中國超超臨界發電機組佔全球半壁江山，這「超超臨界」到底是啥？
出品：科普中國
製作：寒木釣萌
監製：中國科學院計算機網路信息中心
圖片來自svedoliver/iStock/Getty Images.
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出最多的電。比如使用超超臨界機組的上海外高橋第三發電廠，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號機組，2009年時，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，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《電力雜誌》將上海外高橋第三發電廠評選為2015年度世界頂級火力發電廠，因為它是全球第一個將供電煤耗降到280克以下的發電廠。
以上咱們只是對「超超臨界」有一個總的認識，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麼是「臨界」。
著名物理學家皮埃爾·居里發現，一塊磁鐵加熱後，其磁性會消失。問題來了，加熱到多少溫度時磁性才會消失？這個溫度就是磁鐵的臨界溫度，為了紀念居里，又叫做居里溫度。
同理，水也有自己的臨界點。我們知道，水加熱後會變成蒸氣，但這是在空曠環境下，如果是在一個密閉的容器中加熱呢？此時，加熱密閉容器，容器中的水會蒸發，這會增加容器內的壓力，而壓力越大，水的沸點就越高。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，假設這個高壓鍋異常堅固，並且是完全密封的。
此時，我們加熱高壓鍋內的水，讓其內部的氣壓不斷增加，繼而裡面水的沸點也會不斷升高，這是我們可以預見的。
但是，如果我們一直這麼加熱下去，讓高壓鍋內的水溫不斷升高，最後會出現什麼情況？
對於這個問題，150多年前的人們一直很困惑。直到1869年，英國物理學家安德魯斯在皇家學會作了一個研究報告，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驗，因為二氧化碳沸點很低，零下56.55℃時就沸騰了。
他加熱密閉容器中的液態二氧化碳，結果他發現，在31℃附近時，容器內的液態二氧化碳和氣態二氧化碳，兩者之間的差別完全消失了。也就是說，加熱前，容器內有一個液態面，液態面上方是二氧化碳氣體。
但溫度到達31℃時，你就分不清容器內到底是氣體還是液體了，它變成了我們現在說的「超臨界流體」。
於是我們說，31.04℃就是二氧化碳的臨界溫度，在這個溫度下，容器內對應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，比如它具有氣體的可壓縮性，又同時具有類似於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裡面提取咖啡因，這就是超臨界流體萃取。
「臨界乳光」現象。
最後，液體在到達自身臨界溫度時的那一刻會呈現出乳白色，這種現象就叫做「臨界乳光」。
現在，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（約等於218個大氣壓）下，水變成了超臨界流體。
我們都知道，火電站發電是通過將水加熱，變成高溫高壓水蒸氣衝擊汽輪機從而發電的。
圖為某種汽輪機內部轉子，圖片來自Christine und David Schmitt。
如果某個火電廠，它的水蒸氣壓力低於218個大氣壓，那麼它的發電機組就是亞臨界機組。如果蒸氣壓超過218個大氣壓，那麼就是超臨界機組。
那什麼又是超超臨界呢？
其實，超超臨界並不是一種物理學上的劃分，而只是一種工業上的稱謂，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於24.2兆帕，或達到593℃;丹麥是大於27.5兆帕;而我國一般是壓力高於27兆帕，或溫度高於580℃。
這說的只是起始溫度，實際上，我國運行的超超臨界機組大多在600℃。
十年磨一克
超超臨界意味著更高的蒸氣溫度和氣壓，而輸入汽輪機的蒸氣溫度和氣壓越高，效率也就越高，這可以從卡諾循環和朗肯循環這兩個理論上予以證明。
若去證明，網友們必睡倒一片。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。
想像一下，相同體積的高壓鍋和氣球，顯然，因為高壓鍋內部氣壓高，含有的氣體量大。如果我們希望氣球內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，如果產生的蒸氣溫度越高，氣壓越大，那麼相應地，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，提高經濟性。所以，在火電行業內流傳著「十年磨一克」「十克煤耗，一代技術」的說法。
上海外高橋第三發電廠是全球第一個將供電煤耗降到280克以下的發電廠，其機組蒸氣溫度600℃，發電效率提高到了驚人的45.4%。
然而，這還不是火電技術的終點，中國700℃超超臨界燃煤發電技術試驗平台已投入運行。未來，若700℃超超臨界發電技術商業運行後，火電的發電效率將有望提升到50%。
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