最容易讓人理解的說法是，“超超臨界”意味著火電廠能用最少的煤發(fā)出最多的電。
下面這組數(shù)據(jù)是我國的電能組成，可以看到，在2020年我國火力發(fā)電量占了全年發(fā)電量的65%。隨著社會的發(fā)展，國內(nèi)電力需求也越來越大，截至2020年底，我國全社會用電量達(dá)到7.5萬億千瓦時(shí)，同比增長3.1%，人均用電量約5357千瓦時(shí)。因此提高火力發(fā)電的效率具有十分重大的意義，利用“超超臨界”發(fā)電機(jī)組發(fā)電便是其中的技術(shù)之一。
比如使用超超臨界機(jī)組的上海外高橋第三發(fā)電廠，他們每向外提供1度電只需燃燒274克煤。而作為對比，日本排名第一的磯子電廠新1號機(jī)組，2009年時(shí)，他們每向外供1度電需要燃煤304克。如果不是使用超超臨界技術(shù)，煤耗就更高了，向外供1度電需要燃煤330克至340克。
也正因此，2015年10月，美國《電力雜志》將上海外高橋第三發(fā)電廠評選為2015年度世界頂級火力發(fā)電廠，因?yàn)樗侨虻谝粋€(gè)將供電煤耗降到280克以下的發(fā)電廠。
以上咱們只是對“超超臨界”有一個(gè)總的認(rèn)識，下面咱們來好好了解一下它。
臨界乳光
要理解超超臨界，我們首先得了解一下什么是“臨界”。
臨界是指由某一種狀態(tài)或物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)或物理量的最低轉(zhuǎn)化條件。
對于火力發(fā)電而言，簡單理解就是用煤“燒水”，使水變成水蒸氣，這個(gè)過程中，蒸氣膨脹產(chǎn)生高壓后推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
著名物理學(xué)家皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)，一塊磁鐵加熱后，其磁性會消失。問題來了，加熱到多少溫度時(shí)磁性才會消失？這個(gè)溫度就是磁鐵的臨界溫度，為了紀(jì)念居里，又叫做居里溫度。
同理，水也有自己的臨界點(diǎn)。我們知道，水加熱后會變成蒸氣，但這是在空曠環(huán)境下，如果是在一個(gè)密閉的容器中加熱呢？此時(shí)，加熱密閉容器，容器中的水會蒸發(fā)，這會增加容器內(nèi)的壓力，而壓力越大，水的沸點(diǎn)就越高。比如高壓鍋，我們要加熱到120℃左右，高壓鍋中的水才會沸騰。
問題來了。我們還是以高壓鍋來舉例子，假設(shè)這個(gè)高壓鍋異常堅(jiān)固，并且是完全密封的。
此時(shí)，我們加熱高壓鍋內(nèi)的水，讓其內(nèi)部的氣壓不斷增加，繼而里面水的沸點(diǎn)也會不斷升高，這是我們可以預(yù)見的。
但是，如果我們一直這么加熱下去，讓高壓鍋內(nèi)的水溫不斷升高，最后會出現(xiàn)什么情況？
對于這個(gè)問題，150多年前的人們一直很困惑。直到1869年，英國物理學(xué)家安德魯斯在皇家學(xué)會作了一個(gè)研究報(bào)告，這才解決了問題。
安德魯斯沒有選擇水，這是他聰明的地方，他選擇二氧化碳做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槎趸挤悬c(diǎn)很低，零下56.55℃時(shí)就沸騰了。
他加熱密閉容器中的液態(tài)二氧化碳，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，在31℃附近時(shí)，容器內(nèi)的液態(tài)二氧化碳和氣態(tài)二氧化碳，兩者之間的差別完全消失了。也就是說，加熱前，容器內(nèi)有一個(gè)液態(tài)面，液態(tài)面上方是二氧化碳?xì)怏w。
但溫度到達(dá)31℃時(shí)，你就分不清容器內(nèi)到底是氣體還是液體了，它變成了我們現(xiàn)在說的“超臨界流體”。
于是我們說，31.04℃就是二氧化碳的臨界溫度，在這個(gè)溫度下，容器內(nèi)對應(yīng)的氣壓就是二氧化碳的臨界氣壓。
超臨界流體有很多奇妙的性質(zhì)
比如它具有氣體的可壓縮性，又同時(shí)具有類似于液體的較大密度和較大的溶解度，這讓其具有很多重要的作用，我們可以用它從咖啡豆里面提取咖啡因，這就是超臨界流體萃取。
“臨界乳光”現(xiàn)象。
