Wissenschaftler entwickeln neue Beschichtung zum Schutz der größten Millionen-Kilowatt-Spitzenlastanlage im Nordwesten Chinas

Wüste, Gobi, Danxia, ​​schneebedeckte Berge ... es ist ein malerischer Korridor, der viele extreme Landschaften integriert; Grotten, die Große Mauer, Grenzpässe, antike Städte … es ist ein Zivilisationskorridor, der viele kulturelle Erben vereint. Heute ist der Hexi-Korridor in das Riesenrad der neuen Energieentwicklung eingestiegen und hat bei der umfassenden Transformation des Energieverbrauchs und der Energieerzeugung die Führung übernommen. Er ist zu einem Energiekorridor geworden, der China kontinuierlich mit leistungsstarkem „Gansu-Grünstrom“ versorgt.

In den letzten Jahren haben das Parteikomitee und die Provinzregierung der Provinz Gansu der Energiesicherheit und dem Aufbau von Energiebasen große Bedeutung beigemessen und in Jiuquan eine Windkraftbasis mit mehreren zehn Millionen Kilowatt, in Zhangye, Jinchang, Wuwei und Jiuquan vier Millionen Kilowatt Photovoltaik-Stromerzeugungsbasen sowie in Tongwei eine Windkraftbasis mit einer Million Kilowatt errichtet.

Bis Ende 2023 wird Gansus installierte Kapazität zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 50 Millionen Kilowatt überschreiten und damit etwa 60 % der gesamten installierten Stromkapazität der Provinz ausmachen. Damit liegt die Provinz landesweit auf Platz zwei. Im Jahr 2023 wuchs der Freundeskreis von „Gansu Green Electricity“ weiter: Im Laufe des Jahres wurden 432 Millionen Kilowattstunden Ökostrom verkauft und in 25 Provinzen im ganzen Land geliefert. Damit belegt Gansu hinsichtlich des Umfangs der Lieferung neuer Energie den zweiten Platz im Land. „Grüner Strom“ ist zu Gansus strahlender Visitenkarte geworden.

Die Abkehr von Wind- und Solarenergie ist hoch, Wärmekraft kommt zur Rettung

Wind und Licht sind Klimaressourcen, die durch Zufälligkeit und Volatilität gekennzeichnet sind und sich nicht mit der Netznachfrage ändern. Obwohl die Provinz Gansu saubere Energie rasch entwickelt hat, gibt es dort Schwierigkeiten bei der Aufnahme, bei der externen Übertragung und bei der Spitzenlastregulierung. Dabei hat die „Vernachlässigung“ beinahe den ganzen „Ruhm“ der neuen Energie in den Schatten gestellt. Im Jahr 2015 lag die Stilllegungsrate der Windenergie in der Provinz bei 39 % und die Stilllegungsrate der Solarenergie bei 31 %. Die Menge der nicht mehr genutzten Wind- und Solarenergie erreichte 10,8 Milliarden kWh und machte 36,97 % der Stromerzeugungskapazität aus erneuerbaren Energien aus.

Um das Problem der „Abkehr von Wind- und Solarenergie“ im Hexi-Korridor zu lösen, wurde mit dem Bau von 6×1000-MW-Einheiten des Gansu Power Investment Changle-Kraftwerks begonnen, dem größten Wärmekraftwerk zur Spitzenlastkappung im Nordwesten Chinas. Im Jahr 2021 erreichte die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in der Provinz 44,6 Milliarden kWh bei einer Nutzungsrate von 96,83 %. Der Stromexport von Gansu erreichte 51,755 Milliarden kWh und deckte damit effektiv den Strombedarf in Hunan und anderen Regionen Zentralchinas. Das Changle-Kraftwerk spielte als einzige unterstützende Spitzenlast-Stromquelle für das Qi Shao DC eine „führende“ Rolle beim Export und Verbrauch neuer Energie.

