写大地科研 铸能源春秋——记浙江大学教授、能源清洁利用国家重点实验室副主任周昊

吕腾波

“什么是热能工程？是不是就是烧锅炉的？”

在刚踏进大学校园时，看见那一排比教学楼还要高大的管道和锅炉，周昊与同学们不禁有些迷茫。“可能刚进大学有点落差，觉得这个专业不是那么高大上。”那时的周昊完全没有想到，不久之后他就会被这个粗看一点儿也不高大上的行业深深吸引，并将之当成终身奋斗的目标。

“还真有意思！”

1989年，刚满16岁的周昊考入了浙江大学能源系。在互联网还未兴起的时代，能源可以算得上是当时炙手可热的高科技领域。因此，在老师的指导下，高中时期就对能源感兴趣的周昊毅然报考了能源专业。

尽管踏进大学校园后，面对一排带着烟囱的锅炉，周昊体会到了理想与现实的差距，但很快，奥妙无穷的知识海洋就将他密切包围。4年求知若渴的大学时光既充实又短暂，还未真正领略能源世界的精彩，大学就已临近尾声。自然而然地，因成绩优异作为班级唯一一个被保送读研的周昊选择留在了浙江大学能源系继续就读，导师正是我国著名工程热物理专家、中国工程院院士岑可法教授，他也是周昊后来的博士生导师。在岑院士的引领下，周昊一步步真正走进了能源的世界。

周昊（前左一）在“浙江大学-华润电力智慧能源联合研发中心”签约暨揭牌仪式上

自18世纪工业革命以来，能源就成为掌握国民经济发展的重要命脉。我国是全球最大的能源生产和消费国，但其产生的生态环境污染问题也造成了极大危害，能源的清洁利用成为可持续发展的必然方向，尤其是煤炭的利用。

“我国是一个‘富煤少气贫油’的国家，未来很长一段时间内，煤炭都将占据我国大部分能源的构成。”周昊说道。研究生期间，他就跟随导师，主要在煤炭清洁高效发电、电力生产过程污染控制、能源转化过程数值试验与测试等方向开展前沿基础研究和工程技术创新。

随着研究的日益深入，周昊对能源领域的兴趣也越来越浓。锅炉的每个设计参数、每个结构尺寸都影响着最后的运行效果，同时运行人员的水平也影响很大，一台锅炉，这个运行人员可以运行得得心应手，而另一人可能这边结渣，那边燃烧不完全，看来燃烧真是一门大学问啊。能源领域的博大精深激发了周昊的兴趣并使他全身心投入。就这样，每天穿梭在设备之间的日子也变得充实且富有成就感。“这个行业不仅能够为人类为社会贡献电和热，而且还非常有意思，粗中有细，对设计人员和运行人员的要求特别高。”周昊感叹。

2002年，导师告诫“年轻人要早去、多去接触外面的世界”，周昊作为访问学者来到了法国。彼时，他参加的项目“锅炉受热面管束磨损和防磨措施的数值试验研究”刚刚获得高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖，对燃烧的研究也渐入佳境，中国加入了世贸组织，国内电力行业迎来了新的大发展，而在法国学习这段期间，又让周昊对于能源有了更加全面且深刻的认识。

“在法国这一年，我感觉到个人发展是与国家发展紧密结合在一起的。欧美与我国能源结构不同，他们以油气为主，所以研究方向也都偏油气燃烧领域。”英国工业革命期间90%多的能源都来源于燃煤，但煤电在有序地退出，低碳化、清洁化是能源发展的必然趋势。“我们国家的资源禀赋以燃煤为主，煤炭将是未来长期一段时期内的基础能源，但这也让我思考起未来的研究方向，是否在继续做煤燃烧的同时，也开拓一些新的方向，与时俱进？”周昊不断思索。

2003年回国之后，周昊开始谋划布局油气燃烧方面的工作，以便为进入燃气轮机领域打下基础。2004年，博士论文《大型电站锅炉氮氧化物控制和燃烧优化中若干关键问题的研究》顺利通过答辩，并于2006年获评全国百篇优秀博士学位论文。

