【“双碳”目标交大行动】瞄准世界能源科学技术前沿，西安交大有这些“硬科技”

开栏语：2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会提出我国2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标(以下简称“双碳”目标)。党的十九届五中全会、中央经济工作会议作了相关工作部署。今年《政府工作报告》明确提出扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策。实现碳达峰、碳中和，是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求，也是推动构建人类命运共同体的必然选择。

实现“双碳”目标，中国必然要转变发展方式、进行能源革命，这其中有许多“卡脖子”问题亟待解决。作为西迁精神孕育地的西安交大，在科技攻关中始终胸怀“国之大者”，坚持问题导向，从国家急迫需要和长远需求出发，经过多年深耕，已在新能源和能源新技术领域取得一批创新性成果。即日起，新闻网开设【“双碳”目标 交大行动】专栏，展示西安交大相关领域的创新成果，从政策解读、理论研讨、科技创新等多角度刊登专家学者的思考，激发全校师生的奋斗热情，为助力实现“双碳”目标，实现高水平科技自立自强贡献交大力量。

先进核动力系统多因素跨维度强耦合动态分析技术

先进核动力系统是舰船核动力及第三代核电的重大需求，核心设计分析工具是保证先进核动力系统安全性的重要保障。核动力系统结构庞杂、运行工况多变，尤其是瞬态及事故工况复杂，这就决定了核动力系统的热工安全特性是三维多相态、多因素强耦合过程。

核能及核技术具有军民两用特点，舰艇核动力的技术与核电反应堆技术在核燃料生产、反应堆堆芯设计、安全防护、放射性废物处理等方面具有十分相似的工艺。但是由于缺乏自主知识产权的先进核动力系统，我国核工业发展面临严重掣肘。

2002年开始，西安交大苏光辉教授团队从先进的理论模型出发，针对先进核动力系统开展了关键技术攻关。十余年如一日，团队在艰苦的条件下，持续致力于先进核动力系统的设计分析、复杂工况下的反应堆热工水力研究，将中国的先进核动力系统研究做到了世界领先水平。团队发明了先进核动力系统三维全尺寸多因素动态模拟技术及系统，独创了针对先进核动力系统的堆芯、蒸汽发生器(SG)等复杂结构的多孔介质三维全尺寸动态模拟技术，发明了能够实现先进核动力系统稳压器喷淋系统性能测试装置，实现了稳压器多区动态非平衡三维全尺寸模拟，以及先进核动力系统在不同工况下的多因素强耦合的三维全尺寸动态模拟。

目前，团队研究成果已推广到国内多家单位，解决了先进核动力系统跨维度精确分析的技术难题，产生了重要社会效益和国防意义。

钠-水蒸汽发生器综合性能考核试验台架

快堆是第四代先进核能系统中的优先发展堆型，我国快堆建设分为实验、示范和商用三个阶段，建设示范快堆是我国核工业发展的重大战略。目前，我国正在建设的示范快堆工程是国家重大科技专项工程，但其核心设备——蒸汽发生器长期受制于人，为了解决这一“卡脖子”问题，学校与中核集团在创新港建设了“快堆蒸汽发生器综合试验装置”平台。

该平台是世界规模最大、技术指标最先进、我国首个且是唯一能够从事钠冷快堆蒸汽发生器综合试验的重大创新平台，解决钠冷快堆关键基础研究、设计验证和设备研发的“卡脖子”问题。该试验任务的完成将有效推动示范快堆工程的推进，对我国发展先进核电和核动力具有重大意义，对提高在陕重大装置的水平和地位，推进陕西尽快进入创新型省份和新时代追赶超越起到重要作用。

为完成试验平台建设和测试任务，项目团队构建了“小核心-大协作”的校企创新合作新模式，依托中核集团-西安交大共建的中国西部先进核能技术研究院，西安交通大学作为项目主体负责单位，中国原子能科学研究院为甲方单位，凝聚了包括华陆工程科技有限责任公司、中国化学工程第四建设有限公司、中国核动力研究设计院等二十余家国内优势单位，霞浦核电等单位派驻现场人员百余人全程参与试验台架的调试和运行。

项目团队历经两年十个月的联合攻关和持续奋战，于2021年4月23日圆满完成各项试验任务，提前7天全面完成包括冷启动等十七个功率台阶稳态、连续48小时满功率稳态考验及五个满功率瞬态综合性能试验目标并超额完成了多个合同外的瞬态工况，实现了全部预期目标。

大型燃煤发电机组高效清洁灵活运行技术

为构建清洁低碳、安全高效的能源体系，研究团队围绕高效灵活化石能源动力系统理论与技术展开研究，在燃煤发电机组变工况瞬态过程高效性与灵活性的协同机制、气液固凝并吸收抑制低温腐蚀的烟气深度冷却技术等方面取得创新理论与技术成果。

