“超碳”登場，發(fā)電不再“燒開水”

來源：光明日報

作者：黃彥平

從首次蒸汽發(fā)電至今，人類利用“燒開水”獲取電力已有140余年。截至目前，蒸汽發(fā)電仍是現代火力發(fā)電廠與核電廠的主要發(fā)電方式，即便在現役的核動力航母等尖端裝備上，同樣離不開“蒸汽做功”。難怪網友調侃：人類科技的盡頭就是燒開水。

圖片來源：攝圖網

然而，以蒸汽為循環(huán)工質的發(fā)電技術面臨效率瓶頸，而體積大、系統(tǒng)復雜的固有特點又限制了其在中小功率領域的應用。但隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術的出現，“燒開水”發(fā)電將迎來質變。

什么是超臨界二氧化碳？它有何厲害之處，能勝過發(fā)電元老——蒸汽？

物質的常見狀態(tài)有固、液、氣三態(tài)，對于二氧化碳而言，當溫度超過31℃、壓力升高至73個大氣壓以上時，就會進入超臨界狀態(tài)，此時的二氧化碳既像液體一樣密度高，做功能力強，又像氣體一樣黏度低，流動阻力小。

超臨界二氧化碳發(fā)電技術就是以超臨界態(tài)的二氧化碳作為工質，實現從熱能到電能的轉換。由于超臨界二氧化碳工質的特殊物質屬性，該發(fā)電技術具有高效率的核心技術優(yōu)勢。其理論發(fā)電效率可以突破50%。我們的研發(fā)經驗表明，該技術可填補世界范圍內中小功率規(guī)模、中高溫熱源場景的高效發(fā)電技術空白，實現節(jié)能降碳，推動能源結構的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。

得益于超臨界二氧化碳的獨特物性，該發(fā)電技術的機組體積小、能量密度高，可有效減少設備數量和體積，有助于模塊化集成部署。以我國自主研發(fā)的“超碳一號”系統(tǒng)為例，主要設備僅有壓氣機、膨脹機、冷卻器、回熱器和熱源換熱器，機組體積較傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電機組減少一半，且操控簡單、運維成本低。更重要的是，超臨界二氧化碳發(fā)電技術應用范圍非常廣泛，是光熱發(fā)電、工業(yè)余熱利用、新型儲能等多個先進能源領域的共性前沿技術。

既然超臨界二氧化碳發(fā)電有諸多優(yōu)勢，為何蒸汽發(fā)電卻“獨領風騷”百余年？簡言之，該技術要實現工業(yè)應用存在三大挑戰(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、耐腐蝕性強的換熱器來彌補其換熱能力不足的短板。這不僅需要設計全新的換熱構型，還要解決毫米級薄板的高強度大面積非連續(xù)焊接問題。為此，我們采用真空擴散焊工藝，自主研制系列化工業(yè)母機——大尺寸擴散焊機，實現了超臨界二氧化碳換熱設備全國產、型譜化研制，攻克了高效、緊湊換熱設備的工程級研制難題。

其次是密封難。發(fā)電過程中，高溫高壓的超臨界二氧化碳推動渦輪機高速旋轉，要保障它盡可能少地向環(huán)境泄漏工質，系統(tǒng)的密封結構必須做到耐高溫高壓、耐磨損。我們研發(fā)了“特種材料+內冷卻”專用干氣密封技術，通過氣流控制建立穩(wěn)定氣隙，解決了這個全球性難題。

最后是控制難。在閉式熱力循環(huán)系統(tǒng)中，某個設備得“流感”，別的設備也會被“傳染”。超臨界二氧化碳發(fā)電響應速度快，如何控制好設備間的協(xié)同關系，阻斷“流感”的傳播？我們研制并驗證了面向多應用場景，具備多功能、多型式的型譜化樣機，根據設備特性量身定制控制方案，開發(fā)出一套綜合動態(tài)控制系統(tǒng)，打通了創(chuàng)新技術走向工程應用的全路徑。

前不久，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組——超碳一號成功商運。作為全球首臺15兆瓦超臨界二氧化碳發(fā)電示范機組，相比現役燒結余熱蒸汽發(fā)電機組，超碳一號的場地占用減少50%，凈發(fā)電量提升50%以上，每年可多發(fā)7000余萬度電。如果將其應用于全國的燒結余熱發(fā)電機組改造，預計每年可節(jié)約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放約1285萬噸。

助力傳統(tǒng)工業(yè)全面綠色轉型的同時，超臨界二氧化碳發(fā)電技術正在新型能源體系構建中大展拳腳。

太陽能與風能等新能源具有間歇性和波動性特點，不僅存在棄風、棄光現象，也給電網調度安全帶來挑戰(zhàn)。為破解這一難題，我們啟動了“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項目。該項目充分利用風光大基地棄電，將低溫熔鹽加熱至近600攝氏度，儲存熱能；再通過高溫熔鹽驅動超臨界二氧化碳動力循環(huán)，將熱能轉化為電能，充分利用超臨界二氧化碳發(fā)電技術具有的響應迅速、轉換效率高等優(yōu)勢，為新型電網提供調峰調頻調慣量的新手段，進一步提升電網運行的穩(wěn)定性與安全性。

當前，超臨界二氧化碳發(fā)電技術已成為全球能源科技攻關的前沿領域。面對日趨激烈的國際競爭，我們必須持續(xù)攻關新技術，在保持技術水平國際領先地位的同時，發(fā)掘更多應用場景，為傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉型和能源科技自立自強貢獻力量。