新型动力循环实现并网里程碑
中国已将全球首台采用超临界二氧化碳技术的商用发电机组接入电网，标志着高效热力发电迈入新阶段。该装置位于贵州六盘水首钢水城钢铁厂内，将钢铁生产产生的高温余热转化为电能。该项目由中国核工业集团有限公司旗下中国核动力研究设计院建设，济钢国际工程技术有限公司提供工程支持，共包括两台机组，额定功率均为15兆瓦。机组使用二氧化碳而非蒸汽作为工质。制造商称，与钢厂常用的传统蒸汽系统相比，这些机组捕获和利用余热的效率至少高出50%。
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这一技术意义重大，因为超临界二氧化碳（通常简称sCO2）有望实现更小型的涡轮机、更快的启动速度，以及在高温条件下更高的热效率。这些特点符合重工业的需求：目前通过烟囱和冷却系统散失的热量，可以转化为稳定的电力来源。同样的特点也适用于下一代核反应堆和聚光太阳能电站，因为每提高一个百分点的效率，都可能降低成本并缩小核心部件的体积。
贵州项目也是对这项技术在实验室之外运行表现的一次检验。炼钢是能耗最高的行业之一，烧结生产线和熔炉会释放大量温度远超700摄氏度（1292华氏度）的热量。回收这些热量有助于改善工厂的能源平衡，并减少从当地电网取电。与蒸汽循环相比，这种技术还可以减少用水量，在水资源紧张的地区尤其有利。
什么是超临界二氧化碳发电，为何重要
超临界二氧化碳是指温度和压力均高于临界点的二氧化碳，其临界点约为31摄氏度和74巴。在这种状态下，二氧化碳是一种兼具气体和液体特性的高密度流体。其高密度使工程师能够建造紧凑型涡轮机和换热器。在sCO2发电系统中，流体在闭式回路中循环，从热源吸收热量，经膨胀通过涡轮机带动发电机旋转，随后在冷却器中放热，再经压缩后返回热源。该回路称为布雷顿循环，与喷气发动机中使用的燃气轮机循环类似，但以二氧化碳为工质，并通过回热器在回路内部循环利用热量。
循环如何运行
在钢厂，烧结及相关工序产生的高温气体流经换热器，将能量传递给sCO2回路。受热的二氧化碳膨胀并通过涡轮机，带动发电机发电。膨胀后，二氧化碳仍携带大量热量，因此会流经回热器，为进入回路的气流预热，从而提高效率。随后，流体在冷却器中释放剩余热量，经压缩后返回换热器，重复这一过程。由于接近临界点的二氧化碳比普通气体更容易压缩，循环所需的压缩能耗较低，有助于提高净效率。
效率与体积优势
传统蒸汽朗肯循环技术成熟、运行可靠，但如果温度和压力不大幅提高，其效率就会趋于平稳，而且设备体积较大。中国项目和国际试点项目的报告显示，高温运行的sCO2循环热效率可超过50%，而在类似工况下，现代蒸汽循环的热效率接近40%。余热利用的具体效率取决于热源温度和设备设计，但sCO2方案能够大幅提高热量转化为电力的比例。此外，由于二氧化碳的密度远高于蒸汽，在相同功率水平下，涡轮机和管道都可以小得多。
钢厂为何是理想的热源
钢厂在烧结、炼焦和热轧过程中消耗大量能源。烧结工序将细矿粉在通常超过700摄氏度的高温下烧结成块。随后，熔炉和废气通道会将热量带出生产流程。超临界二氧化碳回路可通过坚固的换热器截取这股热流，回收原本会被浪费的大量能源。
在工业环境中，这项技术还有其他优势。与蒸汽系统相比，sCO2发电系统用水量很少，因为它不需要大量锅炉给水或湿式冷却塔。二氧化碳作为工质相对惰性，对许多合金的腐蚀性也低于高温蒸汽，因此有助于缓解部分材料方面的难题。闭式回路意味着正常运行时二氧化碳不会排放到外部。系统可能出现少量二氧化碳存量损失，需要进行管理，但并不依赖持续供应新鲜二氧化碳。
对工厂运营者而言，这些特点意味着发电系统占地更小、辅助设备更少，运行也更灵活。与蒸汽系统相比，该系统可以更快启动和停机，适合日间温度会发生变化的生产流程。
能否应用于核能和太阳能发电
