火电人的攻坚：十年磨一克
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风能、太阳能以及核能代表着十分美好的未来，介绍它们的文章很多，且精彩纷呈。
不过此刻，努力向未来锐意进取的我们，不妨稍停脚步，关注一下当下的现实。
现实是什么？现实是：
2018年中国火电发电量占比高达70%以上。这意味着，我们每天使用的电中，约7成来自火电。
供电煤耗
孔雀煤，图片来自FossilPlants
火电厂向外界提供1度电需要烧多少克煤？这个数据就是供电煤耗。从电厂角度来说，需要的煤越少，利润越高；而从用户和环保角度来说，煤耗越低，污染越少，电费也越便宜。
所以，最低的煤耗一直是国内外火电厂孜孜以求的目标。最近几十年，在火电界流传着这么两句话：
十年磨一克。
十克煤耗，一代技术。
1949年，我国火电厂每发1度电要消耗1000克标准煤。随着技术的改进，到1978年，供电煤耗下降到471克。
那么，2019年的今天，我国的供电煤耗又降到了多少？与发达国家相比又如何？
答案稍后介绍，我们先来看看当今火电界，那些研究火电的科学家们，他们为了减排降耗，为了不断逼近效率极限，都做了哪些努力，又取得了哪些成绩。
二次再热
无论是火电还是核电，它们的基本原理无非就是把水加热，形成水蒸汽，引流到汽轮机后，高温高压水蒸汽迅速膨胀，推动汽轮机叶片并做功。
未加盖的汽轮机。图片来自André L. Guimarães
水蒸汽流经汽轮机时，气压会一步步降低，因此，汽轮机是分成好几个缸的，比如高压缸、中压缸、低压缸等。
汽轮机3个缸示意图，图片来自Learn Engineering视频截图
一个有趣的问题是，汽轮机最爱什么样的蒸汽？
答案是干蒸汽，即水完全是气态水分子的状态。干蒸汽冲击在叶片上，那感觉真是比白云还要温柔，而汽轮机的寿命也会因其的“呵护”大大延长。
与干蒸汽相对的是“湿蒸汽”，即蒸汽中携带了部分液体水。虽然汽轮机最爱干蒸汽，然而，当蒸汽从高压缸进入中压缸时，蒸汽的“干度”会不可避免地降低。
所谓干度，即：
每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数。
为提高蒸汽的干度，早期的火电专家们将流经高压缸后的蒸汽引出来一部分，将其送至锅炉中再热一次，然后送入中压缸。
此过程就是一次再热。
可让他们意想不到的是，一次再热绝不仅仅是提高干度，让汽轮机感到温柔一些那么简单，实际上，经过一次再热后，火电厂的发电效率居然也随之提高了。
这样也可以？那好吧，再来一次！
此乃二次再热。
不过呢，二次绝不是一次的简单重复。为了实现二次再热，通常需要在汽轮机的高压缸前面再加一个“超高压缸”。
所以，在火力发电厂里，二次再热的过程是这样的：
高温高压水蒸汽先冲到超高压缸，出来后，回到锅炉再热一次。接着冲到高压缸，之后又去锅炉再热一次，然后才是冲到中压缸，最后是低压缸。
完整的汽轮机特写，图片来自GE Power
说起来简单，但二次再热包含的技术远超常人想象。
2019年9月，新华网转发《科技日报》一篇文章，标题是《我国二次再热发电技术领跑世界》。
晃眼看去好似标题党，实则不然。接下来你会看到，标题即事实。
超超临界
超超临界是什么？它其实包含三个概念：临界、超临界和超超临界。
持续加热一杯水，水最终会完全蒸发。现在，请设想这样一个问题，如果持续加热密闭容器中的水，最终又会怎样？
显然，水温会不断上升，同时内部压力不断变大，继而导致水的沸点不断升高。继续加热，密闭容器里的压力继续增大，沸点也会随之提高……
问题来了，何时是个头？
1869年，英国物理学家安德鲁斯解决了这个问题。
二氧化碳的沸点很低，零下56.55℃时就会沸腾。于是安德鲁斯尝试加热密闭容器中的液态二氧化碳，结果他发现：
温度临近31℃时，容器内液态二氧化碳和气态二氧化碳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31.04℃时，你就分不清容器内到底是气体还是液体了，它变成了“超临界流体”。
此为动图，来自Flachzange1337视频截图
于是，我们可以说，31.04℃就是二氧化碳的临界温度。在这个状态下，容器内对应的气压就是二氧化碳的临界压力。
