封面新聞?dòng)浾?邊雪 貴州采訪報(bào)道

個(gè)位數(shù)的氣溫夾雜微雨，12月的貴州六盤(pán)水，讓人頓感冬日寒意，但在首鋼水鋼集團(tuán)的廠區(qū)內(nèi)，氣氛卻火熱異常。全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組，正穩(wěn)定運(yùn)行，將燒結(jié)生產(chǎn)線排放的滾滾廢熱，轉(zhuǎn)化為清潔電能。

看著屏幕前機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，中核集團(tuán)首席科學(xué)家，“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平臉上露出了笑容。這一刻，他等了十五年。

傳統(tǒng)電廠燒煤、燒氣，本質(zhì)都是把水燒成蒸汽去推動(dòng)汽輪機(jī)。“有相變，有巨大的能源損失，系統(tǒng)復(fù)雜得像一座城堡。”而黃彥平和團(tuán)隊(duì)選擇的道路，是用二氧化碳——這種既讓人愛(ài)又讓人頭疼的氣體，在超臨界狀態(tài)下直接做功。

中核集團(tuán)首席科學(xué)家，“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。（受訪者供圖）

“我們干的這件事，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是不用‘燒開(kāi)水’了。”黃彥平帶著科研工作者特有的直白解釋道，經(jīng)過(guò)十余年的攻關(guān)，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)產(chǎn)學(xué)研體系已經(jīng)建立，全國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)成型，具備全面工程應(yīng)用條件。

封鎖，從零開(kāi)始攻關(guān)

時(shí)間倒回2009年。黃彥平，這位核反應(yīng)堆工程專家，在探索新的動(dòng)力循環(huán)技術(shù)途中，盯上了超臨界二氧化碳。

彼時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已是前沿?zé)狳c(diǎn)。2007年，它被寫(xiě)入奧巴馬政府的國(guó)情咨詢報(bào)告，稱為將替代全球近九成蒸汽動(dòng)力的“顛覆性技術(shù)”。一年后，更入選《麻省理工科技評(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”。

而在國(guó)內(nèi)，一切需從零開(kāi)始。“最早就是找各方要理解的過(guò)程，”黃彥平回憶，“大家的第一反應(yīng)是：二氧化碳？那不是溫室氣體嗎？還能發(fā)電？”

更大的困難，來(lái)自技術(shù)封鎖。研發(fā)的核心裝備之一——微通道擴(kuò)散焊換熱器，是系統(tǒng)的“心臟”。其制造母機(jī)，全球只有兩家外國(guó)公司能提供。“我們?nèi)フ勝?gòu)買，對(duì)方先是答應(yīng)，后來(lái)連談都不讓談了。”黃彥平告訴封面新聞?dòng)浾撸槐频綁牵炊芗ぐl(fā)出斗志。“既然買不來(lái)，那就自己造！”

隨后，黃彥平聯(lián)合高校團(tuán)隊(duì)，從零開(kāi)始攻關(guān)微通道換熱器的全鏈條技術(shù)：從特殊鋼材的原材料，到微通道板片的蝕刻成型，再到最關(guān)鍵的——制造那臺(tái)“工業(yè)母機(jī)”。

“大家現(xiàn)在看到的那臺(tái)2.5米長(zhǎng)的擴(kuò)散焊機(jī)，全球只有三臺(tái)。”黃彥平的語(yǔ)氣里帶著自豪，“另外兩臺(tái)是他們的，這一臺(tái)，是我們自己的。”

突圍，領(lǐng)先全新賽道

硬件封鎖只是第一關(guān)。超臨界二氧化碳作為一個(gè)動(dòng)力工質(zhì)，其物性數(shù)據(jù)、循環(huán)設(shè)計(jì)、控制邏輯，在國(guó)內(nèi)全是空白。

“我們連二氧化碳在超臨界狀態(tài)下到底什么脾氣都不知道。”黃彥平坦言。沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)軟件，團(tuán)隊(duì)就從編寫(xiě)第一行代碼開(kāi)始，搭建自己的仿真平臺(tái)。

“我們要實(shí)現(xiàn)從熱源到發(fā)電全鏈條的統(tǒng)一建模，不能讓各個(gè)專業(yè)模塊‘各自為政’。”黃彥平告訴封面新聞，這支跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，硬是啃下了這塊骨頭。如今，這套軟件已成為國(guó)內(nèi)十余所高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)工具，被國(guó)際期刊列為該領(lǐng)域代表性仿真軟件之一。

關(guān)鍵設(shè)備隨之接連突破。2018年，首臺(tái)兆瓦級(jí)壓縮機(jī)出廠；2019年10月15日，一個(gè)讓團(tuán)隊(duì)銘記的日子——全球首次實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)超臨界二氧化碳簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)滿功率穩(wěn)定運(yùn)行。

“那天晚上，大家看著儀表盤(pán)上所有參數(shù)穩(wěn)穩(wěn)達(dá)到設(shè)計(jì)值，很多人眼圈都紅了。”黃彥平回憶道。2021年4月，性能更優(yōu)的再壓縮循環(huán)系統(tǒng)也宣告成功，效率較第一代提升約30%。

“兩機(jī)”（壓縮機(jī)、透平機(jī)）、“三器”（回?zé)崞鳌⒗鋮s器、吸熱器）的型譜化家族逐漸成型。設(shè)備越來(lái)越緊湊：第三代壓縮機(jī)一體機(jī)的體積，比第一代小了近一半；最新的一體式PC機(jī)組，將壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、電機(jī)高度集成，結(jié)構(gòu)精妙。

