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《ARPA-E资助1600万美元支持燃气轮机超高温材料研发》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2020-12-23

  • 11月18日，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布资助1600万美元，支持17个航空和发电用燃气轮机超高温材料项目 ，旨在通过开发可承受1300℃高温以及经过涂层和冷却处理可在1800℃环境下连续运行的超高温材料以及新的制造工艺，使涡轮机叶片不仅能承受超高温，还可承受航空和发电行业中燃气轮机的常见极端运行环境，进而提升燃气轮机效率。本次资助项目为“超高温防渗材料提高涡轮机效率”（ULTIMATE）计划第一阶段的部分项目，将通过建模和对基本性能的实验室拉伸测试来进行合金成分、涂层和制造工艺的概念验证，主要研究内容参见表1所示。

    表1 航空和发电用燃气轮机超高温材料项目具体研究内容

  • 原文来源：https://arpa-e.energy.gov/news-and-media/press-releases/us-department-energy-announces-16-million-funding-phase-1-ultra-high
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  • 《ARPA-E资助3000万美元支持电网规模长时储能技术研发》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：wukan
    • 发布时间：2018-07-03
    • 　　近日，美国能源部先进能源研究计划署（ ARPA-E ）宣布资助 3000 万美元实施“电网规模长时储能（ DAYS ）”主题研究计划，旨在研发可部署在几乎任何位置的电网规模新型长时电力储能系统（ LDES ），以提供 10 至 100 小时、平准化成本为 5 美分 / 千瓦时的可靠电力，增强电网的韧性和稳定性，实现可再生能源电力更高比例的并网，以满足美国电网现代化的发展需求。本次资助着重开展的研究内容如下： 　　开发高效的储能材料（如高性能压缩泵、高能量密度的正负极、不易燃不易挥发的电解质），以获得更高能量密度、更长寿命的储能系统（如空气压缩储能、锂电池等）； 　　开发全新的储能系统架构、高能量密度的储能介质以降低采用电力储能系统的电厂配套设施和电力成本； 　　开发能量效率不低于 50% 、 20 年寿命、全生命周期储能系统电力成本约 600 美元 / 千瓦、放电持续时间在 8-10 小时（即能量储存的时间周期达到 8-10 小时）的电网规模储能系统原型，并在相应选址进行现场示范，评估其技术 - 经济性能，以满足昼夜用电负荷调节应用的需求； 　　开发能量效率不低于 50% 、 20 年寿命、 全生命周期储能系统电力成本 200 美元 / 千瓦、平准化成本 5 美分 / 千瓦时、放电持续时间在近 100 小时（即能量储存的时间周期达到 100 小时）的电网规模储能系统原型，并在相应选址进行现场示范，评估其技术 - 经济性能，以为满足季节性用电负荷调节应用的需求。
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  • 《“命门火衰”，重型燃气轮机的叶片之殇》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-05-10
    • 重型燃气轮机（以下简称重燃），名副其实的大国重器。作为迄今为止热／功转换效率最高的动力机械，广泛应用于机械驱动（如舰船、火车）和大型电站。我国现已具备轻型燃机（功率5万千瓦以下）自主化能力；但重燃（功率5万千瓦以上）仍基本依赖引进。据悉，重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右，虽不是一大块，却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组，作为大电网调峰容量的最佳选择，在国家能源安全中扮演着无可替代的全局性角色。没有自主化能力，意味着我国能源安全的重要一环，仍然受制于人，存在被“卡脖子”的风险。 极致技术：对质量和性能近乎变态的追求 把熔化的液态金属浇入模具，等它凝固；在显微镜下看其金相，会呈现形似“干裂农田”状的缝隙，专业术语称之为“晶界”。 “晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。为提高金属材料在高温下的强度，就要想办法消除晶界。 这是一个极其复杂、漫长的过程，包括精确的温度控制，以及精密铸造、定向／拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“都是来自国外”；核心设备单晶炉，也须从国外进口。 该技术负责人解释，作为一种旋转叶轮式热力发动机，燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作，目前没有任何金属可以做到。怎么办？ 极限工况催生出极致技术，一种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外，“只有靠冷却”：叶片是中空的，以便通冷却空气；表面有陶瓷涂层、冷却气膜，使它跟高温燃气隔离，等等。 更关键一点，在以上复杂流程的所有环节，任何一项技术参数都不能有丝毫偏差，“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调，常规制造中还有一个安全系数，即一定的容错裕量；而“极限制造完全是另一概念”：叶片是空心的、又很薄，除了精铸，目前没有其他工艺手段可以做出来，未来3D打印能不能解决还不清楚；铸造过程中，材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等，都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的，要靠好多极限手段硬让它变得可能”，所有技术必须做到极致。所以，一就是一，二就是二，偏差根本不能容忍、不被允许。 体系差距：即使有钱也不知从哪下手 美国GE公司高层曾声称，要买重燃成套技术，除非买下整个GE。 “重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到，国际上大的重燃厂家，主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家，与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带苛刻条件：首先，设计技术不转让；其次，核心的热端部件制造技术也不转让，仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。 这两条注定了，没有自主设计能力，我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃，只能听从人家的意志。核心制造技术不转让，国内上了那么多重燃发电机组，设备运维、备件提供完全受制于人，长期安全稳定运行堪忧；本土制造的许可证又都有期限，到期之后能否付钱再延，还须看他人眼色。所谓“卡脖子”，莫此为甚。 跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术，是真正的核心技术。顾春伟表示，重燃三大部件（压气机、燃烧室、燃气透平）的设计都是难上加难，因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累”，没有长期积累，“即使有钱你也不知从哪儿下手”。 仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课，叶片材料仍是有寿命期限的：重燃叶片，寿命在5万小时、3万小时不等，到期必须报废。 怎么证明5万小时安全运行没问题？极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想，一年8000多小时，5万小时要做将近6年，“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间”，所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集，而且每一步都必须亲历亲为，否则就“不知其所以然”。 “尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系，才是重燃自主化的关键所在”，中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责人如是说。 三位一体：工匠的经验仍不可或缺 叶片精铸过程中，“拉单晶”工艺很有画面感。 上述技术负责人介绍，一般的铸造，是把金属液浇入模坑、自然冷却，出来的产品是多晶体，就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造，“是在底下选一个晶体，让它慢慢往上走；上面保持高温，还是液体；然后这个界面一点点往上冷却，所以凝固时间特别长”。 顾春伟称之为“多物理场耦合”，即制造流程中，每一环节涉及各种细节的工艺控制，这种控制又受到各种物理条件的影响，比如湿度、温度、速度等控制下的成型，“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。 三位一体中，设备当然必不可少，“先进单晶炉须从德国进口，国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行”。单晶制造过程中，涉及多个环节、多位顶尖高手，每人各管一段；每人都身怀绝技，相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等，既靠数据标准，更有“手上的功夫”，也就是经验积累。因为“多物理场耦合”中，没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理，也是我国高端制造流程中目前最紧缺的一环。 （科技日报北京5月8日电）
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