团队发现非稳态传热是影响瞬态过程附加能耗的最主要原因，提出了考虑热力系统瞬态过程特性的热工控制策略优化思路，开发了灵活高效协同运行共性关键技术，并在国产620℃二次再热机组和630℃双机回热二次再热机组进行实际应用，提升了我国二次再热机组的设计和运行水平;揭示了飞灰中碱性物质凝并吸收脱除SO3/H2SO4机理，提出了碱硫比概念及其调控设计方法，实现了气液固三相高效凝并吸收脱除SO3/H2SO4，从源头上主动抑制了低温腐蚀;发明了4H型翅片强化传热元件和变工况动态调控新装置，研发了系列烟气深度冷却器及系统、装置及产品，并实现了大规模工程应用。

系列产品已应用于全国30个省、市自治区的华能国际、大唐国际等发电公司的200余家电厂，取得了显著的经济和社会效益。项目团队入选2020年科技部重点领域创新团队，研究成果获2017年国家科技进步二等奖，2020年中国电力科学技术进步奖一等奖。

重型燃气轮机高温叶片涂层技术与组合转子动力学

重型燃气轮机是大国重器，关乎国家能源安全和国防安全。它是高新技术密集的重大装备，是高效清洁发电系统的核心动力装备、先进船舰的驱动设备等，具有极高的战略地位和巨大的市场前景。长期以来，只有美国、日本、德国等极少数发达国家能够自主研发重型燃气轮机。我国开始自主研发重型燃气轮机之时，无核心技术、无验证手段、无系统基础研究。

2005年起，西安交大王铁军团队就前瞻性地开始了我国重燃制造基础研究。2006年，西安交通大学联合东方电气集团东方汽轮机有限公司等，承担了我国重型燃气轮机制造领域的第一个国家973计划项目，2012年项目获滚动支持。这也成为国家973计划支持的仅有的两个重型燃气轮机制造项目。15年来，团队以攻克“卡脖子”关键核心技术瓶颈为使命，通过校企协同创新，将基础理论研究融入企业实践，攻克了先进重型燃气轮机高温叶片热障涂层制备的关键核心技术，研发了高温强度实验装置，建成了综合冷效实验系统，初步形成了我国重型燃气轮机高温叶片热障涂层制备与实验验证能力。

2019年9月27日，我国首台F级50兆瓦重型燃气轮机整机点火试验一次成功。这标志着我国在重型燃气轮机领域，历经10余年关键技术攻关，拥有了自主知识产权，打破了国外封锁，实现了我国重型燃气轮机制造从0到1的跨越。2020年11月27日，我国首台自主研发F级50兆瓦重型燃气轮机成功实现满负荷运行，入选2020央企十大国之重器。

太阳能高效利用中能量转化与传递协同调控技术

太阳能高效利用是解决能源短缺和环境污染、实现“双碳”目标的有效手段。太阳能本身存在能流密度低且不连续的共性问题，以及由此引起的能量聚集、存储技术效率低、可靠性差等问题，成为太阳能光热利用技术规模化发展的瓶颈。如何在强烈非稳态能流直接影响下，对多场耦合的复杂能量传输过程进行协同调控，是太阳能高效率、高可靠性、高参数转化利用必须解决的关键问题之一。

2007年起，西安交大何雅玲院士带领团队，针对太阳能聚光、集热、储热及光热协同匹配等核心问题，经过10余年努力，攻克了聚光系统内光子多尺度传播与捕获过程的实时准确描述及定向定量调控这一难题，创新性地构建了适用于多种太阳能聚光集热系统的光子多尺度传输普适计算体系，提出了兼顾计算速度与精度的“多重网格、逐级搜索、快速寻的”新方法，该方法计算时间相比于国际通用方法可大幅缩短。发展了用于处理太阳能光热转换过程的聚光-集热系统无缝耦合跨接原理及全场数值求解方法，揭示了多尺度、多物理场耦合的热质传递机理，提出了光热耦合过程的动态定向瞄准、局部定量强化、以及“按流均光、以光定流”的光场-流场协同调控的思想，有效提升了光热转换效率。针对储热过程中储热速率、储热密度和储热品质难以兼顾的共性难题，揭示了储热材料微观结构、热量传输机制与储热性能的内在关联，提出了材料设计、过程强化及系统优化相匹配的性能强化方法，实现了热量高速率、高密度、高品质存储。

在上述研究的基础上，构建了聚光集热储热系统多物理场协同的光热调控理论和方法，实现了对光热系统的协同设计与综合优化，为太阳能光热利用技术的发展提供了理论基础。团队在该领域发现的新现象、揭示的新机理、提出的新方法被国内外广泛引用和高度评价，被评价为“成功的”“有效的”“好方法”“最全面的”“正确的”“新发现”等，常被本领域学者大篇幅地引作理论方法、验证数据或技术参考。

