤炭因儲量豐富、開采方便、價格低廉、熱值高和運輸距離短等優勢,已成為甘肅等周邊省份火電企業主要燃用煤種。

      然而現在開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、煤耗高等問題,嚴重影響電站鍋爐的安全性和經濟性。隨著“疆煤外運”市場的擴大,燃用新疆煤引起的結焦、高溫腐蝕已成為全國火電行業急需解決的關鍵技術難題。

      多年來,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題。

      中國科學院蘭州化學物理研究所高祥虎研究員團隊

      圖片來源:高祥虎提供

      中國科學院蘭州化學物理研究所低碳能源材料組高祥虎研究員團隊近年來圍繞電站關鍵材料,專注于大型電站鍋爐輻射受熱面防護與節能增效關鍵技術研究。受陶瓷釉啟發,團隊自主研發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鍵技術,從而實現防護與節能增效耦合,可滿足大型調峰電站及其他常規火電站的使用需求。

      火力發電是指利用煤炭燃燒產生熱量,通過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、過熱器)上,可依靠鍋爐啟動時的熱量使自身發生熱固化,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鍵,使其在爐膛惡劣的環境中不易剝落。

      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,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

      圖片來源:高祥虎提供

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      “風光”賽道上,從“大省”奔“強省”

      經過一年多的運行實踐,爐膛內水冷壁管壁表面光滑致密、無結焦、附著物易清除,未出現凹坑和管壁減薄等腐蝕情況,充分證明該技術優異的耐高溫腐蝕和防結焦性能。據悉,該技術將于2025年在甘肅超超臨界1000MW調峰機組開展大規模示范應用。

      常樂電廠2號機組運行11個月后墻噴涂區域水冷壁表觀形貌

      圖片來源: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業鏈”決策部署和隴電外送提供技術支撐,助力甘肅省由“風光大省”向“風光強省”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,推動煤電和新能源的優化組合,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].熱力發電:1-10[2024-05-20].

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