“超碳”動力技術打造中國創新高地 全球首臺機組調試成功

　　由傳統蒸汽發電技術構筑的“行業壁壘”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電機組“超碳一號”11月9日在首鋼水城鋼鐵完成并網調試。在陜西西咸新區，運行近一年的“超臨界二氧化碳循環發電試驗平臺”成功突破四大關鍵技術。超臨界二氧化碳發電，一個全新的發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。

　　“超臨界二氧化碳發電技術系統簡單，具有高效率、超緊湊、快響應等核心優勢，是光熱、工業余熱、核能、儲能等多個先進能源產業的共性戰略前沿技術。”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報記者采訪時表示，經過十余年攻關，我國的超臨界二氧化碳發電技術產學研體系基本建立，全產業鏈條基本成型，不存在“卡脖子”技術風險，具備全面工程應用條件。

　　超臨界二氧化碳發電技術（簡稱“超碳”技術）后續的大規模商用，不僅將對鋼鐵行業產生深遠影響，還有望為化工、水泥、造紙、火力發電、太陽能發電、地熱發電、生物質發電等其他余熱利用行業帶來深刻技術變革。通過采用超臨界二氧化碳發電技術進行余熱回收，傳統噸礦發電量可以提升1.28倍。如果將這項技術應用于全國的燒結余熱改造，預計每年可節約標準煤約935萬噸，減少二氧化碳排放2488萬噸。

　　全球首臺商用“超碳”機組落戶六盤水

　　“超碳一號”的出現，代表著中國超臨界二氧化碳發電技術正在領跑，這也是世界范圍內超臨界二氧化碳發電技術首次工程化應用。

　　中國工業報記者獲悉，全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組“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電示范工程。相比現役燒結余熱蒸汽發電技術，“超碳一號”在余熱利用率上提升超過50%，年發電量提升85%。

　　“這是真正意義上的新質生產力。在原燒結工藝沒有變化的情況下，每年可多發7000余萬度電，發電收入多出近3千萬元。”黃彥平介紹。

　　超臨界二氧化碳發電技術被美國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。相比傳統蒸汽循環，超臨界二氧化碳循環發電技術可在提升效率的同時，顯著減小系統體積。

　　“水蒸氣是循環做功過程中能量傳遞和熱功轉換的傳統工作介質。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、性質穩定、安全無毒，工業應用基礎好。其臨界壓力適中，臨界溫度接近環境溫度，更重要的是，系統可實現全流程無相變，這為提升效率和系統緊湊性帶來了革命性優勢。”黃彥平介紹。

　　黃彥平表示，二氧化碳在超臨界狀態下密度變大，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，從而實現了發電效率的大幅提升。

　　據了解，超臨界二氧化碳發電技術具備高效率、超緊湊、快響應等技術優勢。

　　高效率上，理論效率可突破50%，在中高溫下效率高于傳統蒸汽朗肯循環（指以水蒸氣作為工質的一種理想循環過程）。此外，冷端溫度可通過常規冷卻實現，對冷卻水的需求較少。

　　超緊湊上，系統設備高度緊湊，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，超臨界二氧化碳發電系統簡單，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。

　　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電技術研究，經過十余年的艱難探索，先后完成“兩機三器一系統”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了兆瓦級超臨界二氧化碳發電裝置滿功率穩定發電。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電示范工程的建設。首臺機組預計今年11月底實現滿功率發電。

　　在超臨界二氧化碳發電技術研發過程中，中國核動力研究設計院還聯合了東方電氣集團、西北工業大學、清華大學、四川大學等國內優勢企業和高校團隊，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企業，具備了不依賴國外的精細設計和成套供貨能力，并開始向產學研用結合的技術創新體系轉進。

　　除了該示范項目，“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電”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”動力技術創新高地

　　自主研制超臨界二氧化碳循環發電系統綜合試驗平臺，西安交通大學正全力打造小型“超碳”動力技術創新高地。

　　11月18日，中國工業報記者實地前往位于中國西部科技創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循環發電試驗平臺。

　　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報記者介紹，超臨界二氧化碳循環發電試驗平臺已實現四大關鍵技術突破。

　　第一，在系統構型設計及參數匹配技術方面，提出了系統熱力學分析評估方法，解決了熱源、冷源、部件、系統匹配問題。

　　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化設計技術方面，提出了熱-流-固耦合、動態分析及全局多目標優化方法，研制了多款超緊湊超臨界二氧化碳熱換器原理樣機。

　　第四，在系統動態特性分析及控制技術方面，提出了系統動態全工況控制策略，研制了發電系統中央控制系統及智能化控制軟件。

　　記者獲悉，西安交通大學白博峰教授團隊是國內為數不多具備超臨界二氧化碳循環發電系統全鏈條研究及設計能力的研究團隊，已在關鍵部件研制、系統構型設計與集成、系統控制策略制定、系統樣機測試等關鍵領域取得了重大技術突破。由該團隊研發的超臨界二氧化碳循環發電試驗平臺，已成功運行發電。

　　“高校+企業”共建研究院，超臨界二氧化碳循環發電技術有望從實驗室走向產業化，迎來應用加速落地。

　　由西安交通大學與杭州沈氏節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發電等關鍵技術及裝備國產化，組建“科學家+工程師”聯合團隊，開展協同攻關。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設計到規模化制造的全鏈條能力，將為超臨界二氧化碳循環發電系統提供核心換熱部件與技術保障。

　　沈氏科技董事長沈衛立表示，“目前，公司已實現PCHE換熱器等核心產品的國產化突破，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發電技術、新型電池及高效工程換熱等關鍵方向，推動產學研深度融合。”

　　“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電領域更具優勢，更擅長兆瓦級及以下超臨界二氧化碳循環發電技術，已得到國家認可和任務安排。未來四年，我們將致力于實現核心機、透平-壓縮-發電機一體化，并在傳統工業中高度集成，克服技術難點，支撐發電系統自主化落地。”白博峰透露。

　　值得一提的是，國內“超碳”技術研究如火如荼，國外勢頭亦持續旺盛。

　　美國能源局2015年將超臨界二氧化碳發電技術列為國家能源領域戰略性前沿技術。2017年列為第2位，進行長期持續投資。截至目前，美國政府+企業已投入數億美元經費開展工業級驗證和示范。日本、法國、韓國、加拿大、捷克等國也持續跟進相關應用研究，涉及太陽能光熱、燃煤發電、工業余熱發電、燃氣發電、碳捕集與儲存等領域。（記者 余娜）

　　轉自：中國工業報

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