近日，由中國(guó)華能集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的,，世界參數(shù)最高,、容量最大，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組,，在華能西安熱工院順利完成72小時(shí)試運(yùn)行,，并正式投運(yùn)。這項(xiàng)技術(shù)或?qū)氐赘淖內(nèi)祟?lèi)傳統(tǒng)熱力發(fā)電方式,，讓發(fā)電變得更加清潔,、高效。

看到這里,，或許有很多朋友就有疑惑了,，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電和普通的發(fā)電有什么不一樣，又難在哪里呢,？今天我就和大家聊一聊超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù),。

火力發(fā)電原理

從人類(lèi)發(fā)明了蒸汽機(jī)并將它作為動(dòng)力機(jī)開(kāi)始，人類(lèi)便進(jìn)入了工業(yè)化時(shí)代。蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械,。其中的蒸汽指的便是水蒸汽，對(duì)此人們也經(jīng)常調(diào)侃,，人類(lèi)能夠發(fā)展至今,，始終離不開(kāi)“燒開(kāi)水”模式，火力發(fā)電也是如此,，人們燒水發(fā)電已經(jīng)持續(xù)了140多年的歷史,。

我們先簡(jiǎn)單講一講傳統(tǒng)火力發(fā)電的原理?；鹆Πl(fā)電主要包括三個(gè)系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng),、汽水系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)。

燃燒系統(tǒng)主要是利用煤炭燃料進(jìn)行燃燒,，蒸汽系統(tǒng)主要是通過(guò)燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)系統(tǒng)中的循環(huán)水進(jìn)行加熱,，加熱后的水蒸氣會(huì)被傳輸至汽輪機(jī)中，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,。

火力發(fā)電的流程圖

我們知道，溫度越高,，蒸氣的能量就會(huì)越大,，那么就越容易推動(dòng)葉輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此為了提供更大的蒸氣動(dòng)力,，就需要將蒸氣加熱到更加高溫的狀態(tài),。但水在常溫下的沸點(diǎn)只有100℃，想要提高溫度怎么辦呢,？這個(gè)時(shí)候就需要把壓強(qiáng)給提上來(lái),，因?yàn)槲镔|(zhì)的沸點(diǎn)是與壓強(qiáng)有關(guān)系的，壓強(qiáng)越大,，沸點(diǎn)也會(huì)越高,。所以火力發(fā)電蒸氣系統(tǒng)中的蒸氣都是高溫高壓狀態(tài)。

超臨界機(jī)組發(fā)電

不過(guò)火力發(fā)電中高溫高壓的水蒸氣可不一般,，這個(gè)狀態(tài)下的水主要是超臨界流體,，超臨界流體既不是氣態(tài)、也不是液態(tài),，而是出于介于氣態(tài)與液態(tài)之前的超臨界狀態(tài),。超臨界的水具有液態(tài)與氣態(tài)的雙重性質(zhì)，既具有液態(tài)的高密度,，又擁有氣態(tài)的超強(qiáng)流動(dòng)性,。

水的相圖

為了讓你更好地理解什么是超臨界流體，我們可以舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。

假設(shè)一個(gè)密封的容器,，里面裝了一半的水,，現(xiàn)在對(duì)密封容器中的水進(jìn)行加熱，那么內(nèi)部的水會(huì)不停地氣化,，實(shí)際上氣化的水也會(huì)不停地液化,，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。那么如果將溫度不斷升高,，容器中水氣化和液化的速度都會(huì)不斷增大,，水在兩種狀態(tài)之間迅速變化，如果這個(gè)過(guò)程足夠劇烈,，那么氣液界面也將會(huì)逐漸變得模糊,，直至兩種狀態(tài)混為一體，成為一種狀態(tài),，也就是超臨界狀態(tài),。

水的超臨界狀態(tài)條件是可以通過(guò)上面給的相圖看出來(lái)的，水的超臨界條件為：壓力為22.129MPa（約等于218個(gè)大氣壓）,，溫度為374.15℃,，當(dāng)溫度和壓強(qiáng)都大于這兩個(gè)值，那么此時(shí)的水就是超臨界流體,。

超臨界流體流體密度高,，可比氣體大100倍，并且黏性低,，流動(dòng)阻力小,，在推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，推力更大,，能量損耗更小,，因此發(fā)電效率也能夠大大提高。利用超臨界水發(fā)電的機(jī)組也被稱(chēng)為超臨界發(fā)電機(jī)組,。我國(guó)在超臨界發(fā)電已經(jīng)是全球領(lǐng)先,，除了超臨界，還有超超臨界機(jī)組發(fā)電（蒸氣壓強(qiáng)更大）,，溫度可達(dá)600-700℃,。

用超臨界二氧化碳發(fā)電

那么超臨界水用得好好的，為什么要用二氧化碳呢,？

其實(shí)對(duì)比一下兩者的性質(zhì)你就明白了,。利用水進(jìn)行超超臨界機(jī)組發(fā)電，壓強(qiáng)可達(dá)近30兆帕,，相當(dāng)近300個(gè)大氣壓,，另外高溫蒸汽極易腐蝕設(shè)備,，這就需要設(shè)備材料不僅要具有極高的強(qiáng)度，同時(shí)還要有超強(qiáng)的耐腐蝕能力,，發(fā)電條件十分苛刻,。

而二氧化碳的臨界點(diǎn)溫度約為31攝氏度，壓力約為7.8MPa（78個(gè)大氣壓）,，將二氧化碳加壓加溫到這個(gè)臨界點(diǎn)壓力和溫度之上就能得到超臨界二氧化碳 ,。

從數(shù)據(jù)上看，二氧化碳形成超臨界流體,，無(wú)論是溫度還是壓強(qiáng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的臨界點(diǎn)，并且二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定,，工程可實(shí)現(xiàn)性較好,，可在接近室溫條件下達(dá)到超臨界狀態(tài)，因此超臨界二氧化碳也被稱(chēng)為理想的熱力循環(huán)工質(zhì),。

二氧化碳形成超臨界態(tài)瞬間

據(jù)華能西安熱工研究院董事長(zhǎng)蘇立新介紹,，使用超臨界二氧化碳具有多方面的優(yōu)點(diǎn)。首先,，由于超臨界二氧化碳具有更高的密度,，因此在同等發(fā)電量下，超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組具有更小的體積,，僅為普通水蒸氣機(jī)組的1/25大?。徊⑶以?00℃溫度下,，發(fā)電效率比蒸汽機(jī)組高3至5個(gè)百分點(diǎn),；最后是污染小，采用二氧化碳機(jī)組的燃煤電廠,，單位發(fā)電量碳排放強(qiáng)度可減少10%,。

這項(xiàng)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)是中國(guó)華能集團(tuán)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多所頂級(jí)高校、研究院以及各工程建設(shè)單位共同研發(fā),，歷時(shí)近7年,，發(fā)電核心設(shè)備100%國(guó)產(chǎn)，其中涉及的專(zhuān)利就達(dá)400多項(xiàng),，屬于世界領(lǐng)先的地位,。

除了火力發(fā)電，由于二氧化碳發(fā)電靈活性強(qiáng),，未來(lái)二氧化碳還將在新能源領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用,，為中國(guó)的科學(xué)家們點(diǎn)贊！