日前，我国“超碳一号”示范工程成功实现商用超临界二氧化碳机组发电，领先全球5年！
这里是位于贵州六盘水的首钢水城钢铁厂2×15兆瓦烧结余热发电机组。从外表看，与其他烧结余热发电机组无太大差别，但实际上却有天壤之别。它首次采用超临界二氧化碳作为热力循环介质实现高效发电，是全球首台商用超临界二氧化碳发电机组，被命名为“超碳一号”示范工程。
中核集团首席科学家、超碳一号总设计师黄彦平：我们是国际上唯一能把机组做到满发长期稳定可靠运行的团队，“超碳一号”也是全球第一次能够实现工业化商运的团队。
记者：领先别人多少？
黄彦平：明确的是五年。
黄彦平：超临界二氧化碳发电技术是21世纪发电技术的最前沿。如果我们处于领先地位，中国能够一直保持在这一技术的领先位置。
目前，在工业余热发电、火力发电以及核电等传统发电领域，主流技术是蒸汽机发电，采用水作为热力循环介质，将水烧成蒸汽后推动汽轮机发电。而超临界二氧化碳发电技术则是将烧开水改为烧超临界二氧化碳，通过加温加压推动涡轮机发电。
黄彦平：这张图基本展示了目前我们所有动力构型的设计结构。
记者：从哪里开始？
黄彦平：一般从热源开始。在“超碳一号”中，是烟气换热器。
黄彦平：简单来说，就是利用余热，二氧化碳在管道内部流动，管道外部加热，将二氧化碳加热。
记者：二氧化碳流动路径如何？
黄彦平：二氧化碳由加热（吸热）进入透平机，释放能量，推动涡轮机转动并带动发电机发电。
超临界二氧化碳发电技术具有效率高、体积小、响应快、节能环保等颠覆性优势。以“超碳一号”示范工程为例，设备场地仅占原有蒸汽发电机组的一半，但发电效率提升超过85%，净发电量提升50%以上。这些优势以及突破传统发电技术场景局限的能力，使该技术在传统发电、新能源储能及特殊发电领域拥有广泛应用前景。
黄彦平与超临界二氧化碳发电技术结缘始于2009年。一次专题研讨会上，他收到核动力领域资深专家孙玉发院士转交的一张手写纸条，指出该技术具有研究潜力可深入探索。当时，黄彦平作为中国核动力研究设计院的核心科研带头人，主要研究第四代核电超临界水冷堆技术。
超临界二氧化碳发电的理论基础形成于20世纪中后期。21世纪初，随着提升能源效率的需求增加，该技术逐渐聚焦于发电应用。黄彦平带领团队开始研究时，工程化应用尚属空白。
黄彦平：我前期花了三年时间，深入研究热能动力基础理论，确认技术完全可行。首要难题是换热技术，不攻克大型换热装备，这种动力系统就无法落地。
超临界二氧化碳发电技术核心挑战在于系统回热量大，而二氧化碳的换热能力仅为水的三分之一左右。要实现高效发电，必须具备足够的换热面积。因此，研制具有超大换热面积，同时满足耐压、耐腐蚀多重要求的新型换热器成为关键。研制该换热器需依靠真空扩散焊机，但团队最初在国内寻遍厂家无人能做到。
黄彦平：2016年，为了加快原理机落地，我们从英国采购了一台扩散焊机，用其焊接设备，成本极高。但此后就无人愿出售给我们了。这激励我们团队自己动手开发。后来在西工大找到一位材料焊接专家教授，他理论上认同可行。非常感谢这些早期合作的专家。我们也希望国内有更多团队共同开发，这种新技术越多参与越好。
黄彦平：这项技术在许多场景均有应用潜力，如果有很多人参与，灵感和突破也才会层出不穷。用简单话说，就是“抱团取暖”。当初2013年我提出超临界二氧化碳发电时，别人都觉得我神经病，二氧化碳不就是排放气体吗？怎么可能用于发电？如今，这一质疑已不再存在，国际上确认这是真实可行且处于前沿的技术。
历时7年，在有限科研经费支持下，黄彦平团队完成了基础理论研究和试验平台搭建。2016年，超临界二氧化碳发电技术进入实验室测试阶段。
2019年初，技术进入关键的小规模发电验证阶段。接连失败让黄彦平经历科研生涯最煎熬的时刻。
黄彦平：当时担心前期大量资金都打了水漂，压力巨大，头发花白，感觉前功尽弃了，难以坚持下去。
2019年10月某个凌晨，正在北京出差的他接到实验室团队负责人电话。
黄彦平：电话那头说“成了”，我当时手抖，几乎无言以对。那天凌晨三点多，团队成员中许多人都哭了，太难了。随后我赶回实验室，看到系统满功率稳定运行，情况非常好。我们立刻上报，这是国际上第一个成功运行这种机器的案例。
黄彦平带领团队成功实现兆瓦级超临界二氧化碳系统满功率稳定发电，标志我国该技术实验室阶段取得重要突破。
黄彦平：我们的成果很快被国际知晓。其最大意义不仅是技术本身，更是一种精神支持。新技术如果没人带头实践，许多科研人员心理难免焦虑。
超临界二氧化碳发电技术逐渐受到国际重视，2017年美国将其列为国家能源领域战略性前沿技术第2位。国内也将该技术纳入《“十四五”能源领域科技创新规划》，作为国家重点推进的前沿能源技术之一。
黄彦平：大家质疑技术的长期稳定性，我的回应是，唯一办法就是制造一台机器持续运行。这台机器每天水电费接近20万元。
高昂的运行费用使后续验证试验异常困难。2022年8月，济钢国际董事长高忠升寻求商业合作，成为转机。
黄彦平：许多人不愿意当第一个吃螃蟹的，我问他三个问题：这是不是新技术？你有资金吗？有厂址吗？这三点缺一不可。
合作达成后，2023年底，“超碳一号”示范工程在首钢水城钢铁厂破土动工，将超临界二氧化碳发电技术应用于钢铁厂烧结余热发电。
历经两年艰辛，“超碳一号”示范工程成功投产。项目每年可新增发电量7000余万千瓦时，带来近三千万元发电收入。
黄彦平：通过“超碳一号”工程化，我彻底将技术从原理到工程应用串联起来。实验室做的大规模试验资金上亿元，但电厂必须持续运转，这样就用别人的余热发电，企业赚钱，我们的系统也得到了验证。项目已连续稳定运行超过3000小时，标志我们科研工作成功迈出了实验室，在工业场景完成了多项工程化实验。
（羊城晚报•羊城派综合自小央视频、央视新闻）
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