许多先进反应堆设计的出口温度适合采用sCO2涡轮机。高温气冷堆、熔盐堆和钠冷快堆的堆芯目标温度都高于压水堆，sCO2技术能够高效利用这些热量。紧凑型涡轮机也适用于小型模块化反应堆，因为这类反应堆优先考虑节省空间和简化设计。
聚光太阳能发电也适用这一技术。这类电站将热量储存在熔盐中，再将热量送入发电系统。中国一项示范计划拟将敦煌一座展示规模的太阳能塔式电站从蒸汽发电改造为sCO2发电系统，以评估供应商的准备情况和设备运行表现。这项工作凸显了两个关键部件：可靠的熔盐至二氧化碳换热器，以及能够处理接近临界点二氧化碳的压缩机组。两者都颇具挑战，但材料、密封件和控制系统的进步正让这些目标逐渐成为现实。
如果换热器和透平机械能在真实电厂中经受住考验，扩大sCO2发电系统规模的路径就会更加清晰。其优势颇具吸引力：更高的循环效率意味着，在电网输出相同的情况下，可以使用更小的太阳能集热场或更小的反应堆堆芯；更低的用水量也能放宽选址限制。
中国如何建成该项目，背后有哪些参与方
贵州项目是中国核动力研究设计院长期研发计划的成果，该院隶属中国核工业集团有限公司。十多年来，该院一直致力于研发sCO2回路、涡轮机、轴承、密封件和控制系统，公布了部件测试结果并建成了试验装置。济钢国际工程技术有限公司负责重工业应用方面的工程合作。项目东道主首钢水城钢铁提供了场地和高品位余热资源。
每台机组的额定功率为15兆瓦。采用两台机组可增加冗余，也让运营者有机会在真实生产条件下测试控制策略。中国核工业集团称，该项目将为重工业和发电领域的后续机组奠定基础，目标是实现模块标准化，以便在不同厂址复制部署。复制推广十分重要，因为设备规模化生产并以最少的定制工作完成安装，才能提升余热发电的经济效益。
专家观点
在中国以外，研究团队和行业企业也在稳步验证sCO2部件和子系统。在得克萨斯州，由美国能源部支持、一个联合体牵头建设的“超临界变革性电力”试验电厂（Supercritical Transformational Electric Power，STEP）是一座10兆瓦电功率设施。该项目于2024年完成第一阶段，展示了集成透平机械和控制系统的全速运行能力。支持该项目的西南研究院研究人员强调，开展集成测试至关重要，压缩机、涡轮机、加热器、冷却器和控制软件必须作为一套完整电厂系统协同运行。
卡内基国际和平基金会高级研究员、研究中国核能领域的马克·希布斯表示，中国正快速推进项目，以展现技术领导力。
中国人推进得非常、非常快。他们非常希望向世界证明，他们的计划势不可挡。
负责西南研究院机械设备部门、参与得克萨斯州试点项目的蒂姆·艾利森，谈到了集成式sCO2发电系统实现全速运行这一里程碑的意义。
集成系统投入运行是一项值得关注的成就。这是在团队成功完成各部件调试工作之后取得的成果，展示了所有设备的协同运行，包括电厂控制系统、压缩机、换热器、加热器、涡轮机和二氧化碳存量管理，以及设施的电力和燃气供应系统、冷却水系统。
仍待解决的工程难题
核心挑战在于制造能够承受高温和高速运行的紧凑型高效涡轮机。学术界和工业界的研究显示，涡轮机转子转速接近每分钟3万至4万转，叶片和机壳所处温度超过600摄氏度。内筒和转子常采用镍基合金和先进钢材，外壳则使用铁素体钢，以兼顾应力控制和成本。材料组合必须在强度、耐腐蚀性和热膨胀之间取得平衡，确保部件间隙保持紧密而不发生摩擦。
密封件和轴承同样重要。干气密封可减少二氧化碳从轴端泄漏，一些设计则探索用气体轴承替代油轴承，以简化润滑系统并避免热方面的问题。一项针对25兆瓦级涡轮机的研究发现，将平衡活塞布置在冷却气体段内，可缩短转子长度、减少泄漏通道并降低机械损失。更紧凑的转子有助于提高稳定性并简化机壳设计。另一种以气体轴承取代油轴承的方案进一步缩短了轴长，也无需单独设置冷却和润滑系统。这些改进有助于提高效率和可靠性。
