让二氧化碳发电，他们走进临界点的“深水区”
低碳超临界二氧化碳循环试验系统。
■本报记者 陈欢欢
7.38兆帕、31.0摄氏度。越过这个临界点，二氧化碳便进入一种气液不分状态，能“稠密”又“顺滑”地流动起来。利用这种特性，以超临界二氧化碳替代水蒸气作为发电工质成为目前国际上的研究热点。
近日，我国首个高参数多功能兆瓦级低碳超临界二氧化碳循环试验系统在中国科学院工程热物理研究所（以下简称工程热物理所）上海基地建成并通过验收，开始面向全国高校、科研院所和企业开放。权威第三方机构性能测试显示，该系统在24兆帕/600摄氏度下，供电功率2.28兆瓦，供电效率达32.05%，是目前国际上公开报道的最高供电效率。
“这是一次被能源转型和国际竞争逼出来的自主攻关。”该试验系统负责人、工程热物理所副研究员王波告诉《中国科学报》，在该技术从实验室走向工程应用的道路上，我国已处在全球第一梯队。
“第四种状态”：不烧开水的发电逻辑
超临界态可以理解为固态、液态、气态之外的“第四种状态”。二氧化碳进入超临界态时，既不是液体，也不是气体，密度像液体一样大，黏度却像气体一样小。
水烧到100摄氏度会沸腾，水蒸气推动汽轮机发电，这是传统电厂的本质。而超临界二氧化碳无论怎么加热、冷却都没有“沸腾—冷凝—再沸腾”的相变过程，其优势在于省掉了中间环节的折腾和损耗。
王波表示，相比传统水蒸气，超临界二氧化碳作为发电工质是发电技术的一次颠覆性升级，其长处可以概括为“小、快、高”。
第一，设备小，超临界二氧化碳能量密度大，同等功率下系统占地可减少一半以上；第二，响应快、适应广，系统构成简单，启停灵活，从工业余热、光热到先进核能等不同温度品位的热源都能适配；第三，潜力大，理论计算表明，热源温度到650摄氏度以上时，循环效率超过50%。
据介绍，20世纪60年代，超临界二氧化碳发电的概念被首次提出，但受限于当时的材料和制造水平未能落地。真正“重新点燃”是在21世纪初。2004年，美国麻省理工学院的研究报告系统论证了它在核能等领域的应用前景；此后美国能源部于2016年投入巨资启动10兆瓦级示范项目，设计参数指向700摄氏度级高温热源。欧盟、日本、韩国纷纷跟进，全球掀起研究热潮。
我国相关基础研究从“十一五”前后开始布局，但一度面临现实困境：这项技术的核心装备国内几乎没有现成产品，又缺乏高水平的技术验证平台。为了解决这一难题，2018年，低碳超临界二氧化碳循环试验系统作为“高效低碳燃气轮机试验装置”国家重大科技基础设施的组成部分获批立项。
该国家重大科技基础设施副总指挥、工程热物理所能源动力研究中心主任徐祥表示：“要在几乎同一条起跑线上抓住机会，只能自主攻关，打通设计方法到装备制造的全链条。”
冲击“三个极限”
“超临界二氧化碳的‘脾气’很特别。”王波说，它密度大、流动顺，但是在临界点附近物性变化剧烈，而且系统回热量大，必须在更小的体积里布置更大的换热面积，来高效传输热量。
“好比既要马儿跑得快，又要马儿吃得少。”王波笑称。而在项目刚开始时，甚至连“马儿要跑到哪儿”都不明确。由于临界点附近变化剧烈，越接近临界点技术风险越大，团队在设计之初非常纠结：要提高系统效率，压缩机进口越接近临界点越好，但难度极大；远离临界点虽然技术难度降低了，却可能无法验证技术的先进性。
“由于没有经验可参考，我们犹豫了很久，最后判断技术验证更重要，决定冒险向临界点靠近。”王波回忆。
为了向临界点极限靠近，团队在攻关过程中经历了“三个极限”的叠加。
一是换热极限。他们攻关印刷电路板式换热器（PCHE）的设计制造。这是一种紧凑高效微通道换热器，相当于用造芯片的思路造换热器——在金属板上“刻”出微细流道。最终，他们把几百片刻有微细流道的金属芯板逐层叠放、焊成一体，让小体积扛住大热量、高压力，成功实现高温高压下安全工作、高效换热。
二是转速极限。透平和压缩机转速高达每分钟数万转，是普通汽轮机的数倍，转子动力学、轴承、密封都面临全新挑战。特别是二氧化碳压力高、无相变且泄漏量控制需极严格，密封材料还要兼顾冷却。为此，团队专门开发了新算法进行计算和实验验证，发现密封所需的冷却量远超此前根据经验提供的方案。
三是控制极限。王波表示，临界点附近工质密度等物性剧烈变化，压缩机工作点容易漂移，稍不留神就进入喘振等不稳定区。如何让系统“贴着临界线”安全运行，没有现成经验可借鉴，全靠一次次试验摸索，最终形成整套控制策略。
就这样，他们靠着大量的试验、计算，失败了再来，终于离理想中的“极限”越来越近。
32.05%的分量：考验的是系统集成
“超临界二氧化碳发电最大的门槛不在单个部件，而在系统集成。压缩、膨胀、回热、冷却各个环节就像组成一个交响乐团，任何一件乐器走音，整首曲子都会被拖垮。”
作为这个交响乐团的指挥，王波表示，32.05%的净供电效率是在连续稳定运行中实测出来的整机效率，证明了从整套设计方法到全部核心部件，再到控制策略的全面协同过关。
一般试验台，非标部件不宜超过两个。而低碳超临界二氧化碳循环试验系统作为开放的重大科技基础设施公共平台，要兼容不同用户的试验条件、试验模式，几乎每个部件都没有成熟方案，全部来源于研发团队和国内厂家的定制设计。
“这套试验系统要把技术跑通、跑稳、跑出数据，为高参数、大容量的商业机组积累工程经验，这些经验比数字本身更宝贵。”王波说。
目前，从国际进展看，整个领域正从试验验证走向商业示范。而我国近几年的节奏明显加快：2021年12月，5兆瓦试验机组完成72小时试运行；2025年12月，首台余热回收15兆瓦商用超临界二氧化碳发电机组在贵州六盘水成功运行。
徐祥表示，此次试验系统通过验收，标志着我国在系统集成验证上又拿下关键节点，下一步将沿着“更高参数、更大容量、更高集成度”这条主线继续攻关，逐步形成可复制的产品。同时，在应用层面，将面向先进核能、光热发电、工业余热回收、储能等领域开展研究与示范，让这项技术在不同场景中开花结果。
“这套系统是国家重大科技基础设施的组成部分，欢迎同行申请使用试验资源、开展联合研究，共同培育我国超临界二氧化碳发电装备产业链。”王波说，“后面的路还很长，需要我们一步步去攻克。”