“二氧化碳怎么能發(fā)電，你可真是個‘大忽悠’！”類似的質(zhì)疑，中核集團(tuán)首席科學(xué)家、“超碳一號”總設(shè)計(jì)師黃彥平聽過無數(shù)次。
可就在前不久，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組——“超碳一號”在貴州六盤水首鋼水鋼集團(tuán)成功商運(yùn)，讓二氧化碳“發(fā)電”夢想成真。
與傳統(tǒng)的蒸汽余熱發(fā)電機(jī)組相比，“超碳一號”機(jī)組設(shè)備占地面積縮減一半，發(fā)電效率提升85%以上，年發(fā)電量增長50%以上。這些成就的背后是研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)17年矢志攻關(guān)，先后破解設(shè)計(jì)、制造、集成應(yīng)用等方面一系列技術(shù)難題，通過自主創(chuàng)新改寫人類“燒開水”發(fā)電的歷史。
“微雕”換熱道
2009年的一天，黃彥平接到中國工程院院士孫玉發(fā)托人轉(zhuǎn)來的一張小紙條：美國正在研究超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)，很多人覺得不可能，你是否愿意試試？
短短幾行字，吊起了黃彥平的胃口。
超臨界是物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)。當(dāng)工作壓力超過73個大氣壓，工作溫度超過31℃時(shí)，二氧化碳就會進(jìn)入超臨界態(tài)，化身為“超碳”。
超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)就是用超碳作為能量傳遞和熱功轉(zhuǎn)換工質(zhì)，替代傳統(tǒng)蒸汽動力發(fā)電機(jī)組中的水蒸氣，實(shí)現(xiàn)從熱能到電能的轉(zhuǎn)換。
“相比于水蒸氣，超碳密度高、黏度低，且不會發(fā)生氣液相變，既能提高發(fā)電效率，又能縮小設(shè)備體積。”黃彥平告訴科技日報(bào)記者。但當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)尚處于理論階段，國內(nèi)還無人問津。
沒有經(jīng)驗(yàn)、沒有團(tuán)隊(duì)，黃彥平就帶著一位博士生“摸黑探索”。4年后，他心中有了答案：“這項(xiàng)技術(shù)一定可行！我必須做這件事，哪怕自籌經(jīng)費(fèi)。”
研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建后，項(xiàng)目還沒開始，就有人先給他潑冷水：“‘兩機(jī)三器’做不出來，用二氧化碳發(fā)電就是癡人說夢！”
“‘兩機(jī)’指壓氣機(jī)和透平機(jī)，‘三器’則指連接‘兩機(jī)’的熱源換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器。”黃彥平介紹，超碳在壓氣機(jī)和熱源換熱器中進(jìn)一步提升壓力與溫度后，高溫高壓的超碳進(jìn)入透平機(jī)，瞬間膨脹推動葉片高速旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的超碳經(jīng)回?zé)崞骱屠鋮s器回收能量并冷卻，返回壓氣機(jī)，開始新一輪循環(huán)。
自1948年超碳發(fā)電概念提出，還沒人能攻克“兩機(jī)三器”研制技術(shù)。由于物理性質(zhì)特殊，實(shí)現(xiàn)超碳發(fā)電必須要有通道更細(xì)密、換熱效率更高的微通道換熱器。黃彥平?jīng)Q定先“牽住”換熱器這個“牛鼻子”。
“項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)度非常緊張，我們要在一個月內(nèi)研制出微通道的板片。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員劉睿龍說，然而，用傳統(tǒng)的光化學(xué)蝕刻手段在不銹鋼薄板上精準(zhǔn)地加工出數(shù)百個直徑為1毫米的凹槽，太難了。“廠家每次提供的樣品精度都不達(dá)標(biāo)，情急之下，我和師弟費(fèi)俊杰直接去了蝕刻廠。”
在蝕刻廠里，兩個年輕小伙和技術(shù)工人常常討論到深夜，幾個人邊啃面包，邊研究樣板、分析測量精度，同時(shí)聯(lián)系其他同事優(yōu)化流道方案。幾周高強(qiáng)度工作下來，費(fèi)俊杰身體扛不住了，進(jìn)了醫(yī)院輸液退燒。“我想讓他多休息幾天，可他剛好一點(diǎn)就馬上回廠繼續(xù)干。”劉睿龍回憶。
經(jīng)過幾周的方案更新與工藝迭代，當(dāng)看到化學(xué)試劑均勻而精準(zhǔn)地在板片上“雕刻”出數(shù)百個微流道時(shí)，廠內(nèi)一位快60歲的老師傅不由得抹了抹眼淚。
“微通道板片研發(fā)傾注了太多人的心血！”劉睿龍感慨，“我們攻克了換熱器研制道路上首個‘?dāng)r路虎’。”
“拼接”百層板
微通道加工只是第一步。板片上下疊拼，凹槽相對，才能形成超碳流動通道。要想把幾百張板片摞起來，將每層的微小流道都嚴(yán)絲合縫焊在一起，就連最老練的焊工都難以完成。
常規(guī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了，黃彥平翻遍資料，把目光投向了真空擴(kuò)散焊接技術(shù)。“把板材像書頁一樣一頁頁疊好，施以真空高溫高壓，金屬原子就會發(fā)生擴(kuò)散，‘手牽手’緊緊結(jié)合在一起。”他解釋說。
