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为什么核聚变和液氢都要走「矩阵式」路线丨对话科安创能姜伟

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智客ZhiKer获悉,深低温系统企业科安创能近期完成近亿元新一轮融资,投资方为四川省绿色低碳产业发展基金,云道资本担任长期独家财务顾问。

这家仅32人的团队,成功研发出20K温区的国产制冷机,单机制冷量比进口主流机型高出约25%,售价只有三分之一。以这款制冷机为基础单元,科安创能将多台小机器通过串并联组成矩阵,搭配柔性电控系统,同步切入了柔性氢液化与高温超导磁体冷却两大场景。目前国内已有头部核聚变企业向其采购制冷机与压缩机;自研柔性氢液化系统产出的液氢,已应用于重卡示范加注。

创始人姜伟是个典型的“工程派”。中石油做西气东输长输管线设计,法液空七年主导工业气体工艺研发落地,后来加入长城汽车负责液氢储运,氢能的制、储、输三个核心环节他都有深度实践,是国内极少数在深低温温区有完整工程化落地经验的人。

姜伟的背景决定了科安创能从第一天就不走"造一台大透平"的传统路线,而是锚定“矩阵化小制冷机 + 柔性电控"的系统工程能力,以氢液化为技术训练场,瞄准高温超导核聚变的底层需求。

智客ZhiKer近期与姜伟进行了一次对话,聊到矩阵式方案为什么是聚变和氢液化的必选项、20K温区的技术壁垒在哪、大厂模仿的难度有多大?

以下为与姜伟的对话全文,略有删减:

智客ZhiKer:从法液空到创立科安创能,这段经历是怎么衔接的?

姜伟:我2006年大学毕业进了中石油大庆油田设计院,干了5年。赶上西气东输二线、中俄原油和天然气管线这类国家重点工程,做长输管线设计。那五年把两件事做扎实了,大型能源工程在国企体系里怎么立项、落地;以及天然气储存和输送的整套方式。后来判断氢能储运该怎么走,底层工程逻辑就是从这儿来的。

随后到上海,进了法国液化空气集团,做了7年多。前两年做氢、氧、氮的工业气体管道,之后转工艺工程师,制取、储存、输配和特殊工艺方案都经手。前面是国家级管线的工程侧,这段是国际公司的工艺包侧。气体从生产到送到用户手里,我是两端都做过的。

2019年加入长城汽车氢能项目,跟现在公司联创兼 CTO 吴英哲博士同一天进组。当时组里海外专家给的储运意见就是液氢。我们把海外项目和测算过完,结论一样,氢要规模化,储运必须走液氢。这个判断能站得住,是因为前面五年国家管线、七年工艺包,不是只在应用端看氢。

智客ZhiKer:为什么最终选择创业,而不是继续在大平台上做?

姜伟:一开始没想创业,是想在民营体系里把这件事做出来。但当时国内液氢几乎是空白,技术掌握在法液空、林德、空气产品手里。干了一段发现,大体系里技术判断很难传到决策层。窗口在,决策走不通,再耗就是空转,我们才自己干。

2020年前后我出来创立了公司,最初叫司氢科技,后来更名科安创能。我做产品定义和系统架构;联创兼 CTO 吴英哲博士负责低温系统与制冷机开发,20K 核心冷源自己啃;另一位联创钱轶在法液空做了十五年以上,做流程安全和系统方案。

全球液氢装备能做成生意,靠的不只是单机,是工艺包和本质安全,钱轶就是少数掌握这些的人。低温硬件、系统工艺、本质安全三块同时在,才有资格碰原来只在国际巨头手里的事。

智客ZhiKer:团队多少人?

姜伟:算上职能和制造一共 32 个人,今年会扩充研发与制造。

智客ZhiKer:「小制冷机矩阵+柔性电控」这条路线是怎么定下来的?

姜伟:我们最早想做撬装化液氢设备,但传统方案有个硬伤,尤其是在依托新能源制氢的场景下,大型透平机组稳定运行时效率很好,遇到离网电源要求的快速启停、随电力波动调产量,它做不到。

所以我们做了全电驱动的柔性撬装方案:把多台小型制冷机串并联组成矩阵,用一套控制系统统一调度,既精确控制整体冷量输出,也能单独开关同组内的某一台。大型系统里一个阀门坏了,整机就得停;矩阵里单台是独立单元,坏一台由其余机器补上,系统不停。

智客ZhiKer:制冷机听起来是个成熟工业品,你们的创新在哪?

姜伟:4K温区相对成熟,因为过去超导主要用4K低温超导,美国、日本都有成熟产品。但20K、60 温区都不成熟,它们恰好是高温超导时代的两个主力温区。

我们针对20K优化,解决两个问题。第一是大冷量。冷量越大,效率越高,单位产量用的机器越少,成本越低。这一步的难点在蓄冷材料选择、机械设计,以及在有限体积内把冷量做上去。目前我们单机在20K做到112W,同温区进口主流机型是90W。第二是成本。我们把售价做到进口的三分之一左右。

逻辑是这样:矩阵方案的整体能效本来就比大型透平机组低一些,如果成本还贵、效率还低,就没有存在理由。所以单机必须做得足够便宜,用设备采购成本的优势弥补运行成本的差距。

智客ZhiKer:成本是怎么降下来的?

姜伟:从单台机器看有三条。一是选材,在满足工况的前提下尽量不用昂贵材料;二是换热器设计,把该回收的冷量尽可能回收,同样性能下材料用量更省;三是机械设计尽量简洁,减少复杂结构,从制造和加工环节降本。

智客ZhiKer:除了成本和冷量,20K 制冷机的技术难点还有什么?

