全球首臺(tái)超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組12月20日在貴州六盤水正式投入商運(yùn)，這也是超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術(shù)“超碳一號(hào)”的全球示范工程。專家介紹，這項(xiàng)技術(shù)的核心在于利用超臨界狀態(tài)下二氧化碳密度高、黏度小、無(wú)相變的特質(zhì)，極大提升能量轉(zhuǎn)換效率、縮小發(fā)電設(shè)備體積、減少設(shè)施運(yùn)維成本，是一種顛覆性的發(fā)電技術(shù)。
本次商運(yùn)意味著全球首次將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向商業(yè)落地，具有里程碑意義。但你可能好奇，這“超臨界二氧化碳”究竟是什么意思？跟我“呼出的二氧化碳”是一回事嗎？難不成，有了這項(xiàng)技術(shù)，在家就可以實(shí)現(xiàn)“電能自給自足”？真是這樣嗎？總臺(tái)中國(guó)之聲記者王澤華來(lái)到位于四川成都的中核集團(tuán)中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院尋找答案。
記者：怎么算超臨界狀態(tài)？
宮厚軍：超臨界狀態(tài)就看不出這個(gè)泡了，你看著又像氣又像液，但是已經(jīng)沒有這個(gè)界面。
記者：它會(huì)有顏色上的區(qū)別嗎？
宮厚軍：顏色上的區(qū)別，只是光線的折射率會(huì)有一些變化。
在“超碳一號(hào)”副總設(shè)計(jì)師宮厚軍的指引下，記者來(lái)到中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院超臨界二氧化碳物性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，這里可謂是這一項(xiàng)目的“孵化器”，一系列與超臨界二氧化碳發(fā)電相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)都在此進(jìn)行。
△透過(guò)觀察窗，記者看到正在加熱、升壓的二氧化碳（王澤華/攝）
在內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)裝置上，透過(guò)觀察窗，可以清晰地看到正在加熱、升壓的二氧化碳。一道清晰的界限懸浮在觀察窗內(nèi)，就好似下方是黃色的“液體”，而上方是透明的“氣體”一樣。
宮厚軍：在大氣當(dāng)中，二氧化碳是一種氣體的狀態(tài)；如果說(shuō)我們把二氧化碳進(jìn)一步降溫，降到零下幾十度后，它就會(huì)變成固態(tài)，就是我們平時(shí)用的干冰；把二氧化碳進(jìn)一步加壓，氣態(tài)會(huì)逐步液化。如果說(shuō)進(jìn)一步提高它的溫度、壓力，達(dá)到31攝氏度、73個(gè)大氣壓以上的時(shí)候，它就變成超臨界狀態(tài)。
隨著宮厚軍的講述，實(shí)驗(yàn)裝置逐步將二氧化碳的溫度和壓力升高到特定參數(shù)，觀察窗內(nèi)的那道界限完全消失，變成一片淡黃色。宮厚軍介紹，這種狀態(tài)的二氧化碳，就是超臨界二氧化碳，它看起來(lái)既像液態(tài)又像氣態(tài)，同時(shí)也兼具液態(tài)和氣態(tài)的特質(zhì)，那就是密度高、黏度小，是一種非常理想的發(fā)電工質(zhì)。
宮厚軍：密度很大，它的密度可以達(dá)到每立方幾百公斤，但是它的黏度又非常小，跟氣體的黏度是相近的。由于單位體積的密度大、質(zhì)量高，所以它的做功能力很強(qiáng)，我們現(xiàn)在就是利用了這種超臨界態(tài)的二氧化碳工質(zhì)密度大、黏性小的性質(zhì)來(lái)發(fā)電。
超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置
什么是超臨界二氧化碳，似乎懂了。但是，怎么利用它來(lái)發(fā)電呢？宮厚軍解釋，自從人類發(fā)明蒸汽機(jī)以來(lái)，通過(guò)燃燒燃料，將水蒸氣中的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的“密碼”就已解開；而19世紀(jì)末，隨著電力應(yīng)用的興起，通過(guò)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，也已習(xí)以為常。時(shí)至今日，核電站，也遵循了利用核能“燒開水”進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)路徑。難道，人類文明只會(huì)“花式燒開水”嗎？宮厚軍說(shuō)，超臨界二氧化碳發(fā)電和水蒸氣發(fā)電完全不同。
