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中國革命性發(fā)電機(jī)曝光:用二氧化碳做工質(zhì),或徹底顛覆發(fā)電方式

 徐德文科學(xué)頻道 2021-12-10
作者:@天涯愛科學(xué)

電是現(xiàn)代社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最重要的保障,沒有電,就只有退回去茹毛飲血,光著屁股跑了。最近央視新聞曝光了中國自主研發(fā)的一套二氧化碳發(fā)電機(jī)組,已經(jīng)正式投入運(yùn)行,或?qū)氐最嵏踩祟?40年來的發(fā)電方式。

目前世界上發(fā)電,除少數(shù)風(fēng)能、太陽能等技術(shù)之外,絕大多數(shù)都要利用水這個(gè)工質(zhì),即使聲名赫赫的核能發(fā)電也不例外。基本原理就是,煤炭、天然氣、核能等產(chǎn)生的熱量,把水加熱成高溫高壓的水蒸氣,再推動(dòng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。不管是火電站還是核電站,人們都能看到那個(gè)巨大的“煙囪”——用來冷卻水的冷卻塔,保證水的循環(huán)利用,以節(jié)約用水。


而現(xiàn)在,隨著新的發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn),以后人們可能在發(fā)電廠就看不到這種巨大的冷卻塔了,因?yàn)橛脕磙D(zhuǎn)換熱能到機(jī)械能的工質(zhì),不再是水,而是二氧化碳。
12月8號(hào),中國華能集團(tuán)有限公司正式官宣,中國自主研發(fā)的世界參數(shù)最高、容量最大的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組在華能西安熱工院順利完成72小時(shí)試運(yùn)行,正式投運(yùn)!滿負(fù)荷運(yùn)行期間,最高溫度600℃,最高壓力20兆帕,發(fā)電功率5兆瓦,系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。


什么叫超臨界呢?

要了解這項(xiàng)技術(shù)的顛覆性意義,我們首先要知道什么叫超臨界。世界上的物質(zhì)會(huì)隨著溫度和壓力變化,呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形態(tài)。如果把處于氣液平衡的物質(zhì)升溫加壓,熱膨脹會(huì)引起液體密度減少,壓力升高,氣液兩相界面消失成為均相體系,這個(gè)點(diǎn)就稱為臨界點(diǎn)。流體溫度和壓力超過臨界點(diǎn),氣液性質(zhì)就會(huì)趨于近似,具有極為獨(dú)特,兼具氣體和液體的物理特征,黏度低、密度大,有良好的流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱和溶解性能。

超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電就是利用這一性質(zhì),把水徹底打入了冷宮,因?yàn)楸绕鹩盟畞碜龉べ|(zhì),它具有四大優(yōu)勢:


一、體積小,僅相當(dāng)于蒸汽機(jī)組的1/25

超臨界二氧化碳是一種非常稠密的流體,密度為0.448g/cm,比超臨界水的密度(0.322g/cm)高出近1.4倍。更高的密度會(huì)帶來更高的傳輸效率,相同體積的超臨界二氧化碳比超臨界水更加容易推動(dòng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。
超臨界二氧化碳由于密度大、動(dòng)能大,所需渦輪級數(shù)少,渦輪機(jī)軸向尺寸降低,冷卻器、管路附件尺寸相應(yīng)減小。相同裝機(jī)容量時(shí),超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)體積只有蒸汽輪機(jī)的1/25,因而可以顯著壓縮整套發(fā)電機(jī)組的體積。相同裝機(jī)容量的二氧化碳發(fā)電機(jī)組,體積只有蒸汽機(jī)組的1/25,大致相當(dāng)于一輛轎車和一節(jié)火車車廂之比。
這種發(fā)電技術(shù)對于艦船來說,有著極大的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)榕灤瑑?nèi)部空間有限,特別是航空母艦核電配有的龐大蒸汽發(fā)電機(jī)組占據(jù)了寶貴的空間,二氧化碳發(fā)電機(jī)組的極低體積,對于艦船特別是航空母艦等軍用艦船來說有著舉足輕重的意義。

二氧化碳循環(huán)發(fā)電機(jī)組

二、效率高,發(fā)電效率增3-5%

超臨界二氧化碳循環(huán)沒有相變,可有效減小壓縮功,提高發(fā)電效率,根據(jù)測算,在溫度600℃下,其發(fā)電效率比蒸汽機(jī)組高3-5個(gè)百分點(diǎn)。

三、污染小,減少10%碳排放

水的臨界溫度374℃ ,臨界壓力22.1兆帕,而二氧化碳臨界溫度為僅為31.26℃,臨界壓力僅為7.29兆帕,可以說臨界條件大大降低,從而節(jié)約了燃料,降低了廢棄物的排放。從華能的數(shù)據(jù)來看,二氧化碳循環(huán)發(fā)電機(jī)組的碳排放可減少10%。


四、調(diào)峰容易,可實(shí)現(xiàn)0~100%全負(fù)荷調(diào)峰

由于水的臨界條件較高,用電峰谷差越大,電網(wǎng)調(diào)峰幅度和難度就越大。比如我國邢臺(tái)電廠200兆瓦的國產(chǎn)8號(hào)機(jī)組,一個(gè)調(diào)峰周期在8個(gè)小時(shí)左右,升至滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)最快都要90分鐘,一次調(diào)峰經(jīng)濟(jì)損失約為92噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而二氧化碳的臨界條件低,調(diào)峰容易,可實(shí)現(xiàn)0-100%全負(fù)荷調(diào)峰。

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