回国后，正赶上中国经济的飞速发展期，周昊的科研工作也取得不少突破性创新成果：2004年，“可调煤粉浓淡低NOx燃烧及低负荷稳燃技术”获国家科技进步奖二等奖；2005年，“工程气固两相流动中若干关键基础问题的研究”获得国家自然科学奖二等奖；2006年，“沙角C电厂节能技术的系统研究与应用”与“直吹式制粉系统风煤在线测量系统开发与研究”项目分别获得当年广东省科学技术奖二等奖与广东省科学技术奖三等奖。2006年，年仅33岁的周昊成为了浙江大学能源工程学系教授。

个人的成长机遇不仅与国家的发展息息相关，也与世界紧密关联。2007年，中国的铁矿石市场已成为全世界最大的综合矿业公司澳大利亚的BHP billiton公司（BhpB，必和必拓公司）的最大客户，必和必拓希望在中国寻找一个铁矿石烧结方面的合作伙伴。为此，他们多次派出专家团队来到中国调研寻找，但一直未相中合适的伙伴，一个极其偶然的情况下，宝贵机遇竟然降临在了周昊身上。

后来，必和必拓的专家告诉周昊：由于任务一直未完成，他们在飞机上也在谈这个合作事项，这时边上的一个女生告诉他们：“你们可以到浙江大学找一下Prof.Hao ZHOU，他煤燃烧做得不错的”。随后必和必拓的专家辗转找到了周昊，并考察了实验室在煤燃烧、结渣、多孔燃烧等方面的研究后，非常满意，随即签下了一个长期合作协议，并成立了“浙江大学-必和必拓铁矿石烧结研究中心”，周昊担任中心主任并先后委托他开展了“高温下烧结床不同区域的热模拟”“钢铁厂对环境影响和烧结质量模型”等项目，尽管对于周昊团队来说，铁矿石烧结是一个全新的领域，但由于有前期煤燃烧的积累，这些项目的完成情况令必和必拓非常满意。

2009年世界金融危机不期而至，BHP billiton公司为削减成本，决定关闭其在澳洲的Newcastle的研究中心，经慎重考虑后决定将该研究中心价值近两千万的实验室设备全部捐赠给浙江大学周昊课题组，并委托了“烧结杯试验研究”“铁矿石烧结过程中火焰前锋阻力影响因素的研究”“铁矿石烧结过程中床层孔隙度模型的基础研究”等一系列研究项目，用以对必和必拓生产的铁矿石提供烧结配方和烧结工艺参数指导。从煤燃烧到进入钢铁行业，周昊的研究领域就这样越走越宽。

“我至今都不知道当年飞机上推荐我们的那个女生是谁，如她能看到这个报道，请一定收下我对她的感谢。”周昊笑道。而那时的他也不会想到，在不久的将来他又将面临一个更加宝贵的机遇，正是这一次让他站在了国际能源研究大舞台的中心。

中东，一战成名

2012年年初，全球最大的发电设备制造企业——东方电气集团东方锅炉股份有限公司（以下简称东方锅炉）和山东电力建设第三工程有限公司组成联合体总承包的沙特阿拉伯拉比格电站的660MW燃油锅炉出现了严重的振动问题。70多米高、18米宽、14米深的庞然巨物，在短短两个月中共发生燃烧振动近百次，每次振动发生时整个机组钢架都瑟瑟发抖，在数公里外都能听到锅炉振动的声音，集控室的地板都抖动起来，运行人员惶恐不安，锅炉里水压和蒸汽压达到近200个大气压，如果振动导致锅炉炉管破坏，高温高压水和蒸汽外泄，后果不堪设想。

如振动问题不能及时解决，后果非常严重。这个项目不仅是中国在沙特的最大项目，而且也是中国600MW级发电设备首次进入中东市场，如果不能在规定期限内解决振动问题，中国企业不仅将面临着总额18亿美元的项目拒收造成的100多亿元人民币的巨大经济损失，同时也将面临今后中方企业无法进入中东发电市场的严峻形势。

中方与沙特业主向全世界范围内发出了求救函，邀请了美、日、英、芬兰、意大利、韩国等十余国油气燃烧领域专家到现场进行分析、改造和调试，历时2个多月，但一筹莫展，与此同时，“中国产品质量不行”的说法开始蔓延。

