穿上“鋼鐵鎧甲”！新型涂層為西北最大的百萬調(diào)峰機(jī)組“保駕護(hù)航”

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(jiān)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(xué)家親自執(zhí)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，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

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，并率先實現(xiàn)了能源消費和能源生產(chǎn)的全面轉(zhuǎn)型，成為一條為中國不斷輸送強(qiáng)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(shè)，已建成酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地，張掖、金昌、武威、酒泉4個百萬千瓦級光伏發(fā)電基地，通渭百萬千瓦級風(fēng)電基地。

截至2023年年底，甘肅新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模已突破5000萬千瓦，約占全省電源總裝機(jī)容量的60%，居全國第2位。2023年，“甘肅綠電”的朋友圈持續(xù)擴(kuò)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(guī)模居全國第二。“綠電”已成為甘肅亮麗的名片。

甘肅酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地

（圖片來源：中國新聞網(wǎng)）

風(fēng)、光“棄”率高，火電來“救場”

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

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

甘肅電投常樂電廠已建成4×1000MW超超臨界機(jī)組

（圖片來源：甘肅電投集團(tuán)）

火電機(jī)組是如何實現(xiàn)“調(diào)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(fù)荷低谷，此時風(fēng)光資源疊加，火電出力需要調(diào)到最低，若調(diào)峰能力不足，將造成能源浪費；夜晚負(fù)荷高峰時段，新能源供給不足，火電需要滿發(fā)頂峰。這時“調(diào)峰”就發(fā)揮了重要作用，以常樂電廠1000MW超超臨界機(jī)組為例，在用電高峰時，可調(diào)控火電機(jī)組功率到1000MW滿負(fù)荷運行，確保供電能夠滿足峰值需求；而在低谷期間，將機(jī)組負(fù)荷從1000MW降低到約350MW，以保障新能源出力。

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(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(xiàn)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(dǎo)致鍋爐輻射受熱面結(jié)焦、高溫腐蝕、爆管、煤耗高等問題，嚴(yán)重影響電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。隨著“疆煤外運”市場的擴(kuò)大，燃用新疆煤引起的結(jié)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，國內(nèi)外主要采用改變鍋爐結(jié)構(gòu)和摻燒高嶺土等方式，盡可能減少鍋爐輻射受熱面結(jié)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(hù)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(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所高祥虎研究員團(tuán)隊

（圖片來源：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(tuán)隊近年來圍繞電站關(guān)鍵材料，專注于大型電站鍋爐輻射受熱面防護(hù)與節(jié)能增效關(guān)鍵技術(shù)研究。受陶瓷釉啟發(fā)，團(tuán)隊自主研發(fā)了一種納米高熵防護(hù)與節(jié)能增效陶瓷涂層，突破了陶瓷材料防結(jié)焦、耐高溫腐蝕、紅外增效、高導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，從而實現(xiàn)防護(hù)與節(jié)能增效耦合，可滿足大型調(diào)峰電站及其他常規(guī)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，通過輻射換熱將水冷壁管內(nèi)的水加熱成高溫、高壓水蒸氣，從而推動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。納米高熵防護(hù)與節(jié)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(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(hù)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?zé)煔庵腥廴谖飳鼙诘酿じ?，保護(hù)水冷管壁表面不受結(jié)焦、高溫腐蝕的影響；并且涂層與基材具有匹配的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，不影響鍋爐的傳熱效率以及使用壽命。同時，防護(hù)材料還具有的紅外輻射功效，可強(qiáng)化爐膛內(nèi)輻射傳熱，降低爐膛出口煙溫；強(qiáng)化燃燒，提高煤粉的燃盡率，降低煤耗、提高煤種的適應(yīng)性。

納米高熵陶瓷涂層防結(jié)焦、耐高溫腐蝕效果圖

（圖片來源：高祥虎提供）

“風(fēng)光”賽道上，從“大省”奔“強(qiáng)省”

經(jīng)過一年多的運行實踐，爐膛內(nèi)水冷壁管壁表面光滑致密、無結(jié)焦、附著物易清除，未出現(xiàn)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(jié)焦性能。據(jù)悉，該技術(shù)將于2025年在甘肅超超臨界1000MW調(diào)峰機(jī)組開展大規(guī)模示范應(yīng)用。

常樂電廠2號機(jī)組運行11個月后墻噴涂區(qū)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(shè)的超超臨界1000MW火電調(diào)峰機(jī)組有19座，納米高熵防護(hù)與節(jié)能增效陶瓷涂層將確保甘肅省已投產(chǎn)和在建煤電調(diào)峰機(jī)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(qiáng)省”的順利轉(zhuǎn)化。

研究成果將輻射推廣至新疆、青海、內(nèi)蒙古、貴州等省，為加快煤電轉(zhuǎn)型，推動煤電和新能源的優(yōu)化組合，保障煤炭清潔高效利用，為我國煤電向基礎(chǔ)性、支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[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(jī)組鍋爐的防結(jié)焦耐腐蝕應(yīng)用研究[J/OL].熱力發(fā)電:1-10[2024-05-20].