“目前我們?cè)谡淄呒?jí)系統(tǒng)的工程化上，比美國(guó)略微領(lǐng)先一點(diǎn)。”黃彥平告訴封面新聞?dòng)浾撸骸斑@是個(gè)全新的賽道，我們和他們，都在摸石頭過(guò)河，但我們先摸到了幾塊關(guān)鍵的石頭。”

落地，產(chǎn)學(xué)研用深度融合

技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，需要找到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。2022年夏天，轉(zhuǎn)機(jī)來(lái)了。

濟(jì)鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司的負(fù)責(zé)人高總找到了黃彥平。對(duì)方開(kāi)門(mén)見(jiàn)山：“我們對(duì)你們的技術(shù)有興趣，想看看能不能用在鋼鐵廠的余熱回收上。”

“我記得那天特別熱，高總到我辦公室，襯衫都汗?jié)裢噶恕！秉S彥平回憶，“我們就談了三個(gè)問(wèn)題：你們有沒(méi)有興趣？有沒(méi)有錢？有沒(méi)有合適的廠子？”

答案都是肯定的。濟(jì)鋼國(guó)際是中國(guó)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)的開(kāi)拓者，有技術(shù)情懷，也有工程實(shí)力。雙方一拍即合。2023年5月簽署框架協(xié)議，8月確定在首鋼水鋼以EMC（合同能源管理）模式落地，12月項(xiàng)目正式動(dòng)工。推進(jìn)速度之快，超乎想象。

“我們負(fù)責(zé)核心的動(dòng)力島，他們負(fù)責(zé)工程總包和余熱接口。”黃彥平說(shuō)，“這是真正的產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，各展所長(zhǎng)。”為什么是鋼鐵行業(yè)？數(shù)據(jù)給出了殘酷的答案：中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放約占全國(guó)總排放量的15%，其中大量能量以400-600℃的燒結(jié)煙氣形式浪費(fèi)。傳統(tǒng)水蒸氣循環(huán)對(duì)此“水土不服”，效率低下。

“超碳一號(hào)”的切入，精準(zhǔn)命中痛點(diǎn)。根據(jù)測(cè)算，在水鋼的項(xiàng)目中，在燒結(jié)礦產(chǎn)量不變的前提下，余熱利用效率提升42%，凈發(fā)電量提升85%以上。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備減少，占地節(jié)約一半，運(yùn)維更簡(jiǎn)單。

經(jīng)濟(jì)效益擺在那里。黃彥平算了一筆賬：“僅全國(guó)燒結(jié)機(jī)改造，就是一個(gè)近700億的市場(chǎng)。再加上化工、水泥、光熱發(fā)電……前景非常廣闊。”

全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組。（封面新聞?dòng)浾?邊雪 拍攝）

未來(lái)，技術(shù)邊界不斷拓展

“超碳一號(hào)”技術(shù)的落地，不是一個(gè)終點(diǎn)，而是一個(gè)起點(diǎn)。

在黃彥平的藍(lán)圖里，下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)是新疆。那里風(fēng)電、光伏資源豐富，但“棄電”問(wèn)題嚴(yán)重。2024年，中核集團(tuán)啟動(dòng)了50兆瓦“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項(xiàng)目，已入選國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備。

“我們的技術(shù)啟動(dòng)快、調(diào)峰能力強(qiáng)，正好匹配新能源的間歇性特點(diǎn)。”黃彥平解釋，“早上太陽(yáng)出來(lái)，系統(tǒng)幾分鐘就能滿負(fù)荷運(yùn)行；云來(lái)了，又能快速降下來(lái)。這是傳統(tǒng)蒸汽機(jī)組難以做到的。”

更大的功率等級(jí)也在規(guī)劃中。“現(xiàn)在最大單機(jī)是16.7兆瓦，要做到50兆瓦、100兆瓦，對(duì)材料、軸承、密封都是極限挑戰(zhàn)。”但他信心十足，“我們?cè)u(píng)估過(guò)，現(xiàn)有技術(shù)路線支撐100兆瓦等級(jí)沒(méi)有問(wèn)題。”

從軍工動(dòng)力到工業(yè)節(jié)能，從余熱利用到電網(wǎng)調(diào)峰，超臨界二氧化碳這項(xiàng)技術(shù)的邊界正在不斷拓展。

采訪尾聲，黃彥平望向窗外。他想起十幾年前，自己剛開(kāi)始探索這項(xiàng)技術(shù)時(shí)的迷茫與堅(jiān)定。“能源轉(zhuǎn)型是一場(chǎng)長(zhǎng)征，”他說(shuō)，“我們只是走完了突破核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)工程示范的第一段路。”

“接下來(lái)，是要讓它真正在更多行業(yè)扎根，開(kāi)花結(jié)果，為國(guó)家‘雙碳’目標(biāo)實(shí)實(shí)在在地出力。”黃彥平頓了頓，補(bǔ)充道：“這條路很難，但當(dāng)你看到自己親手設(shè)計(jì)的機(jī)器，真的把那些原本排到空中的廢熱，變成電輸送給千家萬(wàn)戶時(shí)，你會(huì)覺(jué)得，一切值得。”

此刻，在六盤(pán)水，那臺(tái)以二氧化碳為‘血液’的鋼鐵巨獸，正平穩(wěn)呼吸，持續(xù)不斷地將熱量轉(zhuǎn)化為光明與動(dòng)力：它轟鳴的聲響，似在訴說(shuō)著一段關(guān)于突圍、創(chuàng)新與堅(jiān)持的中國(guó)科技故事。

而黃彥平和他的戰(zhàn)友們，仍步履不停，奔向下一個(gè)“創(chuàng)新之地”。