科学家研发新型涂层，为西北最大的百万调峰机组“保驾护航”

沙漠、戈壁、丹霞、雪山……，它是集众多极致风光为一体的风景走廊；石窟、长城、边关、古城……，它是集众多文化遗产于一身的文明走廊。如今，河西走廊搭上了新能源发展的巨轮，并率先实现了能源消费和能源生产的全面转型，成为一条为中国不断输送强大“甘肃绿电”的能源走廊。

近年来，甘肃省委省政府高度重视能源安全、能源基地建设，已建成酒泉千万千瓦级风电基地，张掖、金昌、武威、酒泉 4 个百万千瓦级光伏发电基地，通渭百万千瓦级风电基地。

截至 2023 年年底，甘肃新能源发电装机规模已突破 5000 万千瓦，约占全省电源总装机容量的 60%，居全国第 2 位。2023 年，“甘肃绿电”的朋友圈持续扩大，全年成交绿电 4.32 亿千瓦时，输送至全国 25 个省份，新能源外送规模居全国第二。“绿电”已成为甘肃亮丽的名片。

风、光“弃”率高，火电来“救场”

风、光是一种气候资源，具有随机性、波动性特征，不随电网需求而动。虽然甘肃省清洁能源发展迅猛，却面临“消纳难” “外送难”“调峰难”等“顽疾”，一路走来，“弃”几乎掩盖了新能源所有的“风光”。2015 年，全省弃风率达 39%，弃光率达 31%，弃风、弃光电量高达 108 亿千瓦时，占新能源可发电量 36.97%。

为解决河西走廊 “弃风、弃光”问题，西北地区最大的调峰火电—甘肃电投常乐电厂 6×1000MW 机组开工建设。2021 年全省新能源发电量达 446 亿千瓦时，利用率 96.83%，甘电外送达 517.55 亿千瓦时，有力保障湖南等华中地区电力需求；作为祁韶直流唯一配套调峰电源的常乐电厂为新能源外送和消纳发挥了“扛鼎”作用。

火电机组是如何实现“调峰”的呢？通常，电力需求存在明显的峰谷期，例如白天时段是甘肃省用电负荷低谷，此时风光资源叠加，火电出力需要调到最低，若调峰能力不足，将造成能源浪费；夜晚负荷高峰时段，新能源供给不足，火电需要满发顶峰。这时“调峰”就发挥了重要作用，以常乐电厂 1000MW 超超临界机组为例，在用电高峰时，可调控火电机组功率到 1000MW 满负荷运行，确保供电能够满足峰值需求；而在低谷期间，将机组负荷从 1000MW 降低到约 350MW，以保障新能源出力。

新疆煤炭遇“瓶颈”

纳米涂层“显神通”

近年来，随着我国煤炭资源开采西移，新疆煤炭因储量丰富、开采方便、价格低廉、热值高和运输距离短等优势，已成为甘肃等周边省份火电企业主要燃用煤种。

然而现在开采的煤种中含有较高成分的碱金属、氯元素或硫元素，易导致锅炉辐射受热面结焦、高温腐蚀、爆管、煤耗高等问题，严重影响电站锅炉的安全性和经济性。随着“疆煤外运”市场的扩大，燃用新疆煤引起的结焦、高温腐蚀已成为全国火电行业急需解决的关键技术难题。

多年来，国内外主要采用改变锅炉结构和掺烧高岭土等方式，尽可能减少锅炉辐射受热面结焦和高温腐蚀爆管问题，或采用堆焊增加水冷壁厚度或热喷涂防护涂层，延缓锅炉水冷壁寿命，但因成本高、热效率降低，不能从根本上解决问题。

中国科学院兰州化学物理研究所低碳能源材料组高祥虎研究员团队近年来围绕电站关键材料，专注于大型电站锅炉辐射受热面防护与节能增效关键技术研究。受陶瓷釉启发，团队自主研发了一种纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层，突破了陶瓷材料防结焦、耐高温腐蚀、红外增效、高导热率、热膨胀系数可调等关键技术，从而实现防护与节能增效耦合，可满足大型调峰电站及其他常规火电站的使用需求。

火力发电是指利用煤炭燃烧产生热量，通过辐射换热将水冷壁管内的水加热成高温、高压水蒸气，从而推动汽轮机旋转，将机械能转化成电能。纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层喷涂在辐射受热面（水冷壁、过热器）上，可依靠锅炉启动时的热量使自身发生热固化，形成致密的陶瓷层；并且涂层与基材之间可形成牢固的化学键，使其在炉膛恶劣的环境中不易剥落。

喷涂防护材料的受热面就像穿了一件“钢铁铠甲”，阻隔了外部腐蚀介质的侵入，减少了锅炉高温烟气中熔融物对管壁的黏附，保护水冷管壁表面不受结焦、高温腐蚀的影响；并且涂层与基材具有匹配的导热率和热膨胀系数，不影响锅炉的传热效率以及使用寿命。同时，防护材料还具有的红外辐射功效，可强化炉膛内辐射传热，降低炉膛出口烟温；强化燃烧，提高煤粉的燃尽率，降低煤耗、提高煤种的适应性。

“风光”赛道上，从“大省”奔“强省”

经过一年多的运行实践，炉膛内水冷壁管壁表面光滑致密、无结焦、附着物易清除，未出现凹坑和管壁减薄等腐蚀情况，充分证明该技术优异的耐高温腐蚀和防结焦性能。据悉，该技术将于 2025 年在甘肃超超临界 1000MW 调峰机组开展大规模示范应用。

目前，甘肃已运行和正在建设的超超临界 1000MW 火电调峰机组有 19 座，纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层将确保甘肃省已投产和在建煤电调峰机组的运行安全，为甘肃省委省政府“打造新能源千亿级产业链”决策部署和陇电外送提供技术支撑，助力甘肃省由“风光大省”向“风光强省”的顺利转化。

研究成果将辐射推广至新疆、青海、内蒙古、贵州等省，为加快煤电转型，推动煤电和新能源的优化组合，保障煤炭清洁高效利用，为我国煤电向基础性、支撑性、调节性电源转型提供技术支撑。

参考文献

[1]马军,张国山,高祥虎,等.纳米高熵陶瓷涂层在超超临界1 000 MW机组锅炉的防结焦耐腐蚀应用研究[J/OL].热力发电:1-10[2024-05-20].https://doi.org/10.19666/j.rlfd.202401003.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨高祥虎、刘宝华（中国科学院兰州化学物理研究所）

监制丨中国科普博览

责编丨一诺

审校丨徐来、林林