Wie erreichen thermische Kraftwerke eine „Spitzenkappung“? Normalerweise gibt es bei der Stromnachfrage deutliche Spitzen- und Talzeiten . Tagsüber ist beispielsweise die Stromlast in der Provinz Gansu am niedrigsten. Zu diesem Zeitpunkt überlagern sich Wind- und Solarenergie und die Wärmeleistung muss auf das Minimum eingestellt werden. Wenn die Kapazität zur Spitzenlastkappung nicht ausreicht, kommt es zu Energieverschwendung. Während der Spitzenlastzeit in der Nacht reicht die Versorgung mit neuer Energie nicht aus und die thermische Energie muss in Spitzenzeiten vollständig erzeugt werden. Dabei spielt das „Peak Shaving“ eine wichtige Rolle. Am Beispiel der 1000-MW-Ultra-Superkritischen-Einheit des Changle-Kraftwerks kann die Leistung der Wärmekrafteinheit während der Spitzenstromnachfrage auf 1000 MW für den Volllastbetrieb angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung die Spitzennachfrage decken kann. und während der Tiefpunktphase wird die Einheitslast von 1000 MW auf etwa 350 MW reduziert, um die Produktion neuer Energie sicherzustellen.

Kohleförderung in Xinjiang stößt auf Engpass

Nanobeschichtungen zeigen ihre magischen Kräfte

In den letzten Jahren hat sich der Kohlebergbau in China Richtung Westen verlagert. Aufgrund der reichen Reserven, der einfachen Gewinnung, des niedrigen Preises, des hohen Heizwerts und der kurzen Transportwege ist Xinjiang-Kohle zur wichtigsten Kohleart geworden, die von den Wärmekraftwerken in Gansu und den umliegenden Provinzen verwendet wird.

Allerdings enthalten die derzeit geförderten Kohlesorten hohe Mengen an Alkalimetallen, Chlor oder Schwefel, was leicht zu einer Verkokung der Strahlungsheizfläche des Kessels, Hochtemperaturkorrosion, Rohrbrüchen, hohem Kohleverbrauch und anderen Problemen führen kann, wodurch die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Kraftwerkskesseln ernsthaft beeinträchtigt wird. Mit der Ausweitung des Marktes für „Kohleexport aus Xinjiang“ sind die durch die Verbrennung von Xinjiang-Kohle verursachte Verkokung und Hochtemperaturkorrosion zu zentralen technischen Problemen geworden, die in der nationalen Wärmekraftindustrie dringend gelöst werden müssen.

Im Laufe der Jahre bestanden die im In- und Ausland vorwiegend angewandten Methoden darin, die Kesselstruktur zu verändern und Kaolin hinzuzufügen, um die Probleme von Verkokung, Hochtemperaturkorrosion und Rohrbrüchen auf der Strahlungsheizfläche des Kessels so weit wie möglich zu verringern, oder die Dicke der wassergekühlten Wand durch Oberflächenschweißen oder Aufbringen von Schutzbeschichtungen durch thermisches Spritzen zu erhöhen, um die Lebensdauer der wassergekühlten Kesselwand zu verlängern. Aufgrund der hohen Kosten und der verringerten thermischen Effizienz lässt sich das Problem jedoch nicht grundsätzlich lösen.

In den letzten Jahren hat sich das Team von Gao Xianghu von der Low Carbon Energy Materials Group des Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften auf Schlüsselmaterialien für Kraftwerke und die Forschung an Schlüsseltechnologien zum Schutz von Strahlungsheizflächen sowie zur Energieeinsparung und Effizienzsteigerung großer Kraftwerkskessel konzentriert. Inspiriert von Keramikglasur entwickelte das Team eigenständig eine nano-hochentropische Keramikbeschichtung zum Schutz und zur Steigerung der Energieeinsparung und Effizienz. Dabei wurden Schlüsseltechnologien wie Antiverkokung von Keramikmaterialien, Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, Verbesserung der Infrarot-Effizienz, hohe Wärmeleitfähigkeit und einstellbarer Wärmeausdehnungskoeffizient durchbrochen . Dadurch wurde eine Kombination aus Schutz und Verbesserung der Energieeinsparung und Effizienz erreicht, die den Nutzungsanforderungen großer Spitzenlastkraftwerke und anderer konventioneller Wärmekraftwerke gerecht wird.

