相比于水蒸氣發(fā)電機組，sCO2發(fā)電是一項顛覆性技術(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
項目負責人、華北電力大學(xué)教授、教育部重點(diǎn)實(shí)驗室主任
在日前閉幕的中央經(jīng)濟工作會(huì )議上，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年的重點(diǎn)任務(wù)之一。
在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專(zhuān)項成果中，就有一批煤炭清潔高效利用和新型節能技術(shù)?？萍既請笥浾邚目萍疾扛呒夹g(shù)研究發(fā)展中心獲悉，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項部署的“超高參數高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，由華北電力大學(xué)牽頭，取得重要突破。超高參數二氧化碳(簡(jiǎn)稱(chēng)sCO2)燃煤發(fā)電系統采用高溫高壓二氧化碳代替水蒸氣，實(shí)現動(dòng)力循環(huán)和電力生產(chǎn)。項目最終完成發(fā)電效率51%的1000兆瓦(MW)級系統概念設計，為逐步推進(jìn)大容量超高參數二氧化碳燃煤發(fā)電系統示范及應用奠定理論與技術(shù)基礎。
與水蒸氣發(fā)電相比，可實(shí)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(shí)現碳中和，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)現多能源互補，保證能源安全。”項目負責人、華北電力大學(xué)教授、教育部重點(diǎn)實(shí)驗室主任徐進(jìn)良在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示。
可再生能源發(fā)電時(shí)大時(shí)小、不穩定，“變臉變得快”，導致棄風(fēng)棄光現象的發(fā)生。煤炭發(fā)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(fā)電由于熱源溫度高，相比于水蒸氣發(fā)電機組，具有明顯效率優(yōu)勢，減少了CO2排放。同時(shí)，sCO2發(fā)電機組設備少，體積小，機組慣性小，非常靈活，可實(shí)現快速升降負荷，這對于水蒸氣發(fā)電來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現的。”徐進(jìn)良說(shuō)，sCO2發(fā)電對于平衡電網(wǎng)負荷波動(dòng)，保持供給側和需求側平衡，具有重要意義，是未來(lái)發(fā)展方向。
基于此，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項中的“超高參數高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項目應運而生。
既考慮原始創(chuàng )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(xué)循環(huán)及熱學(xué)優(yōu)化理論，以及關(guān)鍵部件能質(zhì)轉換與傳遞機理的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(guān)鍵技術(shù)。
為什么要設定如此的目標?
“在我國發(fā)展sCO2燃煤發(fā)電過(guò)程中，基于我國國情及自主創(chuàng )新指導思想，走與國外不同的技術(shù)路線(xiàn)。我們既考慮原始創(chuàng )新，又考慮工程落地需求。”徐進(jìn)良說(shuō)。
在目標方面，我們要梳理sCO2煤炭發(fā)電和水蒸氣發(fā)電，在熱力系統構建、關(guān)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(diǎn)要攻克哪些技術(shù)難題?
“針對關(guān)鍵技術(shù)突破，形成系統的熱力系統構建、關(guān)鍵設備工作機理、以及經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證的理論和方法，支撐我國sCO2煤炭發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。”徐進(jìn)良說(shuō)，通過(guò)研究，需回答采用sCO2煤炭發(fā)電在節省煤炭資源、降低二氧化碳排放及經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，這些分析需建立在定量數據基礎上。
在循環(huán)熱力系統的構建上取得突破
徐進(jìn)良介紹，項目實(shí)施分兩個(gè)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(fā)電循環(huán)熱力系統的構建上取得突破性進(jìn)展。
“超高參數二氧化碳循環(huán)最初不是針對煤炭發(fā)電提出的。這個(gè)循環(huán)要用到煤炭發(fā)電上，出現了許多新的問(wèn)題。在項目第一階段，圍繞循環(huán)流量大，鍋爐管堵塞引起機組效率下降，以及如何實(shí)現煙氣熱量‘吃干榨凈’等關(guān)鍵問(wèn)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(huán)構建方面的難題。”徐進(jìn)良說(shuō)。
第二階段在關(guān)鍵部件能量傳遞轉化上取得突破。
“最典型的是發(fā)現超臨界流體的不均勻物質(zhì)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(fā)現對于發(fā)展關(guān)鍵部件設計及運行技術(shù)意義重大，大幅提高關(guān)鍵設備設計精度并保證安全。”徐進(jìn)良說(shuō)。
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用。項目關(guān)于超臨界不均勻物質(zhì)結構的研究也引起國際學(xué)術(shù)界關(guān)注，美國學(xué)者在發(fā)表的論文中，長(cháng)篇幅正面引用及評價(jià)了本項目工作。
“本項目的工作指導了工程實(shí)際，項目理論指導了在華北電力大學(xué)建立的超高參數二氧化碳實(shí)驗設施的建設，該實(shí)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(mǎn)足工程實(shí)際的需求，該實(shí)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(jìn)良說(shuō)，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(fā)。
以能解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題為檢驗標準
在徐進(jìn)良看來(lái)，項目取得關(guān)鍵突破有三個(gè)原因。
第一是“反四唯”的結果，項目實(shí)施不以發(fā)表論文和專(zhuān)利為指揮棒，而以能真正解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題為檢驗成果的標準。為此，項目組克服困難，大膽創(chuàng )新，取得好的效果。
第二是管理體制的改革，使項目實(shí)施更順利?？萍疾繉?shí)行“放管服”改革，簡(jiǎn)化了項目管理，減少了各類(lèi)表格的填寫(xiě)，科研人員有更多時(shí)間思考科學(xué)技術(shù)問(wèn)題和做研究，提高了研發(fā)效率。
第三是項目組實(shí)行了“掛圖施工”，項目負責人嚴格按時(shí)間節點(diǎn)，督促項目組成員完成研發(fā)任務(wù)，保證質(zhì)量，保證各課題間的數據交匯等。
對于未來(lái)項目的攻關(guān)工作，徐進(jìn)良認為，相比于水蒸氣發(fā)電機組，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“十四五”期間，應圍繞sCO2煤炭發(fā)電，建設綜合性關(guān)鍵技術(shù)及系統集成平臺，驗證已取得的sCO2煤炭發(fā)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(fā)電在經(jīng)濟及環(huán)保方面的優(yōu)勢，為建設商業(yè)化的sCO2煤炭發(fā)電機組進(jìn)行技術(shù)儲備和奠定基礎。
“同時(shí)，著(zhù)手進(jìn)行大型sCO2煤炭發(fā)電機組發(fā)電的設計工作。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(kāi)辟sCO2太陽(yáng)能發(fā)電、sCO2中高溫余熱發(fā)電的新模式。”徐進(jìn)良說(shuō)。
