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)化還需一段時間，但它代表能源動力行業(yè)的發(fā)展方向。
徐進良
項目負責人、華北電力大學教授、教育部重點實驗室主任
在日前閉幕的中央經(jīng)濟工作會議上，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年的重點任務(wù)之一。
在國家重點研發(fā)計劃專項成果中，就有一批煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)。科技日報記者從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉，國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項部署的“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”項目，由華北電力大學牽頭，取得重要突破。超高參數(shù)二氧化碳(簡稱sCO2)燃煤發(fā)電系統(tǒng)采用高溫高壓二氧化碳代替水蒸氣，實現(xiàn)動力循環(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(tǒng)概念設(shè)計，為逐步推進大容量超高參數(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，可實現(xiàn)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，實現(xiàn)多能源互補，保證能源安全。”項目負責人、華北電力大學教授、教育部重點實驗室主任徐進良在接受科技日報記者采訪時表示。
可再生能源發(fā)電時大時小、不穩(wěn)定，“變臉變得快”，導致棄風棄光現(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)電機組，具有明顯效率優(yōu)勢，減少了CO2排放。同時，sCO2發(fā)電機組設(shè)備少，體積小，機組慣性小，非常靈活，可實現(xiàn)快速升降負荷，這對于水蒸氣發(fā)電來說是難以實現(xiàn)的。”徐進良說，sCO2發(fā)電對于平衡電網(wǎng)負荷波動，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，國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項中的“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”項目應(yīng)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(shù)二氧化碳燃煤系統(tǒng)能量梯級利用、熱力學循環(huán)及熱學優(yōu)化理論，以及關(guān)鍵部件能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳遞機理的關(guān)鍵科學問題，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)計等關(guān)鍵技術(shù)。
為什么要設(shè)定如此的目標?
“在我國發(fā)展sCO2燃煤發(fā)電過程中，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。我們既考慮原始創(chuàng)新，又考慮工程落地需求。”徐進良說。
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(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵設(shè)備機理、設(shè)計、制造及運行方面，哪些是相同的，哪些是不同的，重點要攻克哪些技術(shù)難題?
“針對關(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)備工作機理、以及經(jīng)過實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)濟性方面的優(yōu)勢，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
徐進良介紹，項目實施分兩個階段，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(tǒng)的構(gòu)建上取得突破性進展。
“超高參數(shù)二氧化碳循環(huán)最初不是針對煤炭發(fā)電提出的。這個循環(huán)要用到煤炭發(fā)電上，出現(xiàn)了許多新的問題。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，以及如何實現(xiàn)煙氣熱量‘吃干榨凈’等關(guān)鍵問題，項目提出了鍋爐模塊化設(shè)計以及能量復疊利用原理，徹底解決了循環(huán)構(gòu)建方面的難題。”徐進良說。
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)認知，這一發(fā)現(xiàn)對于發(fā)展關(guān)鍵部件設(shè)計及運行技術(shù)意義重大，大幅提高關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計精度并保證安全。”徐進良說。
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。項目關(guān)于超臨界不均勻物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究也引起國際學術(shù)界關(guān)注，美國學者在發(fā)表的論文中，長篇幅正面引用及評價了本項目工作。
“本項目的工作指導了工程實際，項目理論指導了在華北電力大學建立的超高參數(shù)二氧化碳實驗設(shè)施的建設(shè)，該實驗臺壓力高達26兆帕(MPa)，而國際上超高參數(shù)二氧化碳數(shù)據(jù)集中在8MPa左右，難以滿足工程實際的需求，該實驗臺的建立彌補了國際上超高參數(shù)二氧化碳傳熱數(shù)據(jù)的不足。”徐進良說，另外，本項目成果還指導了我國建設(shè)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)鍵科學技術(shù)問題為檢驗標準
在徐進良看來，項目取得關(guān)鍵突破有三個原因。
第一是“反四唯”的結(jié)果，項目實施不以發(fā)表論文和專利為指揮棒，而以能真正解決關(guān)鍵科學技術(shù)問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，使項目實施更順利。科技部實行“放管服”改革，簡化了項目管理，減少了各類表格的填寫，科研人員有更多時間思考科學技術(shù)問題和做研究，提高了研發(fā)效率。
第三是項目組實行了“掛圖施工”，項目負責人嚴格按時間節(jié)點，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(shù)據(jù)交匯等。
對于未來項目的攻關(guān)工作，徐進良認為，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)化還需一段時間，但它代表能源動力行業(yè)的發(fā)展方向。
徐進良建議，我國“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，驗證已取得的sCO2煤炭發(fā)電理論和方法，取得運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)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(shè)商業(yè)化的sCO2煤炭發(fā)電機組進行技術(shù)儲備和奠定基礎(chǔ)。
“同時，著手進行大型sCO2煤炭發(fā)電機組發(fā)電的設(shè)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，并開辟sCO2太陽能發(fā)電、sCO2中高溫余熱發(fā)電的新模式。”徐進良說。