Unter thermischer Stromerzeugung versteht man die Nutzung der Kohleverbrennung zur Wärmeerzeugung, wobei das Wasser in den wassergekühlten Wandrohren durch Strahlungswärmeaustausch zu Hochtemperatur- und Hochdruckdampf erhitzt wird, wodurch die Turbine rotiert und mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die nano-hochentropische Schutz- und energiesparende, effizienzsteigernde Keramikbeschichtung wird auf die Strahlungsheizfläche (wassergekühlte Wand, Überhitzer) gesprüht. Es kann sich auf die Hitze verlassen, die beim Starten des Kessels entsteht, um sich thermisch auszuhärten und eine dichte Keramikschicht zu bilden. Zwischen der Beschichtung und dem Substrat kann eine starke chemische Bindung entstehen, die ein Ablösen in der rauen Umgebung des Ofens erschwert.

Die erhitzte Oberfläche des aufgesprühten Schutzmaterials ist wie eine „Stahlpanzerung“, die das Eindringen externer korrosiver Medien blockiert , die Haftung geschmolzener Materialien im Hochtemperatur-Rauchgas des Kessels an der Rohrwand verringert und die Oberfläche der wassergekühlten Rohrwand vor Verkokung und Hochtemperaturkorrosion schützt. und die Beschichtung und das Substrat weisen eine übereinstimmende Wärmeleitfähigkeit und einen übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was die Wärmeübertragungseffizienz und die Lebensdauer des Kessels nicht beeinträchtigt. Gleichzeitig hat das Schutzmaterial auch eine Infrarotstrahlungswirkung, die die Strahlungswärmeübertragung im Ofen verbessern und die Rauchtemperatur am Ofenauslass senken kann. Verbessern Sie die Verbrennung, erhöhen Sie die Ausbrandrate von Kohlenstaub, senken Sie den Kohleverbrauch und verbessern Sie die Anpassungsfähigkeit der Kohlearten.

Auf dem Weg der „Landschaft“, von einer „großen Provinz“ zu einer „starken Provinz“

Nach über einem Jahr Betrieb ist die Oberfläche der wassergekühlten Wandrohre im Ofen glatt und dicht, frei von Verkokungen und Anhaftungen lassen sich leicht entfernen. Es treten keine Löcher, keine Ausdünnung der Rohrwände und keine anderen Korrosionsphänomene auf, was die hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Anti-Verkokungs-Leistung dieser Technologie voll und ganz unterstreicht. Berichten zufolge soll diese Technologie im Jahr 2025 in großem Maßstab in Gansus ultra-superkritischen 1.000-MW-Spitzenlastausgleichsanlagen demonstriert werden.

Derzeit sind in Gansu 19 ultra-superkritische 1000-MW-Wärmekraftwerke zur Spitzenlastkappung in Betrieb bzw. im Bau. Der Nano-Hochentropieschutz und die energiesparende und effizienzsteigernde Keramikbeschichtung sollen den sicheren Betrieb der in der Provinz Gansu in Betrieb genommenen bzw. im Bau befindlichen Kohlekraftwerke zur Spitzenlastkappung gewährleisten. Zudem sollen sie die Entscheidungsfindung und den Einsatz des Parteikomitees und der Provinzregierung der Provinz Gansu beim „Aufbau einer neuen Energieindustriekette im Hundert-Milliarden-Bereich“ sowie beim Export von Strom aus Longdian technisch unterstützen und der Provinz Gansu dabei helfen, sich reibungslos von einer „Provinz mit großer Wind- und Solarenergie“ in eine „Provinz mit starker Wind- und Solarenergie“ zu verwandeln.

Die Forschungsergebnisse werden in Xinjiang, Qinghai, der Inneren Mongolei, Guizhou und anderen Provinzen bekannt gemacht, um die Umstellung der Kohlekraft zu beschleunigen, die optimale Kombination von Kohlekraft und neuer Energie zu fördern, die saubere und effiziente Nutzung von Kohle sicherzustellen und technische Unterstützung für die Umwandlung der Kohlekraft meines Landes in eine grundlegende, unterstützende und regulierende Energiequelle zu bieten.

Verweise

[1] Ma Jun, Zhang Guoshan, Gao Xianghu et al. Forschung zur Anwendung von nanokeramischen Beschichtungen mit hoher Entropie zur Erhöhung der Verkokungs- und Korrosionsbeständigkeit von ultra-superkritischen 1.000-MW-Kesseln [J/OL]. Thermische Stromerzeugung: 1-10 [2024-05-20]. https://doi.org/10.19666/j.rlfd.202401003.

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Gao Xianghu, Liu Baohua (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Yinuo

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin