加上高溫高壓 二氧化碳也能當發電“能手”

關注國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項②

相比于水蒸氣發電機組，sCO2發電是一項顛覆性技術，涉及到許多關鍵技術的研發，商業化還需一段時間，但它代表能源動力行業的發展方向。

徐進良

項目負責人、華北電力大學教授、教育部重點實驗室主任

在日前閉幕的中央經濟工作會議上，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年的重點任務之一。

在國家重點研發計劃專項成果中，就有一批煤炭清潔高效利用和新型節能技術。科技日報記者從科技部高技術研究發展中心獲悉，國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項部署的“超高參數高效二氧化碳燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究”項目，由華北電力大學牽頭，取得重要突破。超高參數二氧化碳（簡稱sCO2）燃煤發電系統采用高溫高壓二氧化碳代替水蒸氣，實現動力循環和電力生產。項目最終完成發電效率51%的1000兆瓦（MW）級系統概念設計，為逐步推進大容量超高參數二氧化碳燃煤發電系統示范及應用奠定理論與技術基礎。

與水蒸氣發電相比，可實現快速升降負荷

為做好碳達峰與碳中和，中國承諾2030年左右使二氧化碳（CO2）排放達到峰值，爭取2060年前實現碳中和，這就需要大幅減少CO2排放。

“一方面，發揮煤炭‘壓艙石’作用，支撐清潔煤炭發電。另一方面，大力發展可再生能源，實現多能源互補，保證能源安全。”項目負責人、華北電力大學教授、教育部重點實驗室主任徐進良在接受科技日報記者采訪時表示。

可再生能源發電時大時小、不穩定，“變臉變得快”，導致棄風棄光現象的發生。煤炭發電要跟上這種“變臉”，就需要快速變負荷。

“超高參數二氧化碳煤炭發電由于熱源溫度高，相比于水蒸氣發電機組，具有明顯效率優勢，減少了CO2排放。同時，sCO2發電機組設備少，體積小，機組慣性小，非常靈活，可實現快速升降負荷，這對于水蒸氣發電來說是難以實現的。”徐進良說，sCO2發電對于平衡電網負荷波動，保持供給側和需求側平衡，具有重要意義，是未來發展方向。

基于此，國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項中的“超高參數高效二氧化碳燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究”項目應運而生。

既考慮原始創新，又考慮工程落地需求

記者獲悉，項目旨在研究解決超高參數二氧化碳燃煤系統能量梯級利用、熱力學循環及熱學優化理論，以及關鍵部件能質轉換與傳遞機理的關鍵科學問題，突破鍋爐燃燒及污染物控制、換熱器、透平及一體化系統設計等關鍵技術。

為什么要設定如此的目標？

“在我國發展sCO2燃煤發電過程中，基于我國國情及自主創新指導思想，走與國外不同的技術路線。我們既考慮原始創新，又考慮工程落地需求。”徐進良說。

在目標方面，我們要梳理sCO2煤炭發電和水蒸氣發電，在熱力系統構建、關鍵設備機理、設計、制造及運行方面，哪些是相同的，哪些是不同的，重點要攻克哪些技術難題？

“針對關鍵技術突破，形成系統的熱力系統構建、關鍵設備工作機理、以及經過實驗驗證的理論和方法，支撐我國sCO2煤炭發電事業的發展。”徐進良說，通過研究，需回答采用sCO2煤炭發電在節省煤炭資源、降低二氧化碳排放及經濟性方面的優勢，這些分析需建立在定量數據基礎上。

在循環熱力系統的構建上取得突破

徐進良介紹，項目實施分兩個階段，第一階段是2019年的中期驗收。第二階段是從中期驗收到目前。

第一階段在sCO2煤炭發電循環熱力系統的構建上取得突破性進展。

“超高參數二氧化碳循環最初不是針對煤炭發電提出的。這個循環要用到煤炭發電上，出現了許多新的問題。在項目第一階段，圍繞循環流量大，鍋爐管堵塞引起機組效率下降，以及如何實現煙氣熱量‘吃干榨凈’等關鍵問題，項目提出了鍋爐模塊化設計以及能量復疊利用原理，徹底解決了循環構建方面的難題。”徐進良說。

第二階段在關鍵部件能量傳遞轉化上取得突破。

“最典型的是發現超臨界流體的不均勻物質結構，顛覆了超臨界流體具有均勻流體結構的常規認知，這一發現對于發展關鍵部件設計及運行技術意義重大，大幅提高關鍵設備設計精度并保證安全。”徐進良說。

超臨界態是物質的一種狀態，超臨界流體在自然界和工程上廣泛應用。項目關于超臨界不均勻物質結構的研究也引起國際學術界關注，美國學者在發表的論文中，長篇幅正面引用及評價了本項目工作。

“本項目的工作指導了工程實際，項目理論指導了在華北電力大學建立的超高參數二氧化碳實驗設施的建設，該實驗臺壓力高達26兆帕（MPa），而國際上超高參數二氧化碳數據集中在8MPa左右，難以滿足工程實際的需求，該實驗臺的建立彌補了國際上超高參數二氧化碳傳熱數據的不足。”徐進良說，另外，本項目成果還指導了我國建設的小容量超臨界二氧化碳煤炭機組的研發。

以能解決關鍵科學技術問題為檢驗標準

在徐進良看來，項目取得關鍵突破有三個原因。

第一是“反四唯”的結果，項目實施不以發表論文和專利為指揮棒，而以能真正解決關鍵科學技術問題為檢驗成果的標準。為此，項目組克服困難，大膽創新，取得好的效果。

第二是管理體制的改革，使項目實施更順利。科技部實行“放管服”改革，簡化了項目管理，減少了各類表格的填寫，科研人員有更多時間思考科學技術問題和做研究，提高了研發效率。

第三是項目組實行了“掛圖施工”，項目負責人嚴格按時間節點，督促項目組成員完成研發任務，保證質量，保證各課題間的數據交匯等。

對于未來項目的攻關工作，徐進良認為，相比于水蒸氣發電機組，sCO2煤炭發電是顛覆性技術，涉及到許多關鍵技術的研發，商業化還需一段時間，但它代表能源動力行業的發展方向。

徐進良建議，我國“十四五”期間，應圍繞sCO2煤炭發電，建設綜合性關鍵技術及系統集成平臺，驗證已取得的sCO2煤炭發電理論和方法，取得運行數據，系統評估材料的耐久性，評估sCO2煤炭發電在經濟及環保方面的優勢，為建設商業化的sCO2煤炭發電機組進行技術儲備和奠定基礎。

“同時，著手進行大型sCO2煤炭發電機組發電的設計工作。地方政府和企業也積極加入sCO2發電技術的研發行列，并開辟sCO2太陽能發電、sCO2中高溫余熱發電的新模式。”徐進良說。