宮厚軍：我們傳統(tǒng)的水蒸氣發(fā)電，是將水燒成水蒸氣；但是我們現(xiàn)在是把二氧化碳這種很容易獲得的工業(yè)氣體加溫加壓來(lái)循環(huán)發(fā)電。高溫高壓的超臨界二氧化碳具有很高的能量，它在透平機(jī)里面膨脹，高速的流體催動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹之后，它的壓力和溫度會(huì)降低，這個(gè)能量差就是輸出的電能。我們會(huì)把它再壓縮、再到熱源里面加熱，把它能量提起來(lái)，進(jìn)入下一個(gè)發(fā)電循環(huán)。
△全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組三維示意圖
所以，超臨界二氧化碳發(fā)電，或許還不像大家想象的，直接用人們呼出的二氧化碳來(lái)發(fā)電那么簡(jiǎn)單。然而，“燒開水”，用的是各種各樣的燃料；加熱二氧化碳，熱源又來(lái)自哪里呢？“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平表示，這就要提到這種發(fā)電方式的一大特點(diǎn)——具備豐富的耦合性。
黃彥平：輸入的能量可以是各種各樣的，比如說(shuō)工業(yè)廢熱，重工業(yè)里面有鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)，還有玻璃行業(yè)、焦炭行業(yè)，都有很多的廢熱。以往的廢熱都是從大煙囪里排掉了，這時(shí)我們可以把這些廢熱收集起來(lái)作為熱源，開展余熱發(fā)電。也可以跟核反應(yīng)堆耦合，這套發(fā)電技術(shù)更多適配于第四代核反應(yīng)堆，比如鈉冷堆、高溫氣冷堆、鉛鉍快堆、熔鹽堆等。前端只要有能量，能夠把二氧化碳升高到一定的溫度，比如說(shuō)400度以上，就具備利用該技術(shù)進(jìn)行發(fā)電的能力。
前端有熱源，“燒開水”不也能發(fā)電嗎？為啥要選二氧化碳呢？黃彥平表示，這種技術(shù)相比水蒸氣發(fā)電還有四大顯著優(yōu)勢(shì)。
黃彥平：第一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是能量轉(zhuǎn)化效率是比較高的，其理論效率可以突破50%；二氧化碳超臨界狀態(tài)本身密度比較大，所以發(fā)電用的透平機(jī)可以做到蒸汽輪機(jī)的1/10，整個(gè)系統(tǒng)可以做得非常小；再一個(gè)是負(fù)荷響應(yīng)特別快，傳統(tǒng)的發(fā)電廠一般只有3%的爬坡速率，我們可以做到10%，要快速提高到另外一個(gè)功率水平的話，它的響應(yīng)完成時(shí)間要比水蒸氣發(fā)電快得多；此外，它是一個(gè)閉式循環(huán)，維護(hù)比較方便，運(yùn)維人員的配置也會(huì)相應(yīng)減少。
△全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組廠房外景
位于貴州六盤水的全球首臺(tái)超臨界二氧化碳發(fā)電示范項(xiàng)目，就是將這套技術(shù)與當(dāng)?shù)劁搹S相結(jié)合，利用鋼鐵行業(yè)釋放出的工業(yè)余熱來(lái)發(fā)電，凈發(fā)電量比鋼廠原來(lái)采用的水蒸氣發(fā)電模式提高50%以上。而在新疆，這套技術(shù)也正在應(yīng)用于當(dāng)?shù)毓夥惋L(fēng)電的“棄電消納”領(lǐng)域，將新能源棄電，通過(guò)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)轉(zhuǎn)化成熱能，再在夜間等發(fā)電低谷時(shí)發(fā)電，削峰填谷。黃彥平表示，未來(lái)，這套效率高、系統(tǒng)緊湊、輔助系統(tǒng)少、響應(yīng)快的發(fā)電技術(shù)，必將推動(dòng)能源技術(shù)革新，創(chuàng)造新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，助力我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
黃彥平：在我國(guó)積極推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)能夠與國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)深度融合。它不僅能夠?qū)⒐夥L(fēng)電等波動(dòng)性新能源“轉(zhuǎn)存”為穩(wěn)定電力，更在鋼鐵等傳統(tǒng)高耗能行業(yè)開辟出節(jié)能改造的新路徑。我們初步估算，國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)就有上千套余熱發(fā)電機(jī)組可以進(jìn)行更換。這不僅是技術(shù)的迭代，更是對(duì)工業(yè)體系綠色轉(zhuǎn)型的有力驅(qū)動(dòng)，將為落實(shí)“雙碳”目標(biāo)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系注入強(qiáng)勁動(dòng)力。
△超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)
