全球首臺商用機組調(diào)試成功 超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)“破局”

由傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電技術(shù)構(gòu)筑的“行業(yè)壁壘”正在被打破。

 

在貴州六盤水，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組“超碳一號”11月9日在首鋼水城鋼鐵完成并網(wǎng)調(diào)試。在陜西西咸新區(qū)，運行近一年的“超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗平臺”成功突破四大關(guān)鍵技術(shù)。超臨界二氧化碳發(fā)電，一個全新的發(fā)電技術(shù)概念走進大眾視野。而由其衍生的系列成果，正在全國加速落地。

 

“超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)簡單，具有高效率、超緊湊、快響應(yīng)等核心優(yōu)勢，是光熱、工業(yè)余熱、核能、儲能等多個先進能源產(chǎn)業(yè)的共性戰(zhàn)略前沿技術(shù)。經(jīng)過十余年攻關(guān)，我國的超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)產(chǎn)學(xué)研體系基本建立，全國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈條基本成型，不存在“卡脖子”技術(shù)風(fēng)險，具備全面工程應(yīng)用條件。”中核集團首席科學(xué)家、中國核動力研究設(shè)計院“超碳一號”總設(shè)計師黃彥平接受中國工業(yè)報記者采訪時表示。

 

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)后續(xù)的大規(guī)模商運，不僅將對鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，還有望為化工、水泥、造紙、火力發(fā)電、太陽能(4.510, 0.00, 0.00%)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等其他余熱利用行業(yè)帶來深刻技術(shù)變革。通過采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)進行余熱回收，年上網(wǎng)電量可以提升50%以上。如果將這項技術(shù)應(yīng)用于全國的燒結(jié)余熱改造，預(yù)計每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸。

 

全球首臺商用“超碳”機組落戶六盤水

 

“超碳一號”的出現(xiàn)，代表著中國超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)正在領(lǐng)跑，這也是世界范圍內(nèi)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)首次實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

 

記者獲悉，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組“超碳一號”落戶貴州六盤水首鋼水城鋼鐵（集團）有限責(zé)任公司。該項目是中國核動力研究設(shè)計院與濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司共同推進的全球首套2×15兆瓦超臨界二氧化碳燒結(jié)余熱發(fā)電示范工程。相比現(xiàn)役燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，“超碳一號”在余熱利用率上提升超過50%，年發(fā)電量提升85%。

 

“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余萬度電，發(fā)電收入多出近3千萬元。”黃彥平介紹。

 

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)（簡稱“超碳”技術(shù)）被美國MIT評為“全球十大突破性技術(shù)”，可大幅提升能源利用效率，降低碳排放。相比傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)可在提升效率的同時，顯著減小系統(tǒng)體積。

 

蒸汽發(fā)電是現(xiàn)代火力發(fā)電廠和核電廠的主要發(fā)電方式，是現(xiàn)代文明（蒸汽機、電氣技術(shù)）的核心推動力。從第一次工業(yè)革命開始，人類利用“燒開水”獲取動力已有200余年歷史。而伴隨超臨界二氧化發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，“燒開水”這種熱電轉(zhuǎn)換方式有望迎來質(zhì)變。

 

“水蒸氣是循環(huán)做功過程中能量傳遞和熱功轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)工作介質(zhì)。但水蒸氣密度低，相變過程復(fù)雜，迫切需要尋找新工質(zhì)、新技術(shù)。經(jīng)過國內(nèi)外同行大量的綜合研究，超臨界二氧化碳脫穎而出。它不僅密度遠(yuǎn)高于水蒸氣，且來源廣泛、性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒，工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)好。其臨界壓力適中，臨界溫度接近環(huán)境溫度，更重要的是，系統(tǒng)可實現(xiàn)全流程無相變，這為提升效率和系統(tǒng)緊湊性帶來了革命性優(yōu)勢。”黃彥平介紹。

 

