在日前閉幕的中央經濟工作會議上,“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年的重點任務之一。
在國家重(zhong)(zhong)點(dian)研(yan)(yan)發(fa)計(ji)劃專(zhuan)項成果中,就有一批(pi)煤(mei)炭(tan)清潔高(gao)效利用(yong)和新(xin)型節能(neng)技(ji)術(shu)。記者從科技(ji)部(bu)高(gao)技(ji)術(shu)研(yan)(yan)究發(fa)展中心獲悉,國家重(zhong)(zhong)點(dian)研(yan)(yan)發(fa)計(ji)劃“煤(mei)炭(tan)清潔高(gao)效利用(yong)和新(xin)型節能(neng)技(ji)術(shu)”重(zhong)(zhong)點(dian)專(zhuan)項部(bu)署的“超高(gao)參數高(gao)效二氧(yang)化(hua)碳燃(ran)煤(mei)發(fa)電基礎理(li)論與關鍵技(ji)術(shu)研(yan)(yan)究”項目,由華北電力大學(xue)牽(qian)頭,取得重(zhong)(zhong)要突破。
超(chao)高(gao)參數(shu)(shu)二(er)氧化碳(tan)(tan)(簡(jian)稱(cheng)sCO2)燃(ran)煤發(fa)電系(xi)統采用高(gao)溫高(gao)壓二(er)氧化碳(tan)(tan)代替水蒸氣,實現(xian)動力循(xun)環和電力生產(chan)。項目最(zui)終完成發(fa)電效率(lv)51%的1000兆瓦(MW)級系(xi)統概念(nian)設(she)計,為逐步推進大容量超(chao)高(gao)參數(shu)(shu)二(er)氧化碳(tan)(tan)燃(ran)煤發(fa)電系(xi)統示范及應用奠定(ding)理論與技術基礎。
與水蒸氣發電相比,可實現快速升降負荷
為(wei)做好碳達峰(feng)與碳中(zhong)和(he),中(zhong)國承諾2030年左右(you)使二(er)氧(yang)化碳(CO2)排放達到峰(feng)值,爭取2060年前實現碳中(zhong)和(he),這就需(xu)要大幅(fu)減少CO2排放。
“一(yi)方面(mian),發(fa)揮煤(mei)炭‘壓艙石’作用(yong),支撐清潔煤(mei)炭發(fa)電。另一(yi)方面(mian),大力(li)發(fa)展可(ke)再(zai)生能(neng)源(yuan),實(shi)現(xian)多能(neng)源(yuan)互補,保證能(neng)源(yuan)安(an)全(quan)。”項(xiang)目負責人、華北電力(li)大學教授(shou)、教育(yu)部重點實(shi)驗室(shi)主任徐進良(liang)在接受記者采(cai)訪時表(biao)示。
可再生(sheng)能(neng)源發電時大(da)時小、不(bu)穩定,“變臉變得快”,導致棄風棄光現象的發生(sheng)。煤炭發電要跟上這(zhe)種(zhong)“變臉”,就需要快速變負荷。
“超高(gao)參(can)數二氧(yang)化碳(tan)煤炭(tan)發(fa)(fa)(fa)電(dian)由(you)于熱源溫度高(gao),相比于水蒸氣發(fa)(fa)(fa)電(dian)機(ji)組,具有明顯效率優勢,減少了CO2排放。同時(shi),sCO2發(fa)(fa)(fa)電(dian)機(ji)組設備少,體(ti)積小,機(ji)組慣性小,非常(chang)靈活(huo),可實現(xian)快速(su)升降負荷,這對(dui)于水蒸氣發(fa)(fa)(fa)電(dian)來說是(shi)(shi)難以實現(xian)的。”徐進良說,sCO2發(fa)(fa)(fa)電(dian)對(dui)于平衡(heng)電(dian)網負荷波動,保(bao)持供給側和需求(qiu)側平衡(heng),具有重要意(yi)義(yi),是(shi)(shi)未來發(fa)(fa)(fa)展方向。
基于此,國(guo)家重點研(yan)發(fa)計劃(hua)“煤炭清潔(jie)高效(xiao)利用和新型節能技術”重點專項中的“超(chao)高參數高效(xiao)二氧化(hua)碳燃煤發(fa)電基礎理論(lun)與關鍵技術研(yan)究(jiu)”項目應運(yun)而生。
既考慮原始創新,又考慮工程落地需求
記者獲悉,項目旨在研究解決超高(gao)參數二(er)氧(yang)化碳燃煤系統(tong)能(neng)量梯級利(li)用、熱(re)力學循環(huan)及(ji)熱(re)學優(you)化理(li)論(lun),以(yi)及(ji)關鍵(jian)部件能(neng)質(zhi)轉換(huan)與傳遞機理(li)的關鍵(jian)科學問題,突破鍋爐燃燒及(ji)污染(ran)物(wu)控制、換(huan)熱(re)器、透平及(ji)一體(ti)化系統(tong)設(she)計等(deng)關鍵(jian)技術(shu)。
為什(shen)么要設(she)定如此的目標(biao)?
