作者：@天涯愛科學

目前世界上，除了少數風、光等發電技術之外，絕大多數發電都要利用到水這個工質，即使聲名赫赫的核能發電也不例外。和火力發電一樣，核能發電也離不開用水來做工質：核能産生的熱量，把水加熱為高溫高壓的水蒸氣，再推動發電機組來發電。不管是陸地上的核電站，還是艦船上的核電堆，其原理莫不如此。因此不管是在火電站還是核電站，人們都能夠看到那些顯著的巨大“煙囪”——用來冷卻水的冷卻塔，使水能夠得到循環利用，保證節約用水。

而現在，随着新的發電技術的出現，以後人們可能在發電廠就看不到這種巨大的冷卻塔了，因為用來轉換熱能到機械能的工質，不再是水，而是二氧化碳。

12月8号，中國華能集團有限公司正式官宣，中國自主研發的世界參數最高、容量最大的超臨界二氧化碳循環發電試驗機組在華能西安熱工院順利完成72小時試運行，正式投運！滿負荷運行期間，最高溫度600℃，最高壓力20兆帕，發電功率5兆瓦，系統各項指标全面達到設計要求，實現高标準安全穩定運行。

部分物質随着溫度和壓力的變化，會相應地呈現出固态、液态、氣态三種相态。當把處于氣液平衡的物質升溫升壓時，熱膨脹引起液體密度減少，壓力升高使氣液兩相的界面消失，成為均相體系，這一點稱為臨界點。

高于臨界溫度和臨界壓力以上的流體是超臨界流體。超臨界流體處于氣液不分的狀态，沒有明顯的氣液分界面，既不是液體也不是氣體。超臨界流體具有十分獨特的物理性質，它的黏度低、密度大，有良好的流動、傳質、傳熱和溶解性能。

和傳統用水做工質的發電機組相比，超臨界二氧化碳循環發電機組有什麼優勢呢？

超臨界二氧化碳是一種非常稠密的流體，密度為0.448克/立方厘米，比超臨界水的密度（0.322克/立方厘米）高出近1.4倍。更高的密度會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機組運轉。

超臨界二氧化碳由于密度大、動能大，所需渦輪級數少，渦輪機軸向尺寸降低，冷卻器、管路附件尺寸相應減小。相同裝機容量時，二氧化碳發電機組體積隻有蒸汽機組的1/25，大緻相當于私家車和火車車廂之比吧。

這種發電技術對于艦船來說，有着極大的應用價值。因為艦船内部空間有限，特别是航空母艦核電配有的龐大蒸汽發電機組占據了寶貴的空間，二氧化碳發電機組的極低體積，對于艦船特别是航空母艦等軍用艦船來說有着舉足輕重的意義。

二氧化碳循環發電機組

超臨界二氧化碳循環無相變，壓縮過程中壓縮功有效減小，隻占渦輪輸出功的30%，燃氣輪機則高達50%~60%。測算表明，在600℃溫度下，發電效率比蒸汽機組高3～5個百分點。

水的臨界溫度374℃ ，臨界壓力22.1MPa，而二氧化碳臨界溫度為僅為31.26℃，臨界壓力僅為72.9atm，｛1标準大氣壓(atm)=0.101325兆帕(mpa)｝，和水相比，二氧化碳的臨界條件可以說是極低，很輕易就達到了。不同的臨界條件，所需要的燃料數量自然不同，廢棄物的排放自然就低。從華能的數據來看，采用二氧化碳機組的燃煤電廠，單位發電量碳排放強度可減少10%。

由于水的臨界條件較高，在用電峰谷差大時，電網的調峰幅度和難度較大。以我國邢台電廠8号機組(國産200MW)為例,一個調峰周期在8個小時左右，為節省時間還需要保持一定的溫度和壓力，升速至滿負荷運轉最快都需要90分鐘，一次調峰經濟損失為92噸标準煤。

而二氧化碳的臨界條件低，調峰容易，可實現0～100%全負荷調峰。

據微信公衆号“中國華能”說，自2014年起，華能在沒有任何相關借鑒技術和經驗的基礎上，花了整整7年時間，成功攻克了包括循環系統構建等多個環節的關鍵科學技術難題，自主設計制造出包括超臨界二氧化碳鍋爐等多個關鍵裝置，核心設備國産化率達到100%，申請專利超過400項。

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