点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘
首页> 光明科普> 视频 > 正文

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

来源:光明网2025-04-28 09:55

  能源革命浪潮下,清洁发电技术的突破是推动“双碳”目标实现的关键引擎。

  二氧化碳作为导致温室效应增强的主要因素之一,如今却成为了一种变革性发电技术——超临界二氧化碳发电技术的关键载体。

  经过多年的技术攻关与示范应用,由中国核动力研究设计院打造的“超碳一号”即将并网发电。光明网特邀中国核动力院“超碳一号”总设计师黄彦平,从原理到应用,全面解读超临界二氧化碳发电技术。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  光明网:用二氧化碳发电,这背后究竟是什么原理?

  黄彦平:传统的蒸汽发电技术是将水通过热源(煤/天然气/油等)加热转化为蒸汽,推动汽轮机转动,带动发电机产生电能,这已应用140余年。

  超临界二氧化碳发电,是用处于超临界态的二氧化碳,从热源里面吸热,再推动膨胀机或者叫气体透平来发电。它的循环过程是:首先,超临界二氧化碳经过压气机升压;然后,利用换热器将工质等压加热;其次,工质进入膨胀机做功,带动发电机发电;最后,工质进入冷却器,恢复到初始状态,再进入压气机形成闭式循环。

  之所以二氧化碳能成为发电领域的“超级工质”,是因为当二氧化碳被加压至7.38兆帕、加热至31℃时,会进入超越气态和液态物质特性的“超临界态”,兼具高密度和低粘度的双重优势。整个过程中,二氧化碳都处于超临界态,没有相变,做功能力强。

  光明网:超临界二氧化碳发电,安全吗?

  黄彦平:二氧化碳的临界压力是7.38兆帕,也就是73.8个大气压。目前我们研制的“超碳一号”示范机组最高工作压力为23兆帕。而水工质的临界压力在22兆帕左右,超超临界水蒸气机组的工作压力不低于31兆帕。所以,超临界二氧化碳发电机组现在最高的工作压力都比超超临界蒸汽动力机组压力要低。相对于310个大气压的工作系统,230个大气压的工作系统安全性是更高的。

  光明网:超临界二氧化碳发电技术为什么能成为一种变革性发电技术?

  黄彦平:超临界的工质特点和构型特点,使得超临界二氧化碳发电技术在工程上有以下优势:一是高效率。中高温下效率高于传统水蒸气朗肯循环。

  二是超紧凑。得益于该技术所利用的二氧化碳的独特物质特性,机组体积小、重量轻,使得其循环发电装置能够拥有更高的能量密度,这对建设来说也是降低成本的一个方面。这种优势也进一步减少了设备数量。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  像我们研发的“超碳一号”系统主要设备是一个压气机,一个膨胀机,一个冷却器,一个回热器,还有一个换热器,简称“两机三器一系统”。

  三是快响应。超碳发电系统简单,能快速启停和负荷跟踪,适宜间歇式热源。

  光明网:“超碳一号”在研制的过程中遇到了哪些难题?

  黄彦平:超临界二氧化碳有优势,也有短板。最大的一个短板是它的表面换热能力很差,只有水的三分之一左右。所以,我们碰到的第一个难点就是要研制高比表面积的换热器。这种设备除了要增加比表面积,还要让它的承压能力、耐腐蚀性都要好,这需要毫米级薄板的高强度焊接。我们试遍了传统方法,都无法实现。

  非常幸运的是,上个世纪八九十年代,出现了一种真空扩散焊工艺。我们将这项技术用在了超临界二氧化碳换热器的研发上。为此,专门研制了系列化工业母机——大尺寸扩散焊机等设备,实现了超临界二氧化碳换热设备全国产、型谱化研制,而且可以拓展至百兆瓦级,彻底攻克了高效紧凑换热设备的工程级研制难题。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  第一代(左)/第二代(右)兆瓦级超临界二氧化碳发电技术实验装置

  还有一个难点就是控制。超临界二氧化碳有响应快的优势,引入一个热量,可以快速升压,但要做到既能响应快又能可控,这就很难。我们研制并测试验证了面向多应用场景、具备多功能、多型式的型谱化样机,这些都是首次研制。

  2023年,我们联合济钢国际在首钢水钢现场建设了2套15兆瓦超临界二氧化碳余热发电机组。项目中,这项技术的优势展露无遗,场地需求及用水需求降低50%,发电效率提升42.7%,年发电量提升84%。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  可以说,经过十余年的攻关,我国的超临界二氧化碳发电技术产学研体系基本建立,全国产化产业链条基本成型,具备了全面工程应用条件。

  光明网:接下来,还有哪些计划?