“在我(wo)國(guo)發展sCO2燃煤(mei)發電過程(cheng)中(zhong),基于我(wo)國(guo)國(guo)情及自主創(chuang)新(xin)指導思(si)想,走與國(guo)外不(bu)同的(de)技術路線。我(wo)們既(ji)考慮(lv)原始創(chuang)新(xin),又考慮(lv)工(gong)程(cheng)落地需(xu)求。”徐進良說。
在目標方(fang)面(mian),我們(men)要梳(shu)理(li)sCO2煤(mei)炭發電和(he)水蒸氣發電,在熱(re)力系統構建、關鍵設備機(ji)理(li)、設計、制造及運行方(fang)面(mian),哪(na)些是相(xiang)同(tong)的,哪(na)些是不同(tong)的,重點要攻克哪(na)些技術難(nan)題(ti)?
“針(zhen)對關鍵(jian)技術突破(po),形成(cheng)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)熱力系(xi)(xi)統(tong)構建(jian)、關鍵(jian)設備工作機理、以(yi)及(ji)經過實驗(yan)驗(yan)證的(de)(de)理論和方(fang)法,支撐(cheng)我國sCO2煤(mei)炭發電事業的(de)(de)發展(zhan)。”徐進良說(shuo),通過研究,需(xu)回答采用(yong)sCO2煤(mei)炭發電在(zai)節省(sheng)煤(mei)炭資源、降低二(er)氧化碳排(pai)放及(ji)經濟性方(fang)面的(de)(de)優勢,這些(xie)分析需(xu)建(jian)立(li)在(zai)定量(liang)數據基礎上。
在循環熱力系統的構建上取得突破
徐進良(liang)介紹,項目實施分兩個階段(duan),第(di)一(yi)階段(duan)是2019年的中期驗收(shou)。第(di)二階段(duan)是從中期驗收(shou)到目前。
第(di)一階段在sCO2煤炭發電(dian)循環熱力(li)系統的構建上取得突破性進展。
“超高參數(shu)二(er)氧化(hua)碳(tan)循環(huan)(huan)最初(chu)不是針對(dui)煤炭發電(dian)提(ti)出的。這個循環(huan)(huan)要用到煤炭發電(dian)上,出現了(le)(le)許多新的問題。在(zai)項目第(di)一(yi)階段,圍(wei)繞循環(huan)(huan)流量大,鍋(guo)爐管堵(du)塞引起機(ji)組效率下降(jiang),以及如(ru)何(he)實現煙氣熱量‘吃干榨凈’等關(guan)鍵問題,項目提(ti)出了(le)(le)鍋(guo)爐模塊(kuai)化(hua)設計(ji)以及能量復疊利用原理,徹(che)底解決了(le)(le)循環(huan)(huan)構(gou)建(jian)方面的難題。”徐進(jin)良(liang)說。
第二(er)階(jie)段在關鍵部件能(neng)量傳遞轉化上取(qu)得(de)突破。
“最典型的(de)是發現超(chao)臨(lin)界流體(ti)的(de)不均(jun)勻物質結構(gou),顛覆了超(chao)臨(lin)界流體(ti)具(ju)有均(jun)勻流體(ti)結構(gou)的(de)常(chang)規認知,這一發現對于(yu)發展關(guan)鍵部件設(she)計及運行(xing)技(ji)術意義重大(da),大(da)幅提高(gao)關(guan)鍵設(she)備設(she)計精(jing)度(du)并保證安全。”徐進良說。
超(chao)臨界(jie)(jie)態是物質的(de)一(yi)種(zhong)狀態,超(chao)臨界(jie)(jie)流體(ti)在自然界(jie)(jie)和工(gong)程上廣泛應用(yong)。項(xiang)目關于超(chao)臨界(jie)(jie)不均勻物質結構的(de)研(yan)究也引起國(guo)(guo)際學(xue)術界(jie)(jie)關注,美國(guo)(guo)學(xue)者在發(fa)表的(de)論文中(zhong),長篇幅正面引用(yong)及(ji)評價了本項(xiang)目工(gong)作。