而超临界流体，它说的是：
当物质在超过临界温度和临界压力以上时的一种物质状态。
同理，经过持续加热，密闭容器中的水也会在超过其临界温度和压力时，变成超临界流体，水的这个临界温度和临界压力大约是374℃和22.1兆帕。
一般来说，火电厂的锅炉如果烧出来的蒸汽压力低于22.1兆帕，就称为亚临界锅炉。
高于22.1兆帕，同时温度高于374℃的，则称为超临界锅炉。
那超超临界锅炉又是怎么定义的呢？亚临界和超临界中间有一个物理意义上的临界点，易区分。
但超超临界和超临界之间就没有明确的点了，所以各国的定义也有所不同。比如说：
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;而我国超超临界机组一般是指压力高于27兆帕，或温度高于580℃。
火电厂之所以要拼命烧出更高温度和更高压力的蒸汽，原因是这样发电效率最高。其原理可以从卡诺循环和朗肯循环这两个热力学理论予以说明。
形象的理解是，蒸汽的温度和压力越高，那么它在汽轮机里膨胀得越凶猛，做功越厉害。
好比一个高压锅，如里面只是一个大气压，它是不危险的。但如果突然变成5个大气压，那它就是一炸弹。
华北电力大学教授段立强在一次接受采访时说，相比亚临界机组的热效率，超超临界机组可提高5%至7%，再叠加使用二次再热技术后，还可以进一步提高2%至3%。
既然提高锅炉的蒸汽温度就能提高发电效率，那这事儿是不是太简单了？显然，只要不断地改进锅炉，把蒸汽温度烧得高高的即可。
还十年磨一克呢，把锅炉烧旺一些，就有那么难？
实际上，这里的难点根本就不是如何烧锅炉，而是如何造出能够容纳高温高压蒸汽的各种管子。
使用二次再热，且为超超临界火电厂模型。图片来自GE Power
话说，美国很多年前投产了一台融合了“二次再热”，并达到超超临界的机组，各种参数大幅领先，傲视全球。然而，机组运行不久，其高温材料就暴露出种种严重问题，最终只能选择降低蒸汽温度和压力，以便能安全运行。
显然，制造出能容纳600多摄氏度高温，以及30左右兆帕的高温材料不难，但要安全运行许多年而不出任何问题，比如爆炸……
这就很难了！
退一步说，就算能造出来，那成本呢？你这十几吨重的高温材料如果相当于5吨黄金，不好意思，你留着自己用吧。
目前，我国已是全球超超临界机组最多的国家，其装机数量远超其他国家总和，占据半壁江山，而且是以上。
逼近极致
前文我们说过，1949年我国火电厂每发1度电要消耗1000克标准煤，1978年，这个数据降到了471克。
那么最近这些年，又是多少呢？
2015年10月，美国《电力杂志》将上海外高桥第三发电厂评选为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。
使用超超临界机组的上海外高桥第三发电厂，他们每向外提供1度电只需燃烧274克标准煤，发电效率提高到了惊人的45.4%。
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。
2016年，根据报道，华能莱芜电厂6号机组的供电煤耗低至每度电266.18克，机组发电效率高达48.12%。
2019年11月，大唐国际雷州电厂超超临界1号机组并网成功，使用二次再热技术，供电煤耗低至每度电265.55克，达到国际最高水平。
由于技术不断进步，我国已经已不再批准建设600℃超超临界机组。
目前，我国超超临界机组的设计参数多为31兆帕压力，以及最高620℃左右的蒸汽温度，这也是现阶段高温材料所能达到的极限。
下一个要突破的是650℃。
而关于700℃超超临界发电技术，中国以及国外也早已在研究，无疑，那又是一个更高得多的山峰。
若跨过去了，人类的燃煤发电效率必将一举突破50%。
也许能实现，也许不能。
唯一能肯定的是，中国的火电人，以及中国的材料科学家永远都不会停下他们前进的步伐。
参考资料：
1. 2018年全国电力工业统计快报数据一览表，pdf
2. 我国二次再热发电技术领跑世界，新华网
3. Steam turbine 汽轮机，en.wikipedia
4. 大唐国际国内首台二次再热、π型炉百万机组并网
5. 二次再热，pdf
6. 超超临界发电技术进入攻坚期 中国电力报
