從首次蒸汽發(fā)電至今，人類利用“燒開(kāi)水”獲取電力已有140余年。截至目前，蒸汽發(fā)電仍是現(xiàn)代火力發(fā)電廠與核電廠的主要發(fā)電方式，即便在現(xiàn)役的核動(dòng)力航母等尖端裝備上，同樣離不開(kāi)“蒸汽做功”。難怪網(wǎng)友調(diào)侃：人類科技的盡頭就是燒開(kāi)水。
然而，以蒸汽為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電技術(shù)面臨效率瓶頸，而體積大、系統(tǒng)復(fù)雜的固有特點(diǎn)又限制了其在中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用。但隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，“燒開(kāi)水”發(fā)電將迎來(lái)質(zhì)變。
什么是超臨界二氧化碳？它有何厲害之處，能勝過(guò)發(fā)電元老——蒸汽？
物質(zhì)的常見(jiàn)狀態(tài)有固、液、氣三態(tài)，對(duì)于二氧化碳而言，當(dāng)溫度超過(guò)31℃、壓力升高至73個(gè)大氣壓以上時(shí)，就會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)，此時(shí)的二氧化碳既像液體一樣密度高，做功能力強(qiáng)，又像氣體一樣黏度低，流動(dòng)阻力小。
超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)就是以超臨界態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從熱能到電能的轉(zhuǎn)換。由于超臨界二氧化碳工質(zhì)的特殊物質(zhì)屬性，該發(fā)電技術(shù)具有高效率的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其理論發(fā)電效率可以突破50%。我們的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)可填補(bǔ)世界范圍內(nèi)中小功率規(guī)模、中高溫?zé)嵩磮?chǎng)景的高效發(fā)電技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。
得益于超臨界二氧化碳的獨(dú)特物性，該發(fā)電技術(shù)的機(jī)組體積小、能量密度高，可有效減少設(shè)備數(shù)量和體積，有助于模塊化集成部署。以我國(guó)自主研發(fā)的“超碳一號(hào)”系統(tǒng)為例，主要設(shè)備僅有壓氣機(jī)、膨脹機(jī)、冷卻器、回?zé)崞骱蜔嵩磽Q熱器，機(jī)組體積較傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電機(jī)組減少一半，且操控簡(jiǎn)單、運(yùn)維成本低。更重要的是，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛，是光熱發(fā)電、工業(yè)余熱利用、新型儲(chǔ)能等多個(gè)先進(jìn)能源領(lǐng)域的共性前沿技術(shù)。
既然超臨界二氧化碳發(fā)電有諸多優(yōu)勢(shì)，為何蒸汽發(fā)電卻“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”百余年？簡(jiǎn)言之，該技術(shù)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用存在三大挑戰(zhàn)。
首先是熱傳遞難。超臨界二氧化碳的表面換熱能力較差，只有水的1/3左右，需要采用高比表面積、高承壓能力、耐腐蝕性強(qiáng)的換熱器來(lái)彌補(bǔ)其換熱能力不足的短板。這不僅需要設(shè)計(jì)全新的換熱構(gòu)型，還要解決毫米級(jí)薄板的高強(qiáng)度大面積非連續(xù)焊接問(wèn)題。為此，我們采用真空擴(kuò)散焊工藝，自主研制系列化工業(yè)母機(jī)——大尺寸擴(kuò)散焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了超臨界二氧化碳換熱設(shè)備全國(guó)產(chǎn)、型譜化研制，攻克了高效、緊湊換熱設(shè)備的工程級(jí)研制難題。
其次是密封難。發(fā)電過(guò)程中，高溫高壓的超臨界二氧化碳推動(dòng)渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，要保障它盡可能少地向環(huán)境泄漏工質(zhì)，系統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)必須做到耐高溫高壓、耐磨損。我們研發(fā)了“特種材料+內(nèi)冷卻”專用干氣密封技術(shù)，通過(guò)氣流控制建立穩(wěn)定氣隙，解決了這個(gè)全球性難題。
最后是控制難。在閉式熱力循環(huán)系統(tǒng)中，某個(gè)設(shè)備得“流感”，別的設(shè)備也會(huì)被“傳染”。超臨界二氧化碳發(fā)電響應(yīng)速度快，如何控制好設(shè)備間的協(xié)同關(guān)系，阻斷“流感”的傳播？我們研制并驗(yàn)證了面向多應(yīng)用場(chǎng)景，具備多功能、多型式的型譜化樣機(jī)，根據(jù)設(shè)備特性量身定制控制方案，開(kāi)發(fā)出一套綜合動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，打通了創(chuàng)新技術(shù)走向工程應(yīng)用的全路徑。
前不久，全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組——超碳一號(hào)成功商運(yùn)。作為全球首臺(tái)15兆瓦超臨界二氧化碳發(fā)電示范機(jī)組，相比現(xiàn)役燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電機(jī)組，超碳一號(hào)的場(chǎng)地占用減少50%，凈發(fā)電量提升50%以上，每年可多發(fā)7000余萬(wàn)度電。如果將其應(yīng)用于全國(guó)的燒結(jié)余熱發(fā)電機(jī)組改造，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約483萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放約1285萬(wàn)噸。
助力傳統(tǒng)工業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型的同時(shí)，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)正在新型能源體系構(gòu)建中大展拳腳。
太陽(yáng)能與風(fēng)能等新能源具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，不僅存在棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，也給電網(wǎng)調(diào)度安全帶來(lái)挑戰(zhàn)。為破解這一難題，我們啟動(dòng)了“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目充分利用風(fēng)光大基地棄電，將低溫熔鹽加熱至近600攝氏度，儲(chǔ)存熱能；再通過(guò)高溫熔鹽驅(qū)動(dòng)超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，充分利用超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)具有的響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，為新型電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻調(diào)慣量的新手段，進(jìn)一步提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。
當(dāng)前，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)已成為全球能源科技攻關(guān)的前沿領(lǐng)域。面對(duì)日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我們必須持續(xù)攻關(guān)新技術(shù)，在保持技術(shù)水平國(guó)際領(lǐng)先地位的同時(shí)，發(fā)掘更多應(yīng)用場(chǎng)景，為傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和能源科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量。
（作者：黃彥平，系中核集團(tuán)首席科學(xué)家、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院超碳一號(hào)總設(shè)計(jì)師）
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