“本項目的(de)(de)工(gong)作指(zhi)導(dao)了工(gong)程(cheng)實(shi)際(ji)(ji),項目理論指(zhi)導(dao)了在華北電力大學建(jian)立的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)高(gao)參(can)數二氧(yang)化碳實(shi)驗(yan)設(she)(she)施的(de)(de)建(jian)設(she)(she),該(gai)實(shi)驗(yan)臺壓(ya)力高(gao)達26兆帕(pa)(MPa),而(er)國際(ji)(ji)上超(chao)(chao)(chao)高(gao)參(can)數二氧(yang)化碳數據集中(zhong)在8MPa左右,難以滿足工(gong)程(cheng)實(shi)際(ji)(ji)的(de)(de)需求,該(gai)實(shi)驗(yan)臺的(de)(de)建(jian)立彌(mi)補了國際(ji)(ji)上超(chao)(chao)(chao)高(gao)參(can)數二氧(yang)化碳傳熱數據的(de)(de)不足。”徐進良說,另外,本項目成(cheng)果還指(zhi)導(dao)了我國建(jian)設(she)(she)的(de)(de)小容量超(chao)(chao)(chao)臨界二氧(yang)化碳煤炭機組的(de)(de)研(yan)發。
以能解決關鍵科學技術問題為檢驗標準
在徐進良看來,項目取得關鍵突(tu)破有三個原因。
第一是(shi)“反(fan)四唯”的(de)結果,項(xiang)目實施不以(yi)發表(biao)論(lun)文和專利(li)為指揮棒,而以(yi)能真正(zheng)解決關鍵科學技術問題為檢驗成果的(de)標準。為此,項(xiang)目組(zu)克(ke)服困(kun)難,大膽(dan)創新(xin),取得好(hao)的(de)效果。
第(di)二是管理體制的(de)改(gai)革,使項目實施更順利(li)。科(ke)(ke)(ke)技(ji)部實行“放(fang)管服(fu)”改(gai)革,簡(jian)化(hua)了(le)項目管理,減少了(le)各(ge)類表格(ge)的(de)填寫,科(ke)(ke)(ke)研人(ren)員有更多(duo)時(shi)間思考科(ke)(ke)(ke)學技(ji)術問題和做研究,提高了(le)研發效率。
第三是(shi)項目(mu)組(zu)實行了“掛圖施工”,項目(mu)負責人嚴格按時間(jian)(jian)節點,督促項目(mu)組(zu)成(cheng)員完成(cheng)研發任(ren)務(wu),保(bao)證質量(liang),保(bao)證各課(ke)題間(jian)(jian)的數據交匯等。
對于未來項目的(de)攻關(guan)工作(zuo),徐進良認為,相比于水蒸(zheng)氣發電機組,sCO2煤炭發電是顛覆性技術,涉(she)及到(dao)許多關(guan)鍵(jian)技術的(de)研發,商業化還需一段時(shi)間,但它(ta)代表能(neng)源動力行業的(de)發展方向。
徐進(jin)良建議(yi),我國“十四五”期間,應圍繞sCO2煤(mei)炭(tan)(tan)發(fa)電,建設(she)(she)綜合(he)性關鍵技術(shu)及系(xi)統(tong)(tong)集成平臺,驗證已(yi)取(qu)得的(de)sCO2煤(mei)炭(tan)(tan)發(fa)電理(li)論和(he)方(fang)法,取(qu)得運行數據,系(xi)統(tong)(tong)評估(gu)材料的(de)耐久性,評估(gu)sCO2煤(mei)炭(tan)(tan)發(fa)電在經濟及環保方(fang)面(mian)的(de)優勢,為(wei)建設(she)(she)商業化的(de)sCO2煤(mei)炭(tan)(tan)發(fa)電機(ji)組(zu)進(jin)行技術(shu)儲備和(he)奠定基礎。
“同時,著手進行大型sCO2煤炭發(fa)(fa)電(dian)機組發(fa)(fa)電(dian)的設計工作。地方政(zheng)府和企業也積(ji)極加入sCO2發(fa)(fa)電(dian)技(ji)術的研(yan)發(fa)(fa)行列,并開辟sCO2太陽能(neng)發(fa)(fa)電(dian)、sCO2中高(gao)溫余熱發(fa)(fa)電(dian)的新模(mo)式。”徐(xu)進良說(shuo)。