该项成果已成功应用于太阳能光热转换及储能、太阳能供暖/热水系统等的研制及能流调控，并获得2019年陕西省自然科学一等奖。

跨临界CO2热泵的并行复合循环关键技术

专供欧盟的跨临界并行复合CO2热泵供热机组

氟利昂类工质广泛应用于热泵空调领域，属强温室效应气体，是造成臭氧层破坏的罪魁祸首，其消减和替代是全球面临的重大课题。天然工质CO2替代氟利昂是热泵空调领域的发展趋势，是消减破坏臭氧层及强温室效应气体，履行国际义务和责任的理想解决方案。

该技术提出了跨临界CO2热泵并行复合循环新方法，发明了单机双程并行压缩机，研发了双源同汇复合换热装置;研制了跨临界并行复合CO2热泵热力设计系统，提出了最优工作压力自适应调控策略，发明了控制装置。

团队研制开发了4大类12大系列新产品，建立了17条跨临界并行复合CO2热泵及其压缩机生产线。产品应用于我国哈牡高铁、兰新高铁、冬奥会场馆等国家重大工程项目，遍及全国500余家单位，销售到英国、荷兰、挪威等5个国家的62家单位，实现高技术产品向欧洲出口。

该技术成果被联合国授予“臭氧层保护荣誉证书”、入选世界自然基金会“WWF气候创行者”10项终评技术。跨临界CO2并行复合循环热力系统构建、设计与运行的技术体系，研究成果获2019年国家科技进步二等奖和2018年陕西省科技进步一等奖。

输电等级单断口真空断路器理论与技术

团队成员在检测设备

西安交大王建华教授带领的智能化电器研究团队，多年来一直致力于各类新型电器及应用系统的研究。进入21世纪，环境保护日益成为人们关注的焦点。六氟化硫断路器是72.5kV及以上电压等级高压开关的主力产品，采用六氟化硫气体作为绝缘和开断介质。但是六氟化硫气体在大气中的寿命长达3200年，它的温室效应系数是二氧化碳的23900倍，是《京都议定书》所限制使用的6种气体中温室效应最高的气体。为此，团队瞄准解决高压开关中六氟化硫气体的削减与替代问题，通过发展高电压等级真空断路器技术有助于实现此目标。

研发高电压等级真空断路器新产品的瓶颈在于存在三大世界性技术难题，即击穿电压在长真空间隙下难以提高、真空灭弧室额定电流与开断电流难以同时提升、高电压大电流开断易于失败等，一直在制约该技术的发展。从2003年开始，团队成员历时十几年向上述难题发起挑战，终于取得突破，成功开发出126千伏单断口真空断路器。

该项成果陆续在西电集团、平高集团等多家知名企业成功转化，开发出系列产品，为我国削减和替代高压开关领域的强温室效应六氟化硫气体，发展环境友好电力装备奠定了重要的技术基础。

煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术

太阳能聚光光伏光热综合利用系统

煤炭是当前我国主要能源，大量燃煤却产生严重污染。传统燃煤、煤气化锅炉及其发电技术均采用“一把火烧煤”的形式，总能效和煤电转化率低、污染严重、耗水量大，脱硫、脱氮、消除粉尘及二氧化碳代价高昂。由中国科学院院士、西安交大动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦教授带领的科研团队，历经二十年科技攻关，研发出“煤炭超临界水气化制氢发电多联产”系列完全自主知识产权技术，俗称“超临界水蒸煤”，成功将煤炭化学能直接高效转化为氢能，从源头上根除了硫化物、氮化物等气体污染物以及PM2.5等粉尘颗粒物的生成和排放。

作为一项变革性技术，“超临界水蒸煤”与传统的燃煤发电以及煤气化发电等技术存在着根本性的区别。传统燃煤发电，包括煤气化发电，都是把煤放在空气中，利用火燃烧，跟氧气产生氧化反应，这是一个放热过程，氧化反应自然会产生硫氧化物和氮氧化物。超临界水是指当气压和温度达到一定值时(近乎22MPa，374℃)，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的液体。该技术不用空气进去，只是把煤和水混到一起，让它们去反应。整个过程不是氧化反应，没有传统的燃烧过程，而是还原反应，烧的是氢气，得到的是水，产品是干干净净，得到高温高压的超临界水蒸气，同样可以使汽轮机做功。

据了解，团队已成功研制出包括超临界水流化床等系列实验设施，能够完成煤中碳的完全气化。在670℃以下，国内各种煤型的碳气化率均达到100%。超临界水煤气化制氢的热力学以及化学反应动力学模型和反应系统的整合优化已经完成，成功完成处理煤量为1t/h的中试规模演示系统，通过技术经济分析，在规模化以后，氢气的价格能降低至0.6元左右。基于煤炭超临界水气化制氢的新型热力循环发电系统已经提出，可一体化实现清洁、高效、低碳、节水等多重目标。这项技术已全面完成原理性创新、实验室规律性试验研究和中试试验，为彻底解决传统煤电转化率低、污染严重、高耗水等问题找到了出路。

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