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目前世界上，除了少數(shù)風(fēng)、光等發(fā)電技術(shù)之外，絕大多數(shù)發(fā)電都要利用到水這個(gè)工質(zhì)，即使聲名赫赫的核能發(fā)電也不例外。和火力發(fā)電一樣，核能發(fā)電也離不開用水來做工質(zhì)：核能產(chǎn)生的熱量，把水加熱為高溫高壓的水蒸氣，再推動(dòng)發(fā)電機(jī)組來發(fā)電。不管是陸地上的核電站，還是艦船上的核電堆，其原理莫不如此。因此不管是在火電站還是核電站，人們都能夠看到那些顯著的巨大“煙囪”——用來冷卻水的冷卻塔，使水能夠得到循環(huán)利用，保證節(jié)約用水。

而現(xiàn)在，隨著新的發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，以后人們可能在發(fā)電廠就看不到這種巨大的冷卻塔了，因?yàn)橛脕磙D(zhuǎn)換熱能到機(jī)械能的工質(zhì)，不再是水，而是二氧化碳。

12月8號，中國華能集團(tuán)有限公司正式官宣，中國自主研發(fā)的世界參數(shù)最高、容量最大的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，正式投運(yùn)！滿負(fù)荷運(yùn)行期間，最高溫度600℃，最高壓力20兆帕，發(fā)電功率5兆瓦，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

什么叫超臨界呢？

部分物質(zhì)隨著溫度和壓力的變化，會(huì)相應(yīng)地呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種相態(tài)。當(dāng)把處于氣液平衡的物質(zhì)升溫升壓時(shí)，熱膨脹引起液體密度減少，壓力升高使氣液兩相的界面消失，成為均相體系，這一點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。

高于臨界溫度和臨界壓力以上的流體是超臨界流體。超臨界流體處于氣液不分的狀態(tài)，沒有明顯的氣液分界面，既不是液體也不是氣體。超臨界流體具有十分獨(dú)特的物理性質(zhì)，它的黏度低、密度大，有良好的流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱和溶解性能。

和傳統(tǒng)用水做工質(zhì)的發(fā)電機(jī)組相比，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電機(jī)組有什么優(yōu)勢呢？

一、體積小，僅相當(dāng)于蒸汽機(jī)組的1/25

超臨界二氧化碳是一種非常稠密的流體，密度為0.448g/cm，比超臨界水的密度（0.322g/cm）高出近1.4倍。更高的密度會(huì)帶來更高的傳輸效率，相同體積的超臨界二氧化碳比超臨界水更加容易推動(dòng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。

超臨界二氧化碳由于密度大、動(dòng)能大，所需渦輪級數(shù)少，渦輪機(jī)軸向尺寸降低，冷卻器、管路附件尺寸相應(yīng)減小。相同裝機(jī)容量時(shí)，透平發(fā)電機(jī)主軸長度只有蒸汽輪機(jī)的1/25，因而可以顯著壓縮整套發(fā)電機(jī)組的體積。二氧化碳發(fā)電機(jī)組相當(dāng)于蒸汽機(jī)組的1/25是什么概念呢，打個(gè)比方來看，普通的私家車長度大概4~5米左右，而火車車廂長約26米。因此兩種機(jī)組的比較就相當(dāng)于私家車和火車車廂的比較。

這種發(fā)電技術(shù)對于艦船來說，有著極大的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)榕灤瑑?nèi)部空間有限，特別是航空母艦核電配有的龐大蒸汽發(fā)電機(jī)組占據(jù)了寶貴的空間，二氧化碳發(fā)電機(jī)組的極低體積，對于艦船特別是航空母艦等軍用艦船來說有著舉足輕重的意義。

二氧化碳循環(huán)發(fā)電機(jī)組

二、效率高，發(fā)電效率增3-5%

超臨界二氧化碳循環(huán)無相變，壓縮過程中壓縮功有效減小，只占渦輪輸出功的30%，燃?xì)廨啓C(jī)則高達(dá)50%~60%。測算表明，在600℃溫度下，發(fā)電效率比蒸汽機(jī)組高3～5個(gè)百分點(diǎn)。

三、污染小，減少10%碳排放

水的臨界溫度374℃ ，臨界壓力22.1MPa，而二氧化碳臨界溫度為僅為31.26℃，臨界壓力為僅72.9atm，｛1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=0.101325兆帕(mpa)｝，和水相比，二氧化碳的臨界條件可以說是極低，很輕易就達(dá)到了。不同的臨界條件，所需要的燃料數(shù)量自然不同，廢棄物的排放自然就低。從華能的數(shù)據(jù)來看，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%。

四、調(diào)峰容易，可實(shí)現(xiàn)0～100%全負(fù)荷調(diào)峰

由于水的臨界條件較高，在用電峰谷差大時(shí)，電網(wǎng)的調(diào)峰幅度和難度較大。以我國邢臺電廠8號機(jī)組(國產(chǎn)200MW)為例,一個(gè)調(diào)峰周期在8個(gè)小時(shí)左右，為節(jié)省時(shí)間還需要保持一定的溫度和壓力，升速至滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)最快都需要90分鐘，一次調(diào)峰經(jīng)濟(jì)損失為92噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

而二氧化碳的臨界條件低，調(diào)峰容易，可實(shí)現(xiàn)0～100%全負(fù)荷調(diào)峰。

據(jù)微信公眾號“中國華能”說，自2014年起，華能在沒有任何相關(guān)借鑒技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，花了整整7年時(shí)間，成功攻克了包括循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建等多個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題，自主設(shè)計(jì)制造出包括超臨界二氧化碳鍋爐等多個(gè)關(guān)鍵裝置，核心設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到100%，申請專利超過400項(xiàng)。