“想象你正在往一個鋼鐵容器里吹氣，隨著吹的氣越來越多，容器里的氣體密度和壓力越來越大，再給容器內(nèi)部升溫，形成高溫高壓環(huán)境，使內(nèi)能大大增加。這個時候，給容器開一個小孔，高溫高壓的氣體快速噴出，推動一個風(fēng)車拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)發(fā)電的目的。沖出的氣體再被吹進容器重復(fù)這個過程。”黃彥平表示，二氧化碳在超臨界狀態(tài)下密度變大，接近液體，使得它能儲存更多能量，如同一個“壯漢”，比起傳統(tǒng)水蒸氣“肌肉”更多。而且它的黏度很低，接近氣體，意味著流動阻力更小。這兩個特質(zhì)配合起來，就像騎自行車時蹬車的人力氣大，蹬得快，還給自行車鏈條上了潤滑油，一腳下去能讓車多騎出去很遠(yuǎn)。簡言之，“超碳一號”是把“燒開水”換成了燒超臨界二氧化碳這種能量轉(zhuǎn)換的高效介質(zhì)，從而實現(xiàn)了發(fā)電效率的大幅提升。

 

據(jù)了解，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)具備高效率、超緊湊、快響應(yīng)等技術(shù)優(yōu)勢。

 

高效率上，理論效率可突破50%，在中高溫下效率高于傳統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)。此外，冷端溫度可通過常規(guī)冷卻實現(xiàn)，對冷卻水的需求較少。

 

超緊湊上，系統(tǒng)設(shè)備高度緊湊，體積功率密度大。由于超臨界二氧化碳工質(zhì)密度高，做功能力強，整體體積可降低至蒸汽輪機的十分之一。同時采用高效緊湊的微通道擴散焊換熱器進一步縮小體積。此外，系統(tǒng)輔助設(shè)備少，有助于模塊化集成部署。

 

快響應(yīng)上，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)簡單，熱力過程少且無相變，流程大幅簡化。結(jié)合設(shè)備本身小型化的特點，系統(tǒng)內(nèi)大熱惰性設(shè)備少，有利于熱量快速傳遞與轉(zhuǎn)換，顯著降低啟停與響應(yīng)時間，非常適合間歇性熱源。

 

“高效率、超緊湊、快響應(yīng)的超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)適用于多種場景。一方面，可以助力傳統(tǒng)工業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型；另一方面，可以加快構(gòu)建新型能源體系。”黃彥平說。

 

資料顯示，中國核動力研究設(shè)計院自2009年起率先在國內(nèi)開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研究，經(jīng)過十余年的艱難探索，先后完成“兩機三器一系統(tǒng)”從設(shè)計、制造到集成的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2019年10月，中國核動力研究設(shè)計院全球首次實現(xiàn)了兆瓦級超臨界二氧化碳發(fā)電裝置滿功率穩(wěn)定發(fā)電。2023年10月，中國核動力研究設(shè)計院與濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司簽訂了示范工程合同，啟動貴州六盤水超臨界二氧化碳發(fā)電示范工程的建設(shè)。首臺機組預(yù)計今年11月底實現(xiàn)滿功率發(fā)電。

 

在超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研發(fā)過程中，中國核動力研究設(shè)計院還聯(lián)合了東方電氣(21.350, 0.00, 0.00%)集團、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、四川大學(xué)等國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)和高校團隊，孵化了以陜西智拓固相增材制造有限公司、成都一通密封有限公司為代表的高新技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)，具備了不依賴國外的精細(xì)設(shè)計和成套供貨能力，并開始向產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系轉(zhuǎn)進。

 

除了該示范項目，“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項目也于2024年啟動，2025年8月獲批國家能源領(lǐng)域首臺套重大技術(shù)裝備，預(yù)計2026年上半年在新疆開工建設(shè)。

 

西安打造小型“超碳”動力技術(shù)創(chuàng)新高地

 

自主研制超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)綜合試驗平臺，西安交通大學(xué)正全力打造小型“超碳”動力技術(shù)創(chuàng)新高地。

 

11月18日，中國工業(yè)報記者實地前往位于中國西部科技創(chuàng)新港的西安交通大學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)研究院，探訪了成功運行近一年的超臨界二氧化碳（CO?）循環(huán)發(fā)電試驗平臺。

