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中国超超临界发电机组占全球半壁江山,这“超超临界”到底是啥?

2018-12-02 05:39:00   来源:   评论:0 点击:
中国超超临界发电机组占全球半壁江山,这超超临界到底是啥?容易让人理解的说法是,超超临界意味着火电厂能用最少的煤发出最多的电。比如使
中国超超临界发电机组占全球半壁江山,这“超超临界”到底是啥?
 
容易让人理解的说法是,“超超临界”意味着火电厂能用最少的煤发出最多的电。比如使用超超临界机组的上海XXX第三发电厂,他们每向外提供1度电只需燃烧274克煤。而作为对比,日本排名第一的矶子电厂新1号机组,2009年时,他们每向外供1度电需要燃煤304克。如果不是使用超超临界技术,煤耗就更高了,向外供1度电需要燃煤330克至340克。
 
也正因此,2015年10月,美国《电力杂志》将上海XXX第三发电厂评选为2015年度世界顶级火力发电厂,因为它是全球第一个将供电煤耗降到280克以下的发电厂。
 
以上咱们只是对“超超临界”有一个总的认识,下面咱们来好好了解一下它。
 
临界乳光
 
要理解超超临界,我们首先得了解一下什么是“临界”。
 
著名物理学家皮埃尔·居里发现,一块磁铁加热后,其磁性会消失。问题来了,加热到多少温度时磁性才会消失?这个温度就是磁铁的临界温度,为了纪念居里,又叫做居里温度。
 
同理,水也有自己的临界点。我们知道,水加热后会变成蒸气,但这是在空旷环境下,如果是在一个密闭的容器中加热呢?此时,加热密闭容器,容器中的水会蒸发,这会增加容器内的压力,而压力越大,水的沸点就越高。比如高压锅,我们要加热到120℃左右,高压锅中的水才会沸腾。
 
问题来了。我们还是以高压锅来举例子,假设这个高压锅异常坚固,并且是完全密封的。
 
此时,我们加热高压锅内的水,让其内部的气压不断增加,继而里面水的沸点也会不断升高,这是我们可以预见的。
 
但是,如果我们一直这么加热下去,让高压锅内的水温不断升高,最后会出现什么情况?
 
对于这个问题,150多年前的人们一直很困惑。直到1869年,英国物理学家安德鲁斯在皇家学会作了一个研究报告,这才解决了问题。
 
安德鲁斯没有选择水,这是他聪明的地方,他选择二氧化碳做实验,因为二氧化碳沸点很低,零下56.55℃时就沸腾了。
 
他加热密闭容器中的液态二氧化碳,结果他发现,在31℃附近时,容器内的液态二氧化碳和气态二氧化碳,两者之间的差别完全消失了。也就是说,加热前,容器内有一个液态面,液态面上方是二氧化碳气体。
 
但温度到达31℃时,你就分不清容器内到底是气体还是液体了,它变成了我们现在说的“超临界流体”。
 
于是我们说,31.04℃就是二氧化碳的临界温度,在这个温度下,容器内对应的气压就是二氧化碳的临界气压。
 
超临界流体有很多奇妙的性质,比如它具有气体的可压缩性,又同时具有类似于液体的较大密度和较大的溶解度,这让其具有很多重要的作用,我们可以用它从咖啡豆里面提取咖啡因,这就是超临界流体萃取。
 
中国超超临界发电机组占全球半壁江山,这“超超临界”到底是啥?
 
“临界乳光”现象。
 
最后,液体在到达自身临界温度时的那一刻会呈现出乳白色,这种现象就叫做“临界乳光”。
 
现在,咱们再来看看水的临界温度和临界气压。
 
在约374℃和22.1兆帕(约等于218个大气压)下,水变成了超临界流体。
 
我们都知道,火电站发电是通过将水加热,变成高温高压水蒸气冲击汽轮机从而发电的。
 
中国超超临界发电机组占全球半壁江山,这“超超临界”到底是啥?
 
图为某种汽轮机内部转子,图片来自Christine und David Schmitt。
 
如果某个火电厂,它的水蒸气压力低于218个大气压,那么它的发电机组就是亚临界机组。如果蒸气压超过218个大气压,那么就是超临界机组。
 
那什么又是超超临界呢?
 
其实,超超临界并不是一种物理学上的划分,而只是一种工业上的称谓,仅仅是表示更高的压力和更高的温度。国际上,不同国家对超超临界的起始温度和压力的定义不同。
 
比如日本的定义是大于24.2兆帕,或达到593℃;丹麦是大于27.5兆帕;而我国一般是压力高于27兆帕,或温度高于580℃。
 
这说的只是起始温度,实际上,我国运行的超超临界机组大多在600℃。
 
十年磨一克
 
超超临界意味着更高的蒸气温度和气压,而输入汽轮机的蒸气温度和气压越高,效率也就越高,这可以从卡诺循环和朗肯循环这两个理论上予以证明。
 
若去证明,网友们必睡倒一片。但不证明,这说法又显得抽象。所以咱们就试着从别的角度来说说。
 
想象一下,相同体积的高压锅和气球,显然,因为高压锅内部气压高,含有的气体量大。如果我们希望气球内含有的气体也跟高压锅一样多,那就得把气球体积增大很多很多倍,变成大气球。
 
所以,火电站中,如果产生的蒸气温度越高,气压越大,那么相应地,输送蒸气的管道就能造的比较小,否则就是庞然大物。同理,汽轮机的体积也会大大减小,这能减少钢铁的使用量。
 
火电厂降低煤耗意味着减少污染,提高经济性。所以,在火电行业内流传着“十年磨一克”“十克煤耗,一代技术”的说法。
 
上海XXX第三发电厂是全球第一个将供电煤耗降到280克以下的发电厂,其机组蒸气温度600℃,发电效率提高到了惊人的45.4%。
 
然而,这还不是火电技术的终点,中国700℃超超临界燃煤发电技术试验平台已投入运行。未来,若700℃超超临界发电技术商业运行后,火电的发电效率将有望提升到50%。

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