讓燃煤發(fā)電技術領先一代

【創(chuàng)新故事】

位于北京長安街南側的中國華能集團有限公司（以下簡稱華能集團）總部，一層展廳里有一根光潤如玉的“銀箍棒”。鮮為人知的是，構成這根棒的合金材料能抵擋700℃的高溫。

對火力發(fā)電人、華能集團科技部主任許世森來說，700℃是一個令人心動的數(shù)字：當發(fā)電溫度提高到700℃及以上時，245克煤就能發(fā)1度電。

目前，我國1度電最低能耗為264克煤。許世森為記者算了一筆賬：我國火電發(fā)電量約為5.8萬億度，如果每度電能耗再減少19克煤，將節(jié)約上億噸燃煤！

世界公認，燃煤發(fā)電每度電煤耗下降10克，技術就領先一代。而研制符合使用條件的高溫合金，正是其中的關鍵。為了實現(xiàn)這一目標，我國科技工作者已經(jīng)奮斗了15年。

曾被認為是“走麥城之戰(zhàn)”

燃煤發(fā)電，是將水加熱成水蒸氣，推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。理論上，水蒸氣的壓力和溫度越高，發(fā)電效率越高。

但溫度和壓力的提升總有一個實現(xiàn)的極限。當溫度邁向620℃及以上、壓力逼近30兆帕及以上時，人們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的材料無法滿足要求。

30多年前，歐美發(fā)達國家就開始了700℃先進超超臨界燃煤發(fā)電技術的研發(fā)布局。例如，歐洲于1998年開始實施“THEME 700”計劃，組織了近40家企業(yè)，計劃用17年建成一個700℃以上的示范電廠。

在700℃超超臨界發(fā)電技術領域，我國起步較晚。2008年，經(jīng)反復調(diào)研，華能集團開始組織高溫合金攻堅。

意想不到的是，華能集團實施項目后，發(fā)達國家的計劃紛紛暫?；驍R淺——2009年起，歐洲“THEME 700”計劃不再有進展；日本和美國的研發(fā)計劃也舉步不前。

發(fā)達國家的技術團隊先后“折戟”，超超臨界發(fā)電技術圈內(nèi)開始認為，挑戰(zhàn)700℃注定是“走麥城之戰(zhàn)”：“其他國家的嘗試是‘交學費’，再嘗試應該慎重”“以目前的學科基礎判斷，新材料研發(fā)希望渺茫”……不同的聲音相繼傳來。

無疑，華能團隊面臨著巨大壓力。

“當時我們的項目僅實施一年多，通過設計和仿真，材料研發(fā)團隊已經(jīng)提出了數(shù)百種合金材料配方并一一驗證，取得了很好的階段性成果。”許世森回憶，當走進西安熱工研究院的實驗室，面對全新的材料初樣，聽到性能參數(shù)的數(shù)據(jù)時，心中只有一個念想：“堅持！”

“實戰(zhàn)演習”長達五六年

除了科研人員固有的執(zhí)著，華能堅持的另一個原因是國家重大戰(zhàn)略需求——

我國“富煤、貧油、少氣”，未來相當長時間內(nèi)，煤炭仍將是基礎能源，是能源安全“壓艙石”。因此，華能不僅對700℃高溫合金研發(fā)項目“逆勢”支持，還配備上先進的設備、儀器和驗證平臺。

“盡管耐得住上千度高溫的材料在航天、航空領域已有應用，但要想在發(fā)電行業(yè)應用，高溫合金必須滿足獨特的需求，如管壁厚、零部件大、器件構型復雜等。”許世森說。

2013年，根據(jù)新配方冶煉出來的材料開始了國內(nèi)首次“掛片試驗”（做成零件的工藝研究）。隨著工藝逐步成熟，對材料及零件進行性能考核的需求日漸迫切。

為滿足“嚴考”的條件，在國家能源局重點項目支持下，華能集團2015年底在南京電廠建成了我國第一個、也是目前唯一的700℃高溫材料驗證試驗平臺。高溫合金制成的管道、閥門等重要部件在這里經(jīng)歷了最接近真實工況的“實戰(zhàn)演習”。

測試平臺不僅對自主研制的高溫合金性能進行單獨測試，還將進口材料、國內(nèi)仿制材料放在一起進行對比測試。

“演練”長達五六年。許世森坦言，有一段時間，自己一看到是南京試驗平臺來的電話，就會在心里提前做好最壞打算。“長周期演習隨時會出現(xiàn)意想不到的結果，甚至有可能是顛覆性的。”

2021年，試驗平臺累計完成近3萬小時的各類高溫材料及關鍵部件驗證試驗，積累了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

“我們研制的新材料和設備生產(chǎn)工藝，不僅能夠承受先進超超臨界狀態(tài)需要的700℃、35兆帕條件，還切切實實地控制住了每度電的發(fā)電成本！”許世森說，這是幾萬小時的實際運行數(shù)據(jù)累積起來的信心。

有望進一步把煤炭“吃干榨凈”

2021年12月14日，高溫合金管材在江西瑞金的華能超超臨界發(fā)電廠中開展試運行，邁出走向實際應用的第一步。

在不久前的一次“揭榜掛帥”項目論證會上，華能團隊給評審專家組“賣了個關子”，一開始沒有將耐高溫合金材料的研制進展和盤托出，而是直接提出要建設700℃以上的先進超超臨界發(fā)電項目。專家組一下點中要害：“沒有可用的材料，你們說的這個計劃不是‘空中樓閣’嗎？”

華能團隊這才將十多年的新材料研制工作歷程娓娓道來。當?shù)弥邷睾辖鹨呀?jīng)進入實際應用階段后，專家組放下心來。

“提高燃煤發(fā)電效率是發(fā)電行業(yè)的夢想，從最初的30%到40%再到超超臨界的46%，想把煤炭‘吃干榨凈’越來越難。”許世森說，高溫合金有望更進一步，讓燃煤中50%以上的發(fā)熱量轉變?yōu)殡姟?/p>

如今，由高溫合金核心設備裝配的先進超超臨界燃煤發(fā)電廠已經(jīng)進入了工程論證和籌備階段。許世森預計，2026年前后，全球首個650℃超高參數(shù)先進超超臨界燃煤發(fā)電站有望在浙江華能玉環(huán)電廠投入商業(yè)化運行。

黨的二十大報告提出，深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用。作為火電節(jié)能減排的主要技術之一，先進超超臨界發(fā)電技術將助推我國能源事業(yè)高質量發(fā)展！