中核集团超临界二氧化碳发电机组，指标好得不可思议，又一个极为重要的科技突破

12月20日贵州六盘水"超碳一号"全球首次商业运行。各类科技新闻很多，很容易就不当回事了，但是这个指标好到不可思议了。

二氧化碳发电其实就是传统发电厂的水蒸气发电机组，换成二氧化碳。这么一换，发电原理就完全不同了。水蒸气发电有相变，从液到气循环，二氧化碳发电无相变，效率要高得多。

水蒸气发电就是人类用了140多年的"烧开水"模式，叫朗肯循环（Rankine Cycle）。煤、天然气、核反应堆等燃料在锅炉中将水加热成高温高压水蒸气； 高压水蒸气高速喷向汽轮机叶片，推动汽轮机旋转，热能转为机械能，发电机转子旋转，电磁感应产生电能；做完功的低压水蒸气进入冷凝器，冷却变回液态水，给水泵打回锅炉，再次加热，循环往复。

水蒸气发电极为常见，火力发电厂、核电厂、还有工业余热发电。但是，理论上二氧化碳要牛得多，对应的原理叫布雷顿循环（Brayton Cycle）。

低温低压的二氧化碳进入压缩机，被快速压缩升压，气体的绝热压缩功耗很低，刚到“超临界”状态，73个大气压，二氧化碳密度接近液体、粘度接近气体，但不是液体；然后高压二氧化碳进入换热器，吸收外部热源热量，可以是钢铁厂烧结烟气余热（六盘水这次就是），太阳能光热、核能、地热能都行，等压加热压力不变，无相变，温度几百度；高温高压的超临界二氧化碳进入透平膨胀机，绝热膨胀，高速气流推动透平叶片旋转，通过发电机转化为电能；做完功的乏汽从透平排出，还有点温度，进入回热器进行余热回收，进一步利用能量；余热回收后，二氧化碳进入冷却器降温，恢复到初始的低温低压状态，准备下一次循环。

这里的大招是啥？超临界二氧化碳密度接近液体、粘度接近气体，是极为理想的发功介质，推动叶片旋转效率极高，比水蒸气强多了，余热场景发电效率提升85%以上！而且无需庞大的锅炉和冷凝系统，设备体积可缩小至1/10到1/25。场地需求减小50%，在原有发电基础上，每年还可以多发电7000万千瓦时以上，年现金流增加近5000万元，三年收回投资。

项目总设计师中核集团首席科学家黄彦平用生动比喻解释该过程：

"想象为向一个钢铁容器里吹气，随着气体越来越多，容器里的气体密度和压力越来越大，再给容器内部升温，形成高温高压气体。这个时候，给容器开一个小孔，高温高压气体快速喷出，从而实现推动发电机转动发电。而冲出的气体还可以再被吹进容器，从而重复这个过程。"

为啥二氧化碳比水蒸气强这么多？因为水蒸气循环能量传递路径长，液态、气态、做功、冷凝，每个环节都有能量损失；而二氧化碳无相变损耗、无冷凝浪费。最大一项差异，还是水从液态加热到气态，需消耗大量汽化潜热，这部分能量在冷凝器中又被释放，无法转化为功，浪费的约占燃料热值的35-40%，无法可想。

二氧化碳发电机组这么好，为啥以前没有商用，中国最先突破？因为技术门槛太高了，要在73个大气压条件下运行，对材料耐压性、密封性要求严苛，中国被技术封锁。压缩机、透平机、换热器制造工艺复杂，"超碳一号"历经15年攻关才实现商业化。系统需要精确控制压力和温度，运行控制策略复杂，需定制化开发，匹配不同热源。所以现在还是中小功率示范项目，"超碳一号"2×15MW，百兆瓦级和更高温度还需技术验证。产业链配套需要高精度制造工艺，密封是关键，没有高水平工业基础不行。

美国能源部知道二氧化碳发电机组厉害，2017年列为能源领域战略性前沿技术第2位。但是美国工业基础不行了，中国被封锁反而都补齐了，就搞出来了。

远期来说，二氧化碳发电机组会在600度以上的高温热源发电领域替换水蒸气。后者退守中低温市场，旧的发电厂不拆也会用。在工业余热市场，会100%替代，经济性无可比拟。