瞬态过程中对循环的控制是另一个正在积极研究的领域。小规模示范表明，泵速、热输入和负荷变化可能导致压力和流量出现过冲，然后系统才会趋于稳定。工程师会绘制质量流量、压力比和转速的组合图，以确定能够实现最大功率和效率的稳定运行区间。一项小型sCO2涡轮发电机测试在最佳工况下实现了数十千瓦的电功率输出，测得总效率接近59%，体现出这项技术的潜力，也表明它需要精细控制。
在含尘工业气体与洁净二氧化碳回路之间传递能量的换热器，必须能够抵抗污垢积聚和热应力。二氧化碳回路内部的回热器需要采用紧凑、高表面积的设计，在回收热量的同时避免造成较大的压降。压缩机必须在接近二氧化碳临界点的条件下高效运行；在此处，微小的温度变化就可能引起密度波动，如果控制系统响应不够迅速，设备性能便会受到影响。
环境与政策意义
中国承诺在2030年前实现碳排放达峰，并在2060年前实现碳中和。为重工业提供清洁电力是这一计划的核心内容。采用sCO2技术回收余热有双重好处：减少工厂从化石燃料发电的电网获取的净电量，并减少传统蒸汽循环在某些地区所需的大量冷却水。对于核能和太阳能热发电项目而言，更高的效率可直接降低清洁电力成本。
一些分析人士还指出，这项技术可能与碳捕集形成协同效应。理论上，捕集到的二氧化碳可以作为工质供给闭式回路，为部分气体提供一种有用的用途。不过，动力循环需要洁净、干燥的二氧化碳，以保护透平机械并尽量减少腐蚀；而且回路是闭式的，不会持续消耗新的二氧化碳。与碳捕集的任何整合，都将侧重于共用处理、储存和提纯环节，而不是将二氧化碳作为原料燃烧或转化。
这台新发电机也回应了资源约束问题。在冷却水匮乏的干旱地区，节水效果可能十分显著。紧凑型发电系统还可安装在船舶或偏远工业场所，将现场热量转化为现场电力，从而增强能源安全。
全球竞赛及后续发展
美国、欧洲和亚洲的团队都在推进sCO2部件可靠性和电厂集成技术。得克萨斯州STEP项目从部件调试进入集成运行阶段，并在第一阶段实现发电，增强了业界对这项技术能够规模化和重复部署的信心。中国贵州并网机组是首个应用于工业生产流程的商用装置，将提供全天候运行、维护周期以及钢铁生产余热发电经济效益方面的数据。
如果月度和年度运行结果证实相关性能指标，钢厂和水泥厂很可能会部署更多机组。聚光太阳能项目正在评估sCO2发电系统，以缩小涡轮机厂房并提高发电量。先进反应堆设计者计划将sCO2作为默认的能量转换系统，以紧凑型涡轮机和回热器取代体积庞大的蒸汽电厂设备。面向偏远地区的移动式核能设施也能从紧凑设备中受益，而二氧化碳的高密度有助于在给定功率水平下保持涡轮机体积较小。
设备供应链将发挥重要作用。高性能换热器、干气密封和高速发电机必须能够从多个供应商处获得。用于二氧化碳工况的压力容器、管道和密封件相关规范与标准也需要逐步完善。培训运营者安全运行和排查循环系统故障，也是商业化推广的一环。持续开展示范并复制推广，有助于降低成本，推动工厂业主大规模采用这项技术。
要点
- 中国在贵州六盘水一座钢厂将两台15兆瓦超临界二氧化碳机组接入电网。
- 该系统利用钢铁烧结余热发电，据称其余热转化效率至少比蒸汽系统高出50%。
- sCO2循环使用临界点以上的二氧化碳在闭式回路中运行，可实现紧凑型涡轮机，并在高温条件下提高效率。
- 该发电系统用水量少、占地紧凑，适用于重工业、船舶和偏远地区能源系统。
- 先进反应堆和聚光太阳能电站是sCO2发电系统的主要应用对象，因为它们能够提供该循环所需的高温热源。
- 关键工程任务包括制造耐用的换热器、在接近临界点的条件下高效运行的压缩机，以及配备可靠密封件和轴承的高速涡轮机。
- 美国得克萨斯州的一项试点项目运行了集成式10兆瓦电功率sCO2电厂，并在第一阶段实现发电，显示中国以外的相关技术也在取得进展。
- 中国项目将提供首批采用sCO2技术、将工业余热转化为电力的商用规模数据。
- 节水和效率提升有助于实现中国碳达峰、碳中和目标，并提高重工业的能源利用效率。
- 能否规模化推广将取决于供应商的准备情况、运行可靠性，以及在多座工厂复制部署的经济效益。
