从首次蒸汽发电至今,人类利用“烧开水”获取电力已有140余年。截至目前,蒸汽发电仍是现代火力发电厂与核电厂的主要发电方式,即便在现役的核动力航母等尖端装备上,同样离不开“蒸汽做功”。难怪网友调侃:人类科技的尽头就是烧开水。

 然而,以蒸汽为循环工质的发电技术面临效率瓶颈,而体积大、系统复杂的固有特点又限制了其在中小功率领域的应用。但随着超临界二氧化碳发电技术的出现,“烧开水”发电将迎来质变。

 什么是超临界二氧化碳?它有何厉害之处,能胜过发电元老——蒸汽?

 物质的常见状态有固、液、气三态,对于二氧化碳而言,当温度超过31℃、压力升高至73个大气压以上时,就会进入超临界状态,此时的二氧化碳既像液体一样密度高,做功能力强,又像气体一样黏度低,流动阻力小。

 超临界二氧化碳发电技术就是以超临界态的二氧化碳作为工质,实现从热能到电能的转换。由于超临界二氧化碳工质的特殊物质属性,该发电技术具有高效率的核心技术优势。其理论发电效率可以突破50%。我们的研发经验表明,该技术可填补世界范围内中小功率规模、中高温热源场景的高效发电技术空白,实现节能降碳,推动能源结构的优化和可持续发展。

 得益于超临界二氧化碳的独特物性,该发电技术的机组体积小、能量密度高,可有效减少设备数量和体积,有助于模块化集成部署。以我国自主研发的“超碳一号”系统为例,主要设备仅有压气机、膨胀机、冷却器、回热器和热源换热器,机组体积较传统蒸汽发电机组减少一半,且操控简单、运维成本低。更重要的是,超临界二氧化碳发电技术应用范围非常广泛,是光热发电、工业余热利用、新型储能等多个先进能源领域的共性前沿技术。

 既然超临界二氧化碳发电有诸多优势,为何蒸汽发电却“独领风骚”百余年?简言之,该技术要实现工业应用存在三大挑战。

 首先是热传递难。超临界二氧化碳的表面换热能力较差,只有水的1/3左右,需要采用高比表面积、高承压能力、耐腐蚀性强的换热器来弥补其换热能力不足的短板。这不仅需要设计全新的换热构型,还要解决毫米级薄板的高强度大面积非连续焊接问题。为此,我们采用真空扩散焊工艺,自主研制系列化工业母机——大尺寸扩散焊机,实现了超临界二氧化碳换热设备全国产、型谱化研制,攻克了高效、紧凑换热设备的工程级研制难题。

 其次是密封难。发电过程中,高温高压的超临界二氧化碳推动涡轮机高速旋转,要保障它尽可能少地向环境泄漏工质,系统的密封结构必须做到耐高温高压、耐磨损。我们研发了“特种材料+内冷却”专用干气密封技术,通过气流控制建立稳定气隙,解决了这个全球性难题。

 最后是控制难。在闭式热力循环系统中,某个设备得“流感”,别的设备也会被“传染”。超临界二氧化碳发电响应速度快,如何控制好设备间的协同关系,阻断“流感”的传播?我们研制并验证了面向多应用场景,具备多功能、多型式的型谱化样机,根据设备特性量身定制控制方案,开发出一套综合动态控制系统,打通了创新技术走向工程应用的全路径。

 前不久,全球首台商用超临界二氧化碳发电机组——超碳一号成功商运。作为全球首台15兆瓦超临界二氧化碳发电示范机组,相比现役烧结余热蒸汽发电机组,超碳一号的场地占用减少50%,净发电量提升50%以上,每年可多发7000余万度电。如果将其应用于全国的烧结余热发电机组改造,预计每年可节约标准煤约483万吨,减少二氧化碳排放约1285万吨。

 助力传统工业全面绿色转型的同时,超临界二氧化碳发电技术正在新型能源体系构建中大展拳脚。

 太阳能与风能等新能源具有间歇性和波动性特点,不仅存在弃风、弃光现象,也给电网调度安全带来挑战。为破解这一难题,我们启动了“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目。该项目充分利用风光大基地弃电,将低温熔盐加热至近600摄氏度,储存热能;再通过高温熔盐驱动超临界二氧化碳动力循环,将热能转化为电能,充分利用超临界二氧化碳发电技术具有的响应迅速、转换效率高等优势,为新型电网提供调峰调频调惯量的新手段,进一步提升电网运行的稳定性与安全性。

 当前,超临界二氧化碳发电技术已成为全球能源科技攻关的前沿领域。面对日趋激烈的国际竞争,我们必须持续攻关新技术,在保持技术水平国际领先地位的同时,发掘更多应用场景,为传统工业绿色转型和能源科技自立自强贡献力量。

 (作者:黄彦平,系中核集团首席科学家、中国核动力研究设计院超碳一号总设计师)