相比于水蒸氣發(fā)電機(jī)組，sCO2發(fā)電是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，商業(yè)化還需一段時(shí)間，但它代表能源動(dòng)力行業(yè)的發(fā)展方向。

徐進(jìn)良

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、華北電力大學(xué)教授、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

在日前閉幕的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”被列為2021年的重點(diǎn)任務(wù)之一。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)成果中，就有一批煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)?？萍既?qǐng)?bào)記者從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)部署的“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，由華北電力大學(xué)牽頭，取得重要突破。超高參數(shù)二氧化碳(簡(jiǎn)稱sCO2)燃煤發(fā)電系統(tǒng)采用高溫高壓二氧化碳代替水蒸氣，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)和電力生產(chǎn)。項(xiàng)目最終完成發(fā)電效率51%的1000兆瓦(MW)級(jí)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，為逐步推進(jìn)大容量超高參數(shù)二氧化碳燃煤發(fā)電系統(tǒng)示范及應(yīng)用奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

與水蒸氣發(fā)電相比，可實(shí)現(xiàn)快速升降負(fù)荷

為做好碳達(dá)峰與碳中和，中國(guó)承諾2030年左右使二氧化碳(CO2)排放達(dá)到峰值，爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這就需要大幅減少CO2排放。

“一方面，發(fā)揮煤炭‘壓艙石’作用，支撐清潔煤炭發(fā)電。另一方面，大力發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)，保證能源安全。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、華北電力大學(xué)教授、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任徐進(jìn)良在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

可再生能源發(fā)電時(shí)大時(shí)小、不穩(wěn)定，“變臉變得快”，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生。煤炭發(fā)電要跟上這種“變臉”，就需要快速變負(fù)荷。

“超高參數(shù)二氧化碳煤炭發(fā)電由于熱源溫度高，相比于水蒸氣發(fā)電機(jī)組，具有明顯效率優(yōu)勢(shì)，減少了CO2排放。同時(shí)，sCO2發(fā)電機(jī)組設(shè)備少，體積小，機(jī)組慣性小，非常靈活，可實(shí)現(xiàn)快速升降負(fù)荷，這對(duì)于水蒸氣發(fā)電來說是難以實(shí)現(xiàn)的。”徐進(jìn)良說，sCO2發(fā)電對(duì)于平衡電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，保持供給側(cè)和需求側(cè)平衡，具有重要意義，是未來發(fā)展方向。

基于此，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)中的“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

既考慮原始創(chuàng)新，又考慮工程落地需求

記者獲悉，項(xiàng)目旨在研究解決超高參數(shù)二氧化碳燃煤系統(tǒng)能量梯級(jí)利用、熱力學(xué)循環(huán)及熱學(xué)優(yōu)化理論，以及關(guān)鍵部件能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳遞機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

為什么要設(shè)定如此的目標(biāo)?

“在我國(guó)發(fā)展sCO2燃煤發(fā)電過程中，基于我國(guó)國(guó)情及自主創(chuàng)新指導(dǎo)思想，走與國(guó)外不同的技術(shù)路線。我們既考慮原始創(chuàng)新，又考慮工程落地需求。”徐進(jìn)良說。

在目標(biāo)方面，我們要梳理sCO2煤炭發(fā)電和水蒸氣發(fā)電，在熱力系統(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵設(shè)備機(jī)理、設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行方面，哪些是相同的，哪些是不同的，重點(diǎn)要攻克哪些技術(shù)難題?

“針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)突破，形成系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵設(shè)備工作機(jī)理、以及經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論和方法，支撐我國(guó)sCO2煤炭發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。”徐進(jìn)良說，通過研究，需回答采用sCO2煤炭發(fā)電在節(jié)省煤炭資源、降低二氧化碳排放及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，這些分析需建立在定量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。

在循環(huán)熱力系統(tǒng)的構(gòu)建上取得突破

徐進(jìn)良介紹，項(xiàng)目實(shí)施分兩個(gè)階段，第一階段是2019年的中期驗(yàn)收。第二階段是從中期驗(yàn)收到目前。

第一階段在sCO2煤炭發(fā)電循環(huán)熱力系統(tǒng)的構(gòu)建上取得突破性進(jìn)展。

“超高參數(shù)二氧化碳循環(huán)最初不是針對(duì)煤炭發(fā)電提出的。這個(gè)循環(huán)要用到煤炭發(fā)電上，出現(xiàn)了許多新的問題。在項(xiàng)目第一階段，圍繞循環(huán)流量大，鍋爐管堵塞引起機(jī)組效率下降，以及如何實(shí)現(xiàn)煙氣熱量‘吃干榨凈’等關(guān)鍵問題，項(xiàng)目提出了鍋爐模塊化設(shè)計(jì)以及能量復(fù)疊利用原理，徹底解決了循環(huán)構(gòu)建方面的難題。”徐進(jìn)良說。