雖然有了解決方案，但是國內(nèi)的真空擴(kuò)散焊接技術(shù)儲備卻是“一窮二白”。“我們不會設(shè)計(jì)焊機(jī)，國內(nèi)也加工不了，只能求助國外。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員唐佳告訴記者。
2017年，黃彥平帶著團(tuán)隊(duì)，興沖沖地前往彼時(shí)唯一具備制造能力的國外廠家調(diào)研。沒想到，一去就吃了個“閉門羹”。
“我們前后派了四撥人去，結(jié)果連實(shí)驗(yàn)室的門都進(jìn)不去，只能看看機(jī)器外殼。”黃彥平無奈地說，“最后一次，好不容易到了門口，他們卻告訴我，全世界只有3個人可以進(jìn)，將我‘轟’了回來。”
不久后，真空擴(kuò)散焊接技術(shù)更是被列入了商業(yè)管制清單，嚴(yán)格限制出口。面對技術(shù)的嚴(yán)防死守，黃彥平賭上一口氣：“既然不賣，那我們就自己干！”
在實(shí)驗(yàn)室燈光晝夜不熄的829天里，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了27次技術(shù)方案優(yōu)化調(diào)整，記錄本上的焊接參數(shù)累計(jì)迭代了218版，報(bào)廢的試驗(yàn)樣件堆滿了半間倉庫。
直到2021年一個隆冬的凌晨，當(dāng)?shù)?9次工藝試驗(yàn)的監(jiān)測屏幕突然跳出穩(wěn)定的綠色曲線時(shí)，劉睿龍用顫抖的雙手扶正眼鏡，反復(fù)核對閃爍數(shù)據(jù)，“焊接成功了！”一瞬間，團(tuán)隊(duì)壓抑了兩年的歡呼聲響徹整個廠房。
那一天，黃彥平輕撫微通道擴(kuò)散焊換熱器表面，聲音微微顫抖：“這里流過的不只是二氧化碳，更是中國科研人的志氣。”
如今，“超碳一號”不僅擁有全球單芯體長度最大的微通道擴(kuò)散焊換熱器，而且相比于傳統(tǒng)管殼式換熱器，換熱面積提升33%、熱負(fù)荷提升27%，體積更是縮小至1/10。其配套的真空擴(kuò)散焊接裝備關(guān)鍵參數(shù)也已全面超越國際同類產(chǎn)品。
“鎖住”臨界體
經(jīng)受住“三器”考驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)一鼓作氣，繼續(xù)攻堅(jiān)“兩機(jī)”難題。
壓縮機(jī)和透平機(jī)軸端留有密封間隙。如何不讓超碳從這些間隙“溜走”，降低機(jī)組能量損失？大家首先想到的是梳齒密封方案，這也是蒸汽發(fā)電防泄漏的常用方法。“但我們很快就否定了該方案。”團(tuán)隊(duì)成員陳堯興解釋，“超碳壓縮機(jī)和透平機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸小，且需在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行，梳齒密封很難達(dá)到目的。”
當(dāng)時(shí)，國外已有一些成功密封案例。黃彥平出國咨詢，外國專家只告訴他一句話，不要做100千瓦以上的機(jī)組。聽說黃彥平要做兆瓦級機(jī)組，那些專家想都沒想就笑著搖頭：“怎么可能？”
黃彥平偏不信邪：“我這個人比較倔，別人越說不行，就越要想方設(shè)法找到解決方案。”
使用什么材料、采用何種結(jié)構(gòu)……團(tuán)隊(duì)抽絲剝繭，一步步分析。先后對比試驗(yàn)了刷絲密封、孔型密封、蜂窩密封等方式后，他們最終敲定了號稱“零泄漏”的干氣密封技術(shù)。
“干氣密封技術(shù)雖然相對成熟，但由于‘超碳一號’機(jī)組高溫高壓的苛刻條件，我們并不能將技術(shù)直接拿來用。”陳堯興說。
又一次從零開始。從靜態(tài)到動態(tài)、從低溫到高溫、從低壓到高壓……實(shí)驗(yàn)室里，團(tuán)隊(duì)成員緊盯著控制屏幕，時(shí)刻關(guān)注實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。
每升高100℃就是一道坎。每一次升溫，陳堯興心里都要默念一遍：“一定要穩(wěn)住，千萬別漏。”
超碳接觸空氣的瞬間非常美，會噴出漂亮的雪花。“但這是我們最不想看到的事。”陳堯興笑著攤了攤手，“那樣就完了，說明超碳泄漏了。”
即將達(dá)到500℃的那一刻，實(shí)驗(yàn)室里的空氣仿佛凝滯，陳堯興緊張得心怦怦直跳。
“沒有溢出，穩(wěn)了！”宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)果那一刻，壓在團(tuán)隊(duì)成員心頭的重石總算落了地。“我們實(shí)現(xiàn)了兆瓦級超碳渦輪的干氣密封，這在全球都是第一次。”黃彥平自豪地告訴記者。
從2009年的一張小紙條，到2019年實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證成功；從2023年“超碳一號”項(xiàng)目正式開工，到2025年底成功商運(yùn)——黃彥平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)十幾年如一日，終于將“冷板凳”坐“熱”，在超碳發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了世界領(lǐng)先。 （科技日報(bào)記者 陳瑜 吳葉凡）
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