颠覆140年以来发电方式!我国利用二氧化碳发电,技术领先全球,火力发电原理示意图高清

近日,由中国华能集团有限公司自主研发的,世界参数最高、容量最大,超临界二氧化碳循环发电试验机组,在华能西安热工院顺利完成72小时试运行,并正式投运。这项技术或将彻底改变人类传统热力发电方式,让发电变得更加清洁、高效。

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看到这里,或许有很多朋友就有疑惑了,超临界二氧化碳循环发电和普通的发电有什么不一样,又难在哪里呢?今天我就和大家聊一聊超临界二氧化碳发电技术。

火力发电原理

从人类发明了蒸汽机并将它作为动力机开始,人类便进入了工业化时代。蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。其中的蒸汽指的便是水蒸汽,对此人们也经常调侃,人类能够发展至今,始终离不开“烧开水”模式,火力发电也是如此,人们烧水发电已经持续了140多年的历史。

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我们先简单讲一讲传统火力发电的原理。火力发电主要包括三个系统:燃烧系统、汽水系统以及发电系统。

燃烧系统主要是利用煤炭燃料进行燃烧,蒸汽系统主要是通过燃烧产生的热量对系统中的循环水进行加热,加热后的水蒸气会被传输至汽轮机中,推动汽轮机转动,从而带动发电机进行发电。

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火力发电的流程图

我们知道,温度越高,蒸气的能量就会越大,那么就越容易推动叶轮机转动。因此为了提供更大的蒸气动力,就需要将蒸气加热到更加高温的状态。但水在常温下的沸点只有100℃,想要提高温度怎么办呢?这个时候就需要把压强给提上来,因为物质的沸点是与压强有关系的,压强越大,沸点也会越高。所以火力发电蒸气系统中的蒸气都是高温高压状态。

超临界机组发电

不过火力发电中高温高压的水蒸气可不一般,这个状态下的水主要是超临界流体超临界流体既不是气态、也不是液态,而是出于介于气态与液态之前的超临界状态。超临界的水具有液态与气态的双重性质,既具有液态的高密度,又拥有气态的超强流动性。

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水的相图

为了让你更好地理解什么是超临界流体,我们可以举一个例子来说明。

假设一个密封的容器,里面装了一半的水,现在对密封容器中的水进行加热,那么内部的水会不停地气化,实际上气化的水也会不停地液化,形成一个动态平衡。那么如果将温度不断升高,容器中水气化和液化的速度都会不断增大,水在两种状态之间迅速变化,如果这个过程足够剧烈,那么气液界面也将会逐渐变得模糊,直至两种状态混为一体,成为一种状态,也就是超临界状态。

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水的超临界状态条件是可以通过上面给的相图看出来的,水的超临界条件为:压力为22.129MPa(约等于218个大气压),温度为374.15℃,当温度和压强都大于这两个值,那么此时的水就是超临界流体。

超临界流体流体密度高,可比气体大100倍,并且黏性低,流动阻力小,在推动汽轮机旋转时,推力更大,能量损耗更小,因此发电效率也能够大大提高。利用超临界水发电的机组也被称为超临界发电机组。我国在超临界发电已经是全球领先,除了超临界,还有超超临界机组发电(蒸气压强更大),温度可达600-700℃。

用超临界二氧化碳发电

那么超临界水用得好好的,为什么要用二氧化碳呢?

其实对比一下两者的性质你就明白了。利用水进行超超临界机组发电,压强可达近30兆帕,相当近300个大气压,另外高温蒸汽极易腐蚀设备,这就需要设备材料不仅要具有极高的强度,同时还要有超强的耐腐蚀能力,发电条件十分苛刻。

而二氧化碳的临界点温度约为31摄氏度,压力约为7.8MPa(78个大气压),将二氧化碳加压加温到这个临界点压力和温度之上就能得到超临界二氧化碳 。

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从数据上看,二氧化碳形成超临界流体,无论是温度还是压强都远远低于水的临界点,并且二氧化碳的化学性质更加稳定,工程可实现性较好,可在接近室温条件下达到超临界状态,因此超临界二氧化碳也被称为理想的热力循环工质。

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二氧化碳形成超临界态瞬间

据华能西安热工研究院董事长苏立新介绍,使用超临界二氧化碳具有多方面的优点。首先,由于超临界二氧化碳具有更高的密度,因此在同等发电量下,超临界二氧化碳发电机组具有更小的体积,仅为普通水蒸气机组的1/25大小;并且在600℃温度下,发电效率比蒸汽机组高3至5个百分点;最后是污染小,采用二氧化碳机组的燃煤电厂,单位发电量碳排放强度可减少10%。

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这项超临界二氧化碳循环发电技术是中国华能集团联合国内多所顶级高校、研究院以及各工程建设单位共同研发,历时近7年,发电核心设备100%国产,其中涉及的专利就达400多项,属于世界领先的地位。

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除了火力发电,由于二氧化碳发电灵活性强,未来二氧化碳还将在新能源领域发挥巨大的作用,为中国的科学家们点赞!

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