11月19日至20日，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院舉辦建院60周年暨紀(jì)念彭士祿院士誕辰百年媒體活動(dòng)。
記者從活動(dòng)上獲悉，位于成都的核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的全球首套工程化超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)“超碳一號(hào)”已完成并網(wǎng)調(diào)試，并進(jìn)入滿功率運(yùn)行沖刺階段，預(yù)計(jì)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿功率發(fā)電。
超碳一號(hào)的出現(xiàn)，代表著中國(guó)的超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)正在領(lǐng)跑?！斑@是世界范圍內(nèi)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)首次工程化應(yīng)用?！背家惶?hào)總設(shè)計(jì)師黃彥平說。
相比現(xiàn)役燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，超碳一號(hào)在余熱利用率上提升超過50%，發(fā)電效率提升42.7%，年發(fā)電量提升84%。
▲超臨界二氧化碳發(fā)電試驗(yàn)裝置
替代水蒸氣
以超臨界態(tài)的二氧化碳發(fā)電
“電力究竟從何而來？”在介紹“超碳一號(hào)”之前，黃彥平拋出了這個(gè)問題。“目前蒸汽發(fā)電仍是現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電廠的主要發(fā)電方式，是否能找到一種能替代水蒸氣的工質(zhì)？”
超臨界二氧化碳就是這樣一個(gè)替代工質(zhì)。隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，“燒開水”發(fā)電這件事迎來質(zhì)變。
什么是超臨界二氧化碳？
黃彥平解釋，水有固、液、氣三態(tài)，隨著環(huán)境的溫度和壓力升高，液、氣兩相界面消失的狀態(tài)點(diǎn)就叫做臨界點(diǎn)，物質(zhì)超過該臨界點(diǎn)后的狀態(tài)就是超臨界態(tài)。二氧化碳也一樣，當(dāng)溫度超過31℃，壓力升高至73個(gè)大氣壓以上，二氧化碳就會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)，即一種連續(xù)的流體狀態(tài)。
把這樣的連續(xù)流體二氧化碳送進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)里，再通過壓縮機(jī)和換熱器把超臨界二氧化碳的壓力和溫度都升上去，這時(shí)候，高溫高壓的二氧化碳就像充了氣的皮球一樣，推動(dòng)機(jī)器旋轉(zhuǎn)起來，進(jìn)而產(chǎn)生電能。
“在超臨界狀態(tài)下的二氧化碳既像液體一樣密度大，又像氣體一樣容易被壓縮，發(fā)電效率也就更高了?！秉S彥平說。
簡(jiǎn)單來說，超碳一號(hào)把“燒開水”換成了燒超臨界二氧化碳這種能量傳遞和轉(zhuǎn)換的高效介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)電效率的大幅提升。
技術(shù)攻關(guān)
擁有自主精細(xì)設(shè)計(jì)和成套供貨能力
“聽起來只是找到一個(gè)替代工質(zhì)，但這背后是十余年來的科研攻關(guān)。”黃彥平說，作為一個(gè)顛覆性發(fā)電技術(shù)，目前各能源技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都在對(duì)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)。
美國(guó)能源局2015年將其列為國(guó)家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，2017年列為第2位，進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)投資；2018年，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)入選《麻省理工科技評(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”。近年來，以美國(guó)為首的能源技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，圍繞化石能源發(fā)電、核能、余熱回收、光熱發(fā)電等不同領(lǐng)域也開展了大量超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研究，希望通過推動(dòng)能源技術(shù)革新打造新一輪的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇和行業(yè)壁壘。
早在2009年，由核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研究員黃彥平帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，就踏上了一段探索超臨界二氧化碳動(dòng)力轉(zhuǎn)換技術(shù)的旅程。當(dāng)時(shí)，全球關(guān)于這一領(lǐng)域的公開研究資料極為有限，而團(tuán)隊(duì)在超臨界水領(lǐng)域的既有經(jīng)驗(yàn)，在面對(duì)超臨界二氧化碳動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，似乎大部分都變得不再適用。
▲超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)
黃彥平推翻已有研究范式，從認(rèn)識(shí)超臨界二氧化碳的本質(zhì)開始，搭建該技術(shù)基礎(chǔ)理論和模型。
面對(duì)關(guān)鍵設(shè)備“壓縮機(jī)”卡脖子的問題，他們聯(lián)合東方電氣參考了燃機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；面對(duì)超臨界二氧化碳換熱器的難關(guān)，他們靠自己計(jì)算分析，不斷試驗(yàn)，用了整整7年時(shí)間，發(fā)明了超臨界二氧化碳能量傳遞技術(shù)工程化的工業(yè)母機(jī)，具備了全系統(tǒng)與微通道換熱器、壓縮機(jī)、透平機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的成套研制能力……十余年間，正是這樣一次又一次“從無(wú)到有”的突破，讓中國(guó)的超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)在國(guó)際上遙遙領(lǐng)先。
最重要的是，每一個(gè)難題的解決，都沒有借鑒國(guó)外技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，使得核動(dòng)力院具備了不依賴國(guó)外的自主精細(xì)設(shè)計(jì)和成套供貨能力。
全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組
預(yù)計(jì)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿功率發(fā)電
歷經(jīng)十余年潛心攻關(guān)，該項(xiàng)研究終于取得重大突破。2019年10月，核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)了全球首次MW級(jí)超臨界二氧化碳發(fā)電裝置滿功率穩(wěn)定發(fā)電。
2023年10月，核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司簽訂了示范工程合同，啟動(dòng)了貴州六盤水超臨界二氧化碳發(fā)電示范工程的建設(shè)。這是全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組“超碳一號(hào)”，預(yù)計(jì)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿功率發(fā)電。
“這是真正意義上的新質(zhì)生產(chǎn)力。在原燒結(jié)工藝沒有變化的情況下，每年可多發(fā)7000余萬(wàn)度電，發(fā)電收入多出3千余萬(wàn)元?！秉S彥平介紹，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于全國(guó)的燒結(jié)余熱改造，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約483萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放1285萬(wàn)噸。
得益于超臨界二氧化碳的物質(zhì)屬性，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)具有效率高、系統(tǒng)緊湊、輔助系統(tǒng)少和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的核心優(yōu)勢(shì)，恰好填補(bǔ)了世界范圍內(nèi)長(zhǎng)期以來中小功率規(guī)模（<50 MWe）、高溫?zé)嵩磮?chǎng)景（>400℃）的能源動(dòng)力技術(shù)空白，且未來有望向更大功率、更高溫應(yīng)用場(chǎng)景拓展。
記者了解到，核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院還于2024年啟動(dòng)了“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)”應(yīng)用示范項(xiàng)目，2025年8月獲批國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)套重大技術(shù)裝備，10月完成可研性報(bào)告外審，預(yù)計(jì)2026年上半年在新疆開工建設(shè)。此外，超臨界二氧化碳還在火力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。
紅星新聞?dòng)浾?彭驚