超临界二氧碳发电试验装置

　　2025年12月20日，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组——“超碳一号”成功投入商业运行，标志着我国在先进热电转换技术领域实现重大突破，为全球能源转型与绿色低碳发展提供了全新技术路径。作为一种革新型热电转换技术，超临界二氧化碳发电凭借高效、紧凑、灵活的核心优势，破解了传统发电技术的性能瓶颈，不仅适配工业余热回收、新能源储能等多元应用场景，更成为培育能源领域新质生产力、保障国家能源安全的关键支撑。

　　热电转换技术的演进

　　热电转换技术是人类调控与利用能量的核心基石，其发展水平直接决定了社会生产力的“能源尺度”。第一次工业革命中，瓦特改良的蒸汽机首次实现了热能到机械能的稳定、大规模转化，将能源从依赖生物质（木材）和自然力（水、风）的束缚中解放出来，使工厂得以脱离河岸、汇聚成城，开启了机械化与规模化生产时代。第二次工业革命则以内燃机（奥托循环、迪塞尔循环）和大型汽轮发电机（蒸汽朗肯循环）为标志，前者以更高能量密度和灵活性催生了现代交通体系，后者通过集中发电与远距离输送构建了电力网络，使得能量得以“瞬间”传输与按需分配，奠定了现代工业体系、城市生活乃至信息社会的物理基础。

　　发展至今，以超超临界蒸汽燃煤机组和“华龙一号”核电机组为代表的大型商用发电站仍是国家能源安全的压舱石（合计占2024年全国总发电量的67.5%）。而新兴的新能源、分布式能源、工业余热发电等电力来源正推动能源生产从集中式向网络化、低碳化演进，是构建新型能源电力体系、培育新质生产力的关键支撑。

　　掌握并升级热电转化技术意味着掌握了对经济社会发展最根本的动力流的调控能力。然而，针对大型集中发电场景开发的蒸汽朗肯循环发电技术正面临新的发展困境。一方面，该型技术历经140余年迭代已经趋近性能极限，热效率提升的空间减小但代价增加；另一方面，受限于汽水相变过程，蒸汽朗肯循环发电技术存在体积庞大、系统复杂和热惯性大等特点，在中小功率等级和热负荷快速变化场景，热效率和投资回报率不高、响应迟缓，无法满足我国新型能源体系构建和传统工业转型升级需求。

　　为此，中核集团中国核动力研究设计院基于长期超临界流体基础研究成果，利用超临界二氧化碳兼具液体高密度、气体低粘度、无气液相变的独特物性，构建了超临界二氧化碳闭式布雷顿循环发电技术工程化构型，突破传统蒸汽发电的局限性，从根本上改变传统“烧开水”的蒸汽朗肯循环发电模式，为研制更高效、更紧凑的颠覆性发电系统提供了可能。

　　超临界二氧化碳发电技术的核心原理与特性

　　超临界二氧化碳是指二氧化碳温度超过31℃、压力升高至73个大气压时，二氧化碳不再能够区分气液两相、不会沸腾和凝结、兼具气体和液体属性的状态。与液体类似的高密度意味着它能够在更小的空间储存更多的能量；与气体类似的低粘度则使其流动性好，流动过程中的能量损失小。而二氧化碳天然存在、化学性质稳定、无毒无害、不可燃和工业应用广泛、制造成本低的特点，则进一步避免了大规模工业应用所面临的安全性风险和经济性挑战。

　　超临界二氧化碳发电技术是一种革新型的热电转换技术，其研发思路源于对能源高效利用的不懈追求。它的基本工作原理是：超临界二氧化碳在压缩机中压缩升压，被送入热源换热器从工业余热、核反应堆、光热熔盐以及化石燃料燃烧等热源获取热量、升高温度，进入膨胀机膨胀做功，膨胀机拖动发电机高速转动产生电能，向外输送。做功后的超临界二氧化碳温度和压力降低，经回热器中回收热量、再通过冷却器进行冷却，返回压缩机，再次经历吸热、膨胀、回热、冷却和压缩的循环过程，循环往复地将热能转化为电能。整个过程的关键在于热源换热器、压缩机、膨胀机、回热器和冷却器的紧密配合。每个环节都必须精密设计，以确保能量高效转换并最大限度地减少能量损失。