第二階段在關(guān)鍵部件能量傳遞轉(zhuǎn)化上取得突破。

“最典型的是發(fā)現(xiàn)超臨界流體的不均勻物質(zhì)結(jié)構(gòu)，顛覆了超臨界流體具有均勻流體結(jié)構(gòu)的常規(guī)認(rèn)知，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)展關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及運(yùn)行技術(shù)意義重大，大幅提高關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)精度并保證安全。”徐進(jìn)良說。

超臨界態(tài)是物質(zhì)的一種狀態(tài)，超臨界流體在自然界和工程上廣泛應(yīng)用。項(xiàng)目關(guān)于超臨界不均勻物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究也引起國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注，美國(guó)學(xué)者在發(fā)表的論文中，長(zhǎng)篇幅正面引用及評(píng)價(jià)了本項(xiàng)目工作。

“本項(xiàng)目的工作指導(dǎo)了工程實(shí)際，項(xiàng)目理論指導(dǎo)了在華北電力大學(xué)建立的超高參數(shù)二氧化碳實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓力高達(dá)26兆帕(MPa)，而國(guó)際上超高參數(shù)二氧化碳數(shù)據(jù)集中在8MPa左右，難以滿足工程實(shí)際的需求，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建立彌補(bǔ)了國(guó)際上超高參數(shù)二氧化碳傳熱數(shù)據(jù)的不足。”徐進(jìn)良說，另外，本項(xiàng)目成果還指導(dǎo)了我國(guó)建設(shè)的小容量超臨界二氧化碳煤炭機(jī)組的研發(fā)。

以能解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

在徐進(jìn)良看來，項(xiàng)目取得關(guān)鍵突破有三個(gè)原因。

第一是“反四唯”的結(jié)果，項(xiàng)目實(shí)施不以發(fā)表論文和專利為指揮棒，而以能真正解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題為檢驗(yàn)成果的標(biāo)準(zhǔn)。為此，項(xiàng)目組克服困難，大膽創(chuàng)新，取得好的效果。

第二是管理體制的改革，使項(xiàng)目實(shí)施更順利。科技部實(shí)行“放管服”改革，簡(jiǎn)化了項(xiàng)目管理，減少了各類表格的填寫，科研人員有更多時(shí)間思考科學(xué)技術(shù)問題和做研究，提高了研發(fā)效率。

第三是項(xiàng)目組實(shí)行了“掛圖施工”，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)點(diǎn)，督促項(xiàng)目組成員完成研發(fā)任務(wù)，保證質(zhì)量，保證各課題間的數(shù)據(jù)交匯等。

對(duì)于未來項(xiàng)目的攻關(guān)工作，徐進(jìn)良認(rèn)為，相比于水蒸氣發(fā)電機(jī)組，sCO2煤炭發(fā)電是顛覆性技術(shù)，涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，商業(yè)化還需一段時(shí)間，但它代表能源動(dòng)力行業(yè)的發(fā)展方向。

徐進(jìn)良建議，我國(guó)“十四五”期間，應(yīng)圍繞sCO2煤炭發(fā)電，建設(shè)綜合性關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成平臺(tái)，驗(yàn)證已取得的sCO2煤炭發(fā)電理論和方法，取得運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評(píng)估材料的耐久性，評(píng)估sCO2煤炭發(fā)電在經(jīng)濟(jì)及環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，為建設(shè)商業(yè)化的sCO2煤炭發(fā)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和奠定基礎(chǔ)。

“同時(shí)，著手進(jìn)行大型sCO2煤炭發(fā)電機(jī)組發(fā)電的設(shè)計(jì)工作。地方政府和企業(yè)也積極加入sCO2發(fā)電技術(shù)的研發(fā)行列，并開辟sCO2太陽能發(fā)電、sCO2中高溫余熱發(fā)電的新模式。”徐進(jìn)良說。