最后，液體在到達(dá)自身臨界溫度時(shí)的那一刻會呈現(xiàn)出乳白色，這種現(xiàn)象就叫做“臨界乳光”。
現(xiàn)在，咱們再來看看水的臨界溫度和臨界氣壓。
在約374℃和22.1兆帕（約等于218個(gè)大氣壓）下，水變成了超臨界流體。
我們都知道，火電站發(fā)電是通過將水加熱，變成高溫高壓水蒸氣沖擊汽輪機(jī)從而發(fā)電的。
更大的密度：超臨界流體的密度比氣體大100倍左右，與一般液體密度相近，所以同體積的超臨界流體會和同體積的一般液體重量相差不大，大質(zhì)量臨界態(tài)水在推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便能夠提供更大的推力。
更小的黏度：超臨界流體由于分子運(yùn)動(dòng)劇烈，導(dǎo)致流動(dòng)過程中的黏度減小，也就是超臨界流體內(nèi)部的摩擦力小。那么在流動(dòng)過程中能量的損耗也就會越少，因此能量利用效率也會得到提高。
正因?yàn)槌R界流體具有這些性質(zhì)，那么發(fā)電過程中利用水的超臨界狀態(tài)也能夠使火力發(fā)電的效率得到很大的提升。一般來說，根據(jù)水的臨界點(diǎn)劃分，如果某個(gè)火電廠，它的水蒸氣壓力低于218個(gè)大氣壓，那么它的發(fā)電機(jī)組就是亞臨界機(jī)組。如果蒸氣壓超過218個(gè)大氣壓，那么就是超臨界機(jī)組。
那什么又是超超臨界呢？
其實(shí)，超超臨界并不是一種物理學(xué)上的劃分，而只是一種工業(yè)上的稱謂，僅僅是表示更高的壓力和更高的溫度。國際上，不同國家對超超臨界的起始溫度和壓力的定義不同。
比如日本的定義是大于24.2兆帕，或達(dá)到593℃;丹麥?zhǔn)谴笥?7.5兆帕;而我國一般是壓力高于27兆帕，或溫度高于580℃。
這說的只是起始溫度，實(shí)際上，我國運(yùn)行的超超臨界機(jī)組大多在600℃。
如果發(fā)電機(jī)組擁有更高的壓強(qiáng)以及更大的壓力，那么也被稱為“超超臨界機(jī)組”。不同國家對超超臨界的標(biāo)準(zhǔn)定義不一樣，我國一般是壓力高于27兆帕，或溫度高于580℃。
采用超超臨界機(jī)組發(fā)電，蒸氣管道能夠造得更小，同時(shí)汽輪也不需要太大便可以提供巨大的扭矩，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。從理論上來說，如果蒸氣壓力越大，那么發(fā)電效率也會越高，因此關(guān)于超超臨界發(fā)電技術(shù)還在不斷攻克當(dāng)中，但在目前，中國超超臨界發(fā)電機(jī)已經(jīng)走在世界前列。
十年磨一克
超超臨界意味著更高的蒸氣溫度和氣壓，而輸入汽輪機(jī)的蒸氣溫度和氣壓越高，效率也就越高，這可以從卡諾循環(huán)和朗肯循環(huán)這兩個(gè)理論上予以證明。
然而若去證明，網(wǎng)友們必睡倒一片。但不證明，這說法又顯得抽象。所以咱們就試著從別的角度來說說。
能量是有品質(zhì)之分的，溫度越高，品質(zhì)越高。
想象一下，相同體積的高壓鍋和氣球，顯然，因?yàn)楦邏哄亙?nèi)部氣壓高，含有的氣體量大。如果我們希望氣球內(nèi)含有的氣體也跟高壓鍋一樣多，那就得把氣球體積增大很多很多倍，變成大氣球。
所以，火電站中，如果產(chǎn)生的蒸氣溫度越高，氣壓越大，那么相應(yīng)地，輸送蒸氣的管道就能造的比較小，否則就是龐然大物。同理，汽輪機(jī)的體積也會大大減小，這能減少鋼鐵的使用量。
火電廠降低煤耗意味著減少污染，提高經(jīng)濟(jì)性。所以，在火電行業(yè)內(nèi)流傳著：
“十年磨一克”、“十克煤耗，一代技術(shù)”的說法。
上海外高橋第三發(fā)電廠是全球第一個(gè)將供電煤耗降到280克以下的發(fā)電廠，其機(jī)組蒸氣溫度600℃，發(fā)電效率提高到了驚人的45.4%。
然而，這還不是火電技術(shù)的終點(diǎn)，中國700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)試驗(yàn)平臺已投入運(yùn)行。未來，若700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)商業(yè)運(yùn)行后，火電的發(fā)電效率將有望提升到50%。 |