 

西安交通大學(xué)能動學(xué)院教授、杭州沈式-西安交大先進能源動力技術(shù)研究院院長白博峰向中國工業(yè)報記者介紹，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗平臺已實現(xiàn)四大關(guān)鍵技術(shù)突破。

 

第一，在系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計及參數(shù)匹配技術(shù)方面，提出了系統(tǒng)熱力學(xué)分析評估方法，解決了熱源、冷源、部件、系統(tǒng)匹配問題。

 

第二，在一體式核心機融合設(shè)計技術(shù)方面，提出了高效渦輪氣動熱力及安全耦合設(shè)計方法，研制了原理樣機。

 

第三，在超緊湊換熱器全局多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方面，提出了熱-流-固耦合、動態(tài)分析及全局多目標(biāo)優(yōu)化方法，研制了多款超緊湊超臨界二氧化碳熱換器原理樣機。

 

第四，在系統(tǒng)動態(tài)特性分析及控制技術(shù)方面，提出了系統(tǒng)動態(tài)全工況控制策略，研制了發(fā)電系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)及智能化控制軟件。

 

記者獲悉，西安交通大學(xué)白博峰教授團隊是國內(nèi)為數(shù)不多具備超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)全鏈條研究及設(shè)計能力的研究團隊，已在關(guān)鍵部件研制、系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計與集成、系統(tǒng)控制策略制定、系統(tǒng)樣機測試等關(guān)鍵領(lǐng)域取得了重大技術(shù)突破。由該團隊研發(fā)的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗平臺，已成功運行發(fā)電。

 

“高校+企業(yè)”共建研究院，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)有望從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，迎來應(yīng)用加速落地。

 

由西安交通大學(xué)與杭州沈氏節(jié)能科技股份有限公司（以下簡稱“沈氏科技”）共建的“先進能源動力技術(shù)研究院”日前完成前期籌備工作，邁入正式運行階段。先進能源動力技術(shù)研究院將圍繞超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)及裝備國產(chǎn)化，組建“科學(xué)家+工程師”聯(lián)合團隊，開展協(xié)同攻關(guān)。與此同時，還將圍繞工程換熱、新型電池開展科研攻關(guān)。

 

作為我國重要的印刷電路板式換熱器（PCHE）供應(yīng)商之一，沈氏科技在高效換熱技術(shù)領(lǐng)域具備從研發(fā)設(shè)計到規(guī)模化制造的全鏈條能力，將為超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)提供核心換熱部件與技術(shù)保障。

 

沈氏科技董事長沈衛(wèi)立表示，“目前，公司已實現(xiàn)PCHE換熱器等核心產(chǎn)品的國產(chǎn)化突破，成為全球主要供應(yīng)商之一。與西安交通大學(xué)共建研究院，將聚焦超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)、新型電池及高效工程換熱等關(guān)鍵方向，推動產(chǎn)學(xué)研深度融合。”

 

“先進能源動力技術(shù)研究院在小型化、小功率運行的分布式發(fā)電領(lǐng)域更具優(yōu)勢，更擅長兆瓦級及以下超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)，已得到國家認(rèn)可和任務(wù)安排。未來四年，我們將致力于實現(xiàn)核心機、透平-壓縮-發(fā)電機一體化，并在傳統(tǒng)工業(yè)中高度集成，克服技術(shù)難點，支撐發(fā)電系統(tǒng)自主化落地。”白博峰透露。

 

值得一提的是，國內(nèi)“超碳”技術(shù)研究如火如荼，國外勢頭亦持續(xù)旺盛。

 

美國能源局2015年將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)列為國家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性前沿技術(shù)。2017年列為第2位，進行長期持續(xù)投資。截至目前，美國政府+企業(yè)已投入數(shù)億美元經(jīng)費開展工業(yè)級驗證和示范。日本、法國、韓國、加拿大、捷克等國也持續(xù)跟進相關(guān)應(yīng)用研究，涉及太陽能光熱、燃煤發(fā)電、工業(yè)余熱發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、碳捕集與儲存等領(lǐng)域。