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用“气”发电！这一项目斩获技术发明奖一等奖丨关注省科学技术奖

抖音推荐 2025年08月29日 18:37 1 admin

川观新闻记者 宁宁

8月28日，四川省科学技术奖励大会在成都举行。由中国核动力研究设计院等单位完成的“超临界二氧化碳热功转换关键技术”项目成果荣获四川省技术发明奖一等奖。

这是一种怎样的新技术？如何实现新型能量转换？川观新闻记者采访了项目主要完成人，中国核动力研究设计院（简称核动力院）二所科研人员宫厚军。

用“气”发电！这一项目斩获技术发明奖一等奖丨关注省科学技术奖

超临界二氧化碳热功转换关键技术项目成果荣获四川省技术发明奖一等奖，项目团队。核动力院供图

用“气”发电，全球竞逐新型能量转换新赛道

我们知道，水有固体、液体以及气体三种相态。随着环境的温度和压力升高，液、气两相相界面消失的状态点就叫做临界点，物质超过该临界点后的状态即为超临界态。与水相似，二氧化碳也存在超临界态。

“当二氧化碳温度超过31℃，压力升高至73个大气压以上，二氧化碳就会进入超临界状态。”宫厚军说。

简单来说，此时的二氧化碳既不是气体也不是液体，却兼具两者的优点，像液体一样具有高密度，又像气体一样具有低粘性。相比水，它的“力气”更大，做功能力更强，对环境排放的热量则更少，这也正是它高效搬运能量的基础。

基于此，以超临界二氧化碳为工质进行发电，相比以水蒸气为工质的传统热力发电技术，在高温高压运行条件下可提高热能利用率，实现更高发电效率。

放眼全球，美国、欧盟、澳大利亚近年来都发起了相关研究计划；在我国，该技术已列入《“十四五”能源领域科技创新规划》，高校、研究机构、企业共同竞逐这一可实现动力转换革命性突破的新赛道。

用“气”发电！这一项目斩获技术发明奖一等奖丨关注省科学技术奖

超临界二氧化碳热功转换关键技术项目团队。核动力院供图

从无到有研制关键设备，实现技术全球领先

新技术意味着从零开始探索。

此前，团队主攻压水堆技术研究，从2009年开始开展超临界二氧化碳动力转换技术研究。“当时，该技术在国内处于一片空白，没有先例可以参考，不能用老办法套新技术，只有靠自己摸索。”团队成员回忆。

该技术所用到关键设备包括压缩机、膨胀机、微通道换热器等。其中，压缩机能起到快速提升二氧化碳压力的重要作用，膨胀机起到将二氧化碳能量转换为机械能的作用。彼时，这都是全新技术。

但正是因为没有，团队以解决实际问题为导向开始大胆探索。他们联合东方电气集团对压缩机、膨胀机进行设计，不过很快发现问题：传统设计方法并不适用于物性剧烈变化的超临界二氧化碳，需要结合真实的二氧化碳物性进行气动设计。相较于传统涡轮机械，超临界二氧化碳压缩机、膨胀机需要创新设计特殊的推力平衡结构和控制方法以解决高压力引起的大轴向推力问题。

团队还遇到了另一道难关——超临界二氧化碳换热器，当时在国内也是一片空白。宫厚军打起了比方：超临界二氧化碳换热好比一个壮汉在码头背麻袋，壮汉力气大，一次能背好几袋。但问题在于，需要有工具辅助，将重重的麻袋从码头搬到壮汉的肩上。“换热器就是这样的工具，将热源能量传递到工质上。挑战更大的是，当时连制造这种特殊换热器的工业母机都没有。”

面对难关，团队在六七年中不断进行计算分析、试验，终于打破国际垄断，发明了超临界二氧化碳能量传递技术工程化的工业母机，具备了全系统与微通道换热器、压缩机、透平机等关键设备的成套研制能力。2018年，国内首座超临界二氧化碳布雷顿发电系统研制成功。“通过布雷顿循环，热能能高效转化为电能，具备效率高、重量轻、快响应等优势。”宫厚军说。

在此基础上，2019年至2020年间，团队先后实现全球首次兆瓦级超临界二氧化碳系统满功率稳定发电、建成基于再压缩循环的兆瓦级超临界二氧化碳发电系统，2021年系统效率较2019年提升30%，实现技术全球领先。

硬件设备之外，十余年中，团队进行技术攻关和验证迭代，打造了国际首款基于Modelica语言规范的先进核能系统统一建模与分析平台（NUMAP）。

团队成员说，该软件系统犹如“神经系统”，随着项目推进，不断“生长”，大概一年多以后，就能积累足够的数据，从而为项目辅助工程设计与数字孪生体构建提供保障，“接下来可为进一步开展相关装置的方案设计奠定基础。”目前，这一软件系统还进入大学课堂，成为相关新工科专业学生的选修课程。

市场规模已达千亿级，年内全球首个示范项目将满功率发电

今年内，核动力院负责超临界二氧化碳发电系统成套供货的全球首套2×15 MWe级烧结余热超临界二氧化碳发电系统项目，就将在贵州六盘水完成满功率发电，实现工程示范目标。

相比传统发电方式，该技术并不便宜。但就经济效益来说，宫厚军以这个全球首个示范项目为例，算起了账：

在原烧结工艺没有变化的情况下，超临界二氧化碳技术较现役烧结余热蒸汽发电技术，余热利用效率提升42%，系统净发电量提升115%。每年可多发9000余万度，发电多收入近5千万元，按照机组使用20年考虑，全投资周期多收益超10亿元。“简单来说，一般三年左右就能收回投资成本。”

业内人士认为，该技术还可与各种热源组合成发电系统，在火力、核能、太阳能热、工业余热等领域发电，构建百千瓦级至百兆瓦级等不同功率等级的模块化、智能化发电机组。他们估计，当前市场规模已达千亿级，未来有望突破万亿级。

本次获奖让团队成员很兴奋，但也感受到紧迫感。“当下全球范围内竞争激烈，对手赶超起来速度很快，我们不能放松，要突破瓶颈，发掘更多的应用场景潜力，满足社会对传统工业绿色转型和高效、清洁能源的需求。”

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