【創(chuàng)新故事】

位于北京長安街南側(cè)的中國華能集團(tuán)有限公司（以下簡稱華能集團(tuán)）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(gòu)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(tuán)科技部主任許世森來說，700℃是一個(gè)令人心動的數(shù)字：當(dāng)發(fā)電溫度提高到700℃及以上時(shí)，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(rèn)，燃煤發(fā)電每度電煤耗下降10克，技術(shù)就領(lǐng)先一代。而研制符合使用條件的高溫合金，正是其中的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我國科技工作者已經(jīng)奮斗了15年。

曾被認(rèn)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(jī)帶動發(fā)電機(jī)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(gè)實(shí)現(xiàn)的極限。當(dāng)溫度邁向620℃及以上、壓力逼近30兆帕及以上時(shí)，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(dá)國家就開始了700℃先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)布局。例如，歐洲于1998年開始實(shí)施“THEME 700”計(jì)劃，組織了近40家企業(yè)，計(jì)劃用17年建成一個(gè)700℃以上的示范電廠。

在700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，我國起步較晚。2008年，經(jīng)反復(fù)調(diào)研，華能集團(tuán)開始組織高溫合金攻堅(jiān)。

意想不到的是，華能集團(tuán)實(shí)施項(xiàng)目后，發(fā)達(dá)國家的計(jì)劃紛紛暫?；驍R淺——2009年起，歐洲“THEME 700”計(jì)劃不再有進(jìn)展；日本和美國的研發(fā)計(jì)劃也舉步不前。

發(fā)達(dá)國家的技術(shù)團(tuán)隊(duì)先后“折戟”，超超臨界發(fā)電技術(shù)圈內(nèi)開始認(rèn)為，挑戰(zhàn)700℃注定是“走麥城之戰(zhàn)”：“其他國家的嘗試是‘交學(xué)費(fèi)’，再嘗試應(yīng)該慎重”“以目前的學(xué)科基礎(chǔ)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(tuán)隊(duì)面臨著巨大壓力。

“當(dāng)時(shí)我們的項(xiàng)目僅實(shí)施一年多，通過設(shè)計(jì)和仿真，材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了數(shù)百種合金材料配方并一一驗(yàn)證，取得了很好的階段性成果。”許世森回憶，當(dāng)走進(jìn)西安熱工研究院的實(shí)驗(yàn)室，面對全新的材料初樣，聽到性能參數(shù)的數(shù)據(jù)時(shí)，心中只有一個(gè)念想：“堅(jiān)持！”

“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”長達(dá)五六年

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

我國“富煤、貧油、少氣”，未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是基礎(chǔ)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(xiàng)目“逆勢”支持，還配備上先進(jìn)的設(shè)備、儀器和驗(yàn)證平臺。

“盡管耐得住上千度高溫的材料在航天、航空領(lǐng)域已有應(yīng)用，但要想在發(fā)電行業(yè)應(yīng)用，高溫合金必須滿足獨(dú)特的需求，如管壁厚、零部件大、器件構(gòu)型復(fù)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(yàn)”（做成零件的工藝研究）。隨著工藝逐步成熟，對材料及零件進(jìn)行性能考核的需求日漸迫切。

為滿足“嚴(yán)考”的條件，在國家能源局重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，華能集團(tuán)2015年底在南京電廠建成了我國第一個(gè)、也是目前唯一的700℃高溫材料驗(yàn)證試驗(yàn)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(shí)工況的“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”。

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

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

2021年，試驗(yàn)平臺累計(jì)完成近3萬小時(shí)的各類高溫材料及關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)，積累了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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

有望進(jìn)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(yùn)行，邁出走向?qū)嶋H應(yīng)用的第一步。

在不久前的一次“揭榜掛帥”項(xiàng)目論證會上，華能團(tuán)隊(duì)給評審專家組“賣了個(gè)關(guān)子”，一開始沒有將耐高溫合金材料的研制進(jìn)展和盤托出，而是直接提出要建設(shè)700℃以上的先進(jìn)超超臨界發(fā)電項(xiàng)目。專家組一下點(diǎn)中要害：“沒有可用的材料，你們說的這個(gè)計(jì)劃不是‘空中樓閣’嗎？”

華能團(tuán)隊(duì)這才將十多年的新材料研制工作歷程娓娓道來。當(dāng)?shù)弥邷睾辖鹨呀?jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)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(jìn)一步，讓燃煤中50%以上的發(fā)熱量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟?/p>

如今，由高溫合金核心設(shè)備裝配的先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電廠已經(jīng)進(jìn)入了工程論證和籌備階段。許世森預(yù)計(jì)，2026年前后，全球首個(gè)650℃超高參數(shù)先進(jìn)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(yùn)行。

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