　　核心技术难题的突破之路

　　从简单的原理到技术成功落地，需要攻克大量工程技术难题。

　　首先就是超临界二氧化碳压缩机研制难。作为系统的核心部件，其作用相当于人体的心脏。与传统水泵不同，水泵通常工作在液态区的稳定状态，而压缩机必须在物理性质变化剧烈的临界点附近实现对二氧化碳的稳定压缩，这对其设计和制造提出了极高的要求。另一大挑战则是密封问题：在发电过程中，超临界二氧化碳在高温高压的膨胀机和压缩机中高速旋转，为了确保尽可能少的工质泄漏到环境中，系统的密封结构必须具备耐高温、高压以及耐磨损的能力。上述问题，已成为国际上多个研发团队面临的关键技术瓶颈。

　　通过自主研发，我们团队尝试了上百种设计和工艺方案，并与东方电气等重型设备制造企业展开联合攻关，采用了一些传统工艺无法实现的技术方案，最终成功克服了这些技术难题。迄今为止，已经研制6款不同型号的涡轮机，所有型号均实现满负荷长期稳定运行，能够支撑100千瓦至100兆瓦发电功率等级发电系统对涡轮机装备的需求。

　　其次是热量传递难。换热器作为发电系统中热量传递的核心设备，其热量传递性能直接决定了整个系统的热电转换效率。由于超临界二氧化碳的表面换热能力差，仅为水的三分之一左右，因此，换热器必须具备较高的比表面积、承压能力以及耐腐蚀性能，以弥补其热量传递性能的不足。这不仅需要对换热器的构型进行创新设计，还必须解决毫米级薄板的高强度、大面积非连续焊接技术难题。在项目初期，国内没有实现这种特殊焊接工艺的装备，也没有单位能够制造此类装备，国外极其有限的欧美供应商也对我们国家实行技术封锁。

　　在这种情况下，我们团队联合西北工业大学等高校，共同自主研制了系列化的工业母机——真空扩散焊机，成功实现了超临界二氧化碳换热装备的国产化和型谱化研制，能够满足100千瓦至100兆瓦发电功率等级发电系统对热量传递装备的需求。

　　最后是系统综合控制难。在该系统中，某个设备得了“流感”，别的设备也会被“传染”。超临界二氧化碳发电系统响应速度快，如何控制好设备间的协同关系，阻断“流感”传播，团队研制验证了面向多应用场景、具备多功能、多型式的型谱化样机，根据设备特性量身定制控制方案，开发了一套综合动态控制系统，打通了创新技术走向工程应用的全路径。

　　产业应用价值与规模化推广潜力

　　通过十六年技术攻关和自主研发，团队最终完成了从理论到工艺的全链条贯通，真正将该发电技术从实验室推向了工程应用。

　　2025年11月23日，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组“超碳一号”在贵州六盘水首钢水城钢铁（集团）实现满功率发电，12月20日商运。该机组利用烧结余热发电，能够有效回收烧结机排放的烟气余热，将其转化为电能。相比传统的蒸汽余热发电机组，“超碳一号”的主要优势表现在占地面积仅为传统机组的一半、发电效率提升了85%以上、净发电量提高了50%以上，具有显著的经济价值和社会效益。该发电技术的工业应用，可填补世界范围内中小功率规模、中高温热源场景高效发电的技术空白，表明我国超临界二氧化碳发电技术处于全球领先地位。

　　我国现存烧结工序的同类机组有350——400套，干熄焦、造纸、水泥、玻璃等工业场景的类似机组有1500套以上。“超碳一号”在这些工业余热利用领域具有巨大的规模化推广潜力，市场规模可达千亿元级别。同时，中核集团已启动“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范工程，并成功入选国家能源领域第五批首台（套）重大技术装备，预计在2028年并网投产。

　　超临界二氧化碳发电技术正受到全球广泛关注。美国已经将其列为能源领域的前沿技术，进行长期投资，全球市场竞争日益激烈。在这一背景下，我国亟须加快技术的商业化推广、产业化迭代、应用场景扩张，确保中国自主核心技术较长时间占据国际技术制高点，保持全球竞争的领先地位。下一步，我们将通过持续的技术攻关，超临界二氧化碳发电技术将向更大功率等级、更高热源温度、更高转换效率方向推进，推动我国能源结构的转型升级，助力“双碳”目标实现，确保我国在全球发电技术领域保持绝对领先地位。

　　“超碳一号”成功商运不仅为我国能源科技领域的自主创新提供了强有力支撑，也为全球能源转型和绿色低碳发展发挥了引领和示范作用，驱动全球能源技术的创新发展。

　　（作者系中核集团首席科学家，中国核动力研究设计院研究员）

（责编：郑继民）