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薛偉傑:火力發電改二氧化碳推動 助提升效率

【明報專訊】過去百多年,火力發電廠主要都是利用水蒸氣作為介質來推動渦輪轉動,從而產生電力。然而,這個傳統設計在未來10年或會出現變化。火力發電廠或可能逐步棄用水蒸氣,改為使用二氧化碳來推動渦輪轉動。業者指出,這除了可以令渦輪的體積大幅縮小,發電廠造價降低之外,還可以略為提高發電效率。

2021年12月8日,中國華能集團宣布,該公司一套自主研發、使用超臨界二氧化碳循環作為介質的火力發電試驗機組,在西安熱工院完成了連續72小時的試驗運行。

華能試驗機組運行72小時

在滿負荷運行期間,機組溫度最高達到攝氏600度,壓力最高達到20Mpa,而發電功率則達到5MW,系統各項指標全面達到設計要求,實現了高標準的安全穩定運行。華能集團更聲稱,這套試驗機組將會「正式投運」。筆者估計,試驗機組將會經年累月地進行運行試驗,有如真正商業發電般。

這宗新聞一出,內地網絡上就是一片歡呼聲,當然少不了打破外國壟斷、領先全世界等術語。究竟火力發電改用二氧化碳循環作為介質的意義在那裏?

這裏要從火力發電的運作方式說起。首先要知道,要將熱力直接轉化成電力,是很困難的。所以傳統上,火力發電廠都是先將水加熱,成為高溫及高壓的水蒸氣,利用水蒸氣在高溫時膨脹,來推動渦輪轉動,從而產生電力。

理論上,利用其他惰性氣體作為介質來推動渦輪,也是可行的。只不過,由於一般惰性氣體(如氦氣等)的密度都很低,甚至比水蒸氣更低,所以在實際商業應用中,絕大多數火力發電廠都會使用水蒸氣。

至於所謂「超臨界二氧化碳」,則是指處於超臨界狀態時的二氧化碳。超臨界狀態是固態、液態、氣態3種狀態之外的另一種狀態,其特點是同時兼具氣態和液態的特性。

渦輪體積料大幅縮小

所以,一方面,超臨界二氧化碳的密度好像液態二氧化碳那麼高。另一方面,超臨界二氧化碳又好像氣態二氧化碳般,在受熱時會膨脹,可以用來推動渦輪轉動。由於處於高溫及高壓時的超臨界二氧化碳的密度比水蒸氣還高,以超臨界二氧化碳代替水蒸氣作為工作介質,推動渦輪轉動產生電力的效果便較好。

現時,內地業內人士的說法是,與傳統使用水蒸氣作為介質相比,若使用超臨界二氧化碳作為介質,渦輪機組的體積可以大幅縮小至傳統的25分之1。而且,二氧化碳是非常穩定的惰性氣體,不會產生生鏽或腐蝕設備等問題,材料要求也可以降低一點。因此,火力發電廠的投資造價有望降低一截。

至於發電效率方面,據說在同樣600度的溫度下,使用超臨界二氧化碳作為介質的機組的發電效率,會比使用水蒸氣作為介質的機組高出3%至5%。業內人士指出,火力發電技術已有100多年歷史,其效率已經優化得七七八八,很難再有大幅度的提升。因此若能提升3%至5%,已算不錯。

而除了燃燒化石燃料的火力發電廠之外,其實核能發電廠和太陽能光熱發電廠也同樣一直是將水加熱成為水蒸氣,再利用水蒸氣來推動渦輪轉動產生電力。所以,未來核能發電廠和太陽能光熱發電廠也可望轉用超臨界二氧化碳作為介質,來提升發電效率。此外,核動力船隻的發電機組的體積亦可望大幅縮小。對於核動力的航空母艦、潛艇和破冰船等,其意義相當重大。

核電廠核動力船可受惠

事實上,美國研究使用超臨界二氧化碳來推動渦輪,比中國起步更早,至少已經研究了10多年,甚至三數十年。只不過,美國似乎將研究重點放在核動力航母和潛艇方面,對於成果和進度嚴格保密,極少向外透露。而華能集團則表示,上述的試驗機組研究了7年,核心設備全部國產,已申請了超過400項專利。

筆者詢問過一些熟悉發電技術的專業人士。後者表示,華能的試驗機組能夠連續運行72小時,已不算短。但5MW的發電功率和商業發電廠的普遍超過100MW甚至1GW相比,仍然有很大差別。不過,火力發電機組轉用超臨界二氧化碳來推動渦輪,在設計上並不需要翻天覆地的改動。因此他認為,其商業化有望在8至10年後實現。

明報記者 薛偉傑

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