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  • 让燃煤发电技术领先一代——华能集团研发耐700℃高温合金材料纪实

    作者:admin发表时间:2022-11-17

      位于北京长安街南侧的中国华能集团有限公司(以下简称华能集团)总部,一层展厅里有一根光润如玉的“银箍棒”。鲜为人知的是,构成这根棒的合金材料能抵挡700℃的高温。

      对火力发电人、华能集团科技部主任许世森来说,700℃是一个令人心动的数字:当发电温度提高到700℃及以上时,245克煤就能发1度电。

      目前,我国1度电最低能耗为264克煤。许世森为记者算了一笔账:我国火电发电量约为5.8万亿度,如果每度电能耗再减少19克煤,将节约上亿吨燃煤!

      世界公认,燃煤发电每度电煤耗下降10克,技术就领先一代。而研制符合使用条件的高温合金,正是其中的关键。为了实现这一目标,我国科技工作者已经奋斗了15年。

      燃煤发电,是将水加热成水蒸气,推动汽轮机带动发电机发电。理论上,水蒸气的压力和温度越高,发电效率越高。

      但温度和压力的提升总有一个实现的极限。当温度迈向620℃及以上、压力逼近30兆帕及以上时,人们发现,现有的材料无法满足要求。

      30多年前,欧美发达国家就开始了700℃先进超超临界燃煤发电技术的研发布局。例如,欧洲于1998年开始实施“THEME 700”计划,组织了近40家企业,计划用17年建成一个700℃以上的示范电厂。

      在700℃超超临界发电技术领域,我国起步较晚。2008年,经反复调研,华能集团开始组织高温合金攻坚。

      意想不到的是,华能集团实施项目后,发达国家的计划纷纷暂停或搁浅——2009年起,欧洲“THEME 700”计划不再有进展;日本和美国的研发计划也举步不前。

      发达国家的技术团队先后“折戟”,超超临界发电技术圈内开始认为,挑战700℃注定是“走麦城之战”:“其他国家的尝试是‘交学费’,再尝试应该慎重”“以目前的学科基础判断,新材料研发希望渺茫”……不同的声音相继传来。

      “当时我们的项目仅实施一年多,通过设计和仿真,材料研发团队已经提出了数百种合金材料配方并一一验证,取得了很好的阶段性成果。”许世森回忆,当走进西安热工研究院的实验室,面对全新的材料初样,听到性能参数的数据时,心中只有一个念想:“坚持!”

      我国“富煤、贫油、少气”,未来相当长时间内,煤炭仍将是基础能源,是能源安全“压舱石”。因此,华能不仅对700℃高温合金研发项目“逆势”支持,还配备上先进的设备、仪器和验证平台。

      “尽管耐得住上千度高温的材料在航天、航空领域已有应用,但要想在发电行业应用,高温合金必须满足独特的需求,如管壁厚、零部件大、器件构型复杂等。”许世森说。

      2013年,根据新配方冶炼出来的材料开始了国内首次“挂片试验”(做成零件的工艺研究)。随着工艺逐步成熟,对材料及零件进行性能考核的需求日渐迫切。

      为满足“严考”的条件,在国家能源局重点项目支持下,华能集团2015年底在南京电厂建成了我国第一个、也是目前唯一的700℃高温材料验证试验平台。高温合金制成的管道、阀门等重要部件在这里经历了最接近真实工况的“实战演习”。

      测试平台不仅对自主研制的高温合金性能进行单独测试,还将进口材料、国内仿制材料放在一起进行对比测试。

      “演练”长达五六年。许世森坦言,有一段时间,自己一看到是南京试验平台来的电话,就会在心里提前做好最坏打算。“长周期演习随时会出现意想不到的结果,甚至有可能是颠覆性的。”

      2021年,试验平台累计完成近3万小时的各类高温材料及关键部件验证试验,积累了大量宝贵的试验数据。

      “我们研制的新材料和设备生产工艺,不仅能够承受先进超超临界状态需要的700℃、35兆帕条件,还切切实实地控制住了每度电的发电成本!”许世森说,这是几万小时的实际运行数据累积起来的信心。

      2021年12月14日,高温合金管材在江西瑞金的华能超超临界发电厂中开展试运行,迈出走向实际应用的第一步。

      在不久前的一次“揭榜挂帅”项目论证会上,华能团队给评审专家组“卖了个关子”,一开始没有将耐高温合金材料的研制进展和盘托出,而是直接提出要建设700℃以上的先进超超临界发电项目。专家组一下点中要害:“没有可用的材料,你们说的这个计划不是‘空中楼阁’吗?”

      华能团队这才将十多年的新材料研制工作历程娓娓道来。当得知高温合金已经进入实际应用阶段后,专家组放下心来。

      “提高燃煤发电效率是发电行业的梦想,从最初的30%到40%再到超超临界的46%,想把煤炭‘吃干榨净’越来越难。”许世森说,高温合金有望更进一步,让燃煤中50%以上的发热量转变为电。

      如今,由高温合金核心设备装配的先进超超临界燃煤发电厂已经进入了工程论证和筹备阶段。许世森预计,2026年前后,全球首个650℃超高参数先进超超临界燃煤发电站有望在浙江华能玉环电厂投入商业化运行。

      党的二十大报告提出,深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用。作为火电节能减排的主要技术之一,先进超超临界发电技术将助推我国能源事业高质量发展!

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