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由傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電技術構筑的“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”成功突破四大關鍵技術。超臨界二氧化碳發(fā)電，一個全新的發(fā)電技術概念走進大眾視野。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)電技術系統(tǒng)簡單，具有高效率、超緊湊、快響應等核心優(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。經(jīng)過十余年攻關，我國的超臨界二氧化碳發(fā)電技術產(chǎn)學研體系基本建立，全國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈條基本成型，不存在“卡脖子”技術風險，具備全面工程應用條件。”中核集團首席科學家、中國核動力研究設計院“超碳一號”總設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)電技術后續(xù)的大規(guī)模商運，不僅將對鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生深遠影響，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、地熱發(fā)電、生物質發(fā)電等其他余熱利用行業(yè)帶來深刻技術變革。通過采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術進行余熱回收，年上網(wǎng)電量可以提升50%以上。如果將這項技術應用于全國的燒結余熱改造，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)電技術正在領跑，這也是世界范圍內超臨界二氧化碳發(fā)電技術首次實現(xiàn)工程化應用。

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）有限責任公司。該項目是中國核動力研究設計院與濟鋼集團國際工程技術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余熱發(fā)電示范工程。相比現(xiàn)役燒結余熱蒸汽發(fā)電技術，“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生產(chǎn)力。在原燒結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（簡稱“超碳”技術）被美國MIT評為“全球十大突破性技術”，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）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)電技術的出現(xiàn)，“燒開水”這種熱電轉換方式有望迎來質變。

“水蒸氣是循環(huán)做功過程中能量傳遞和熱功轉換的傳統(tǒng)工作介質。但水蒸氣密度低，相變過程復雜，迫切需要尋找新工質、新技術。經(jīng)過國內外同行大量的綜合研究，超臨界二氧化碳脫穎而出。它不僅密度遠高于水蒸氣，且來源廣泛、性質穩(wěn)定、安全無毒，工業(yè)應用基礎好。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，再給容器內部升溫，形成高溫高壓環(huán)境，使內能大大增加。這個時候，給容器開一個小孔，高溫高壓的氣體快速噴出，推動一個風車拖動發(fā)電機轉動，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。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換的高效介質，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)電技術具備高效率、超緊湊、快響應等技術優(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)設備高度緊湊，體積功率密度大。由于超臨界二氧化碳工質密度高，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)輔助設備少，有助于模塊化集成部署。

快響應上，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。結合設備本身小型化的特點，系統(tǒng)內大熱惰性設備少，有利于熱量快速傳遞與轉換，顯著降低啟停與響應時間，非常適合間歇性熱源。

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

資料顯示，中國核動力研究設計院自2009年起率先在國內開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術研究，經(jīng)過十余年的艱難探索，先后完成“兩機三器一系統(tǒng)”從設計、制造到集成的關鍵技術攻關。2019年10月，中國核動力研究設計院全球首次實現(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，中國核動力研究設計院與濟鋼集團國際工程技術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。首臺機組預計今年11月底實現(xiàn)滿功率發(fā)電。

在超臨界二氧化碳發(fā)電技術研發(fā)過程中，中國核動力研究設計院還聯(lián)合了東方電氣(21.350, 0.00, 0.00%)集團、西北工業(yè)大學、清華大學、四川大學等國內優(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初創(chuàng)企業(yè)，具備了不依賴國外的精細設計和成套供貨能力，并開始向產(chǎn)學研用結合的技術創(chuàng)新體系轉進。

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月獲批國家能源領域首臺套重大技術裝備，預計2026年上半年在新疆開工建設。

西安打造小型“超碳”動力技術創(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，西安交通大學正全力打造小型“超碳”動力技術創(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能源科學與技術研究院，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。

西安交通大學能動學院教授、杭州沈式-西安交大先進能源動力技術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)四大關鍵技術突破。

第一，在系統(tǒng)構型設計及參數(shù)匹配技術方面，提出了系統(tǒng)熱力學分析評估方法，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計技術方面，提出了高效渦輪氣動熱力及安全耦合設計方法，研制了原理樣機。

第三，在超緊湊換熱器全局多目標優(yōu)化設計技術方面，提出了熱-流-固耦合、動態(tài)分析及全局多目標優(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，西安交通大學白博峰教授團隊是國內為數(shù)不多具備超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)全鏈條研究及設計能力的研究團隊，已在關鍵部件研制、系統(tǒng)構型設計與集成、系統(tǒng)控制策略制定、系統(tǒng)樣機測試等關鍵領域取得了重大技術突破。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)電技術有望從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，迎來應用加速落地。

由西安交通大學與杭州沈氏節(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。先進能源動力技術研究院將圍繞超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電等關鍵技術及裝備國產(chǎn)化，組建“科學家+工程師”聯(lián)合團隊，開展協(xié)同攻關。與此同時，還將圍繞工程換熱、新型電池開展科研攻關。

作為我國重要的印刷電路板式換熱器（PCHE）供應商之一，沈氏科技在高效換熱技術領域具備從研發(fā)設計到規(guī)?；圃斓娜湕l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，成為全球主要供應商之一。與西安交通大學共建研究院，將聚焦超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術、新型電池及高效工程換熱等關鍵方向，推動產(chǎn)學研深度融合。”

“先進能源動力技術研究院在小型化、小功率運行的分布式發(fā)電領域更具優(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，已得到國家認可和任務安排。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“超碳”技術研究如火如荼，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)電技術列為國家能源領域戰(zhàn)略性前沿技術。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)跟進相關應用研究，涉及太陽能光熱、燃煤發(fā)電、工業(yè)余熱發(fā)電、燃氣發(fā)電、碳捕集與儲存等領域。