  黄彦平:我们现在已经掌握的超临界二氧化碳技术,基本上可以做到从两百千瓦到一百兆瓦这个功率等级。接下来,我们要对不同的应用场景、不同的功率等级规模,进行工程应用的探索,也就是示范。示范成功后,我们就会做标准化设计。这些对降低成本、提高运维能力和水平都是至关重要的。

  作为一项颠覆性技术,不仅仅是一个科学原理上的颠覆,在产业上也要能够带来颠覆性的收益,那才称得上颠覆性技术。

 

记 者

宋雅娟 肖春芳

剪 辑

李怡霏(实习)

[ 责编:田新宇 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 直播丨“网络中国节”新春创享季启动仪式

  • 在澜沧江源,他们“镜”守山河

独家策划

推荐阅读
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
就像为一段混乱的进程找到慢放键,中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。在量子世界中,系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息,最终达到混乱的热平衡状态,该过程被称为“热化”。
2026-02-03 09:37
科技部日前发布的2024年度全国科普统计数据表明:我国科普人员队伍规模持续壮大,2024年全国科普专、兼职人员数量达221.27万,比2023年增长2.62%,其中,科普专职人员29.70万人,科普兼职人员191.57万人。
2026-02-03 09:36
2月2日是第30个“世界湿地日”。我国持续开展湿地保护修复,累计实施3800多个项目,新增和修复湿地面积100余万公顷;实施红树林保护修复和互花米草防治专项行动,累计营造红树林9200公顷,除治互花米草9.73万公顷。
2026-02-03 09:21
X光片显示的一名33岁患者的新肺(左)和旧肺。在这项研究中,Bharat表示,他的团队设计的这套人工肺系统,能够保持血液平稳且持续地流向心脏,从而降低了因血栓引发心脏病的风险。
2026-02-02 09:52
孙纯告诉《中国科学报》,时间规划的“艺术”在于,如何平衡优先和重大项目、自由观测申请项目以及可能突然出现的机遇型项目,让所有科研用户都能满意。再过十余天,孙纯的家人就会到基地与她团聚,而雷政今年终于可以回到遵义老家,与亲友相聚。
2026-02-02 09:51
通过研究月壤,我们可以进行优化模拟,从而更好服务后续探月任务。
2026-02-02 09:50
作者:王黎萤(浙江工业大学中国中小企业研究院副院长)万劲波(中国科学院科技战略咨询研究院研究员)  标准是重要基础性制度,对构建现代化产业体系、建设全国统一大市场等具有重要作用。
2026-02-02 09:37
1日,“砼真砼知”混凝土材料科学大模型在江苏南京首发。中国工程院院士、东南大学首席教授刘加平介绍:“该模型推动混凝土材料研发迈入数据驱动的‘第四范式’,为工程材料领域破解数据、算法、模型关键难题提供了标杆方案,将加速建材产业低碳转型与高质量发展。
2026-02-02 09:36
在分子世界中,有一种化学键如同生命的“缝合线”——它将氨基酸串成蛋白质,把药物分子编织成救命良方,这就是酰胺键。利用这项变革性的生物催化方法,已成功实现了多款明星药物分子的高效、绿色生物生产。
2026-02-02 09:35
为揭示东亚古人类的技术智慧与演化脉络提供了关键证据。
2026-01-30 09:37
中国气象局29日发布《2025年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示:2025年,全国风能资源为正常年景,全国太阳能资源总体为偏小年景。
2026-01-30 03:30
想象一下手电筒的光:柔和而四散,照亮着前方。激光,就像一束训练有素的光——所有光粒子步调一致,朝着同一个方向前进,能量高度集中。这种特性让激光能完成普通光做不到的“精细活”,从超市扫码器到医院手术刀,从光纤通信到舞台灯光秀,背后都有它的身影。
2026-01-30 03:30
加载更多