紧急关头，东方锅炉想起了有着长期合作关系的周昊教授并上门求助。“从法国回来之后我就开始研究油气燃烧以及相关振动研究，听了初步介绍后我觉得是燃烧声学振动问题。”2005年周昊申请成功了国家自然科学基金“燃烧热声不稳定的优化控制方法机理研究”并开展了大量基础实验研究和理论分析。周昊带着实验室研发的热声测试设备奔赴到沙特，在吉达机场海关安检时，沙特海关人员对这些设备左检查右盘问，还好最终顺利过关。

沙特时值酷夏，室外气温50多摄氏度，锅炉边更高达60多度。时间不等人，沙特业主和西方监理要求用数据说话，周昊每天早上7点多到现场，每天上下攀爬锅炉十几次，一个一个观察孔去测量温度、压力脉动、声音，凌晨才离开现场。炉子里面熊熊火焰，炉外气温60多度，大家压力又大，那感觉真像在火上烤。

在取得一大批非常重要的数据后，周昊以有力的证据给出了非常专业的理论分析，提出了引起炉膛振动的原因，并得到了业主和相关专家的认同。“一开始沙特业主并不认可中方，所有的改造都要由西方监理工程师和英国燃烧器厂家开展，毕竟沙特的动力设备主要还是欧美占主导地位，但在听完我们详细的测试分析报告后，业主带头为我们鼓掌，并同意由我们主导对英国生产的燃烧器进行改造。”这是一个重要的转折点，中方终于取得了现场改造主导权。第一次改造后，锅炉自试运行以来第一次实现了660MW满负荷运转，并稳定运行了2个月顺利度过了沙特夏季供电高峰期，之后又经过两轮改造，最终在当年10月彻底解决了振动问题。

为了从欧美企业垄断的中东发电市场拿到第一单，中方企业此前不惜签下了极其苛刻含有拒收条款的合同。但即使如此，沙特业主也只购买了锅炉，燃烧器仍然选用了英国的燃烧器，因为中国贫油，已经很多年没有大型的燃油锅炉投运了，在燃油锅炉的低氮燃烧方面更是空白。振动问题出现后，业主和西方专家中很多人都将原因指向了锅炉，但周昊却用事实告诉所有人，中国产品没有问题，中方用自己的力量解决了这个燃烧振动难题。

2012年11月15日，东方锅炉总经理徐鹏、副总经理霍锁善亲自上门，将一封感谢信送到浙江大学，“浙大热能工程研究所及周昊教授为东方锅炉乃至世界范围内的锅炉炉膛振动问题的研究做出了重大贡献。我们为贵校拥有周昊这样年轻优秀的专家而感到骄傲和自豪！”东方锅炉为此特别授予周昊“感动东锅感动用户”年度人物表彰。

2013年1月，沙特项目联合承包商山东电力建设第三工程公司做出特别决定——授予周昊“总经理特别奖”，“面对锅炉振动这一世界性难题，周昊教授在测量分析、制订方案上实事求是，坚持真理，不怕苦、不怕累，为最终解决锅炉振动做出了巨大贡献。经公司研究决定，授予浙江大学周昊教授山东电建三公司‘总经理特别奖’，以表彰其在解决沙特拉比格项目锅炉振动过程中做出的特殊贡献！”

周昊团队在国际上首创了系统的大型油气炉自激型热声振动控制方法，首次提出了低氮油气燃烧系统中涡团—火焰—声场解耦方法，阐明了火焰稳定盘、火焰分隔板、液体燃料雾化特性等对炉内压力场脉动相位与燃烧热释放率脉动相位脱耦的重要影响，提出了尾涡作用机制、火焰面位置、燃料雾化特性优化策略，并彻底解决了沙特拉比格油炉的燃烧振动问题，成功实现油炉在无任何振动满负荷运行并达到年利用小时超8300小时的满发稳发。

拉比格一役后，周昊并没有止步。燃烧器是锅炉的核心，拉比格项目由于中国没有自己的大型重油燃烧技术，处处受制于人。一定要开发出我国自己的重油低氮防振燃烧技术，用到我国出口全世界的大型油气炉上。周昊投入到自主开发防燃烧振动低NOx旋流燃烧系统关键技术的征途中，并于2016年与东方锅炉合作，成功应用于南美委内瑞拉中央电站600MW油气混烧锅炉，未发生燃烧振动并一次完成168小时运行，完美实现了低氮高效燃烧和防振动的结合。并随后研发了涵盖对冲和切圆燃烧、油煤混烧、油气混烧炉的系列燃烧振动与污染物排放协同控制技术，成功实现了我国对越南、沙特、伊拉克、委内瑞拉等国合计8350MW容量油气炉电站的出口，3年新增销售额125.82亿元，新增利润21.8亿元，年减少NOx排放达7万吨。我国三大锅炉厂均采用了该技术，并实现了我国对中东、南美等国际市场600MW级油气炉电站出口零的突破！

2017年，由周昊作为第一完成人的“大型油气锅炉燃烧振动控制技术”获得了2017年度高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖一等奖。2018年，沙特拉比格电站运行团队飞来杭州，找到周昊，告知现场将油枪换了一个德国厂家的产品但出现了给水管道的振动现象，“这次我们谁都不找了，你的‘baby boiler’感冒了，我们邀请你赶紧去现场看看”，周昊带了两个博士生迅速赶到现场，再次见到熟悉的锅炉，迅速测试分析，3天就确定了问题：新油枪雾化设计过于考虑高效燃烧但忽视了振动考量。数据说话，手到病除，沙特电站总经理竖起了大拇指。

乐观·热爱·未来

热声振动研究的是热和声之间的耦合问题，在沙特拉比格项目之前，国内的很多锅炉专家甚至都不曾听说过这个词，企业生产产品很厉害，面对做过的工程问题的解决也很有优势，但面对没有遇到过的问题，全新的现象，高校就有优势。“因为高校研究院所从理论基础做起，具有面向学科国际前沿、优秀研究生多等优势，基础研究工作总是走在前面。当企业面对全新的工程问题无可借鉴时，高校研究队伍已经做好了相应的准备。”

周昊说，基础研究很重要，同时只有把基础研究成果应用到实际工程中，和国家、行业的重大需求结合起来，才能“学以致用”，而从实际工程中又可以提炼出新的机理和研究方向，指导基础研究的进一步深入，这样就做到了基础和应用相互促进，实现把论文写在产品上的愿望。所以周昊总是给课题组的研究生说，要重视动手能力、要重视现场。以拉比格项目为例，要没有多年在现场跌打滚爬的经历，如果只会做理论分析，那么看到几十层楼高的锅炉严重振动，自己的小腿肚首先就会发抖了，何谈解决问题呢？同样，如果只会现场调试，不总结提高，不面向学科前沿，也没法用最新的理论和测试调试方法去解决全新的工程问题。

随着21世纪互联网黄金时代的到来，以大数据、人工智能、区块链、5G为代表的新兴技术更是成为了人们争相竞逐的热点。大学生在问，传统的热能行业的发展方向是什么？

“能源行业是国民经济发展的重要支撑，能源行业与人工智能、IT结合起来，能力无限。”周昊说道。智慧能源-物联网、大数据、人工智能等新兴技术与传统能源在生产、传输、存储、消费及能源市场等环节深度融合而诞生，将进一步助力实现我国能源“绿色、低碳、安全、高效”。

正如从事热声振动从2005年开始，7年后遇到了拉比格项目。周昊在2004年完成的博士论文中有不少篇幅就是利用神经网络、支持向量机等数据学习方法进行燃烧优化，并在2018年由Springer出版社出版了英文著作Combustion Optimization based on Computational Intelligence。机会总是给有准备的人，十多年后的今天，智慧能源的春天来到了，华润电力控股有限公司联系到了周昊，双方一拍即合，成立“浙江大学-华润电力智慧能源联合研发中心”，这是华润电力与国内知名高校成立的第一个联合研发中心，双方借此平台将共同推动能源行业的新一轮发展，共同合作开拓智慧能源、储能、能源互联网的美好未来。

“三百六十行，行行出状元，没有落伍的行业，只有落伍的人，人类离不开能源，我们将大数据、人工智能技术与能源结合起来，定能大放光彩，创新永远在路上。”周昊说道。

在教导年轻学生时，周昊总会将科研与教学结合起来，深入产业实践，用最新的科研成果和波澜壮阔的能源巨大工程激发学生的兴趣和抱负。如今，团队毕业的研究生已成为各大企业、高校研究所的中坚力量，在全世界能源行业展露头角，在培养年轻人方面，周昊总是不遗余力，他说：“学生就是我们的未来，世界能源的未来也是属于年轻人的。”