姜伟:真正难的不是降本本身,是两个物理层面的问题。

第一是热胀冷缩。装配在常温,运行在20K甚至 4K,所有材料都会收缩,不同材料的热膨胀系数还不一样。机械设计精度和间隙配合怎么留,是一件相当难的事。

第二是洁净处理。20K下水分、氮、氧这些杂质全部凝成固体,会堵塞管路和蓄冷填料,性能急剧下降。所以整个制造过程的洁净控制非常关键。

智客ZhiKer:从研发到量产用了多长时间?

姜伟:2021 年底做出了第一台实验机。从去年到现在,有两台机器一直在连续运行,跑可靠性和稳定性数据。

智客ZhiKer:多台制冷机并联加调控系统,调控这块的优势是什么?

姜伟:制冷系统的原理并不复杂,但它是一个需要精确控制的系统,背后要有足够强的计算来判断怎么操作、怎么让冷量输出保持稳定。

要解决两件事:第一,怎么判断上下游需求和输入条件的变化;第二,知道变化之后,制冷机怎么调节去匹配它。这两步都要求对制冷系统和单机特性有相当深的理解。

以核聚变为例,大磁体最大的挑战是不能失超,而不失超的前提是低温环境稳定。这个环境不是恒定的,压力在变、温场在变,冷量需求跟着变。系统要有一整套手段去跟上这些变化。

智客ZhiKer:目前产品线怎么布局?客户是买单机还是买整套方案?

姜伟:四条产品线。

第一条是制冷机与压缩机的机组,国内核聚变企业在向我们采购。第二条是以制冷机为单元搭成的低温系统,直接服务超导磁体,制冷机、系统集成、控制打包交付。客户给出磁体的冷量需求和运行工况,我们做整个系统去匹配。第三条是柔性撬装化氢液化系统。目前在做全链示范,用自研设备产液氢,为重卡加注。第四条是真空系统。我们原本不做真空,后来发现很多场景有特殊要求,比如氢液化要防爆,一般真空厂家没做过防爆设计,也不理解为什么要这么设计。我们在防爆上做了很多年,就自己做起来了。

智客ZhiKer:有没有你们明确不做?

姜伟:有。4.5K及以下的深低温整机我们不做;脉管制冷机不做;稀释制冷机的整机与集成不做。现在国际上高场紧凑型路线有把磁体做到 8K、15K 的,那一档我们目前也不进去。什么都能做的公司,通常什么都做不深。

智客ZhiKer:除了氢液化,你们现在很大精力在核聚变。高温超导和低温系统是什么关系?

姜伟:超导和低温是孪生兄弟。聚变往下走大概率会选高温超导路线。只有高温超导能做出更高磁场强度的磁体,从而提升装置能量密度、降低整体建设和运行成本。海外主要的紧凑型聚变公司基本都走这条路。

智客ZhiKer:高温超导用20K温区,这对低温系统提出了什么新要求?为什么矩阵方案更适合?

姜伟:先说一个容易被误读的事实,高温超导在热学上其实比低温超导更“耐得住”。

4K温区靠液氦,液氦在定压下沸腾,是恒温相变,热负荷高一点就多蒸发一点,温度锁在4K附近,这是它的好处。但代价是温度裕度极窄,只有一到2 K,而且金属在4K的比热极小,一点局部发热就会推着温度往上走。

到了20K,氦不再是液态,没有相变锁温,这确实要求制冷系统能主动跟上压力场和温场的变化,这是我们做柔性电控的直接原因。材料在20K的比热是4K的几十倍,冷质量本身就是一个很大的热惯量;高温超导带材在20K的温度裕度也有十几到几十 K,不是一两 K。所以真正的问题不是“温度会瞬间失控”。

真正的问题是:高温超导一旦局部失超,热点几乎不扩散,传播速度比低温超导慢三到四个数量级。它不会像4K系统那样迅速蔓延、把压力和温度信号推出来让你看见,而是安静地停在原地,把带材烧穿。难点从“来不及救”变成了“看不见”。

这就是矩阵方案的价值所在。几十台机器各带各的测点、各调各的冷量,既能看见局部温升发生在哪一段,也能只对那一段加冷量。集中式的大型冷源做不到这两件事,它给不出分区温度,也没法只对某一段调节。

第二点是可靠性。聚变要稳定运行,核心是不能失超;不失超的前提是低温系统不能宕机。工程上的冗余度设计因此非常关键,而矩阵方案天然具备一个磁体回路配多个相互独立的冷箱,每个冷箱里的机器数量按 N+2 冗余配置,单个冷箱里坏掉两台,整个系统照常运行。

智客ZhiKer:还有一块容易被忽略的量,是冷屏?

姜伟:对,这是我们特别想说的一点。

大家都盯着20K,因为它听起来更前沿。但一台聚变装置除了磁体本身,还有包在外面的冷屏,用来挡掉外界的辐射热,工作在60到80K温区,对于冷量需求是磁体侧的好几倍,国内一台全尺寸超导磁体的公开数据里,磁体侧几百瓦,冷屏侧接近五千瓦;国际上的电站级概念设计,两者相差六倍以上。

按瓦数算,这块的钱比磁体侧多且更稳定,磁体的运行温度还会随各家技术路线上下浮动,冷屏不会,不管磁体最后定在几 K,那圈屏都在60到80K。我们的 60K 机型就是对着这个温区做的。

智客ZhiKer:听说你们也在关注数据中心的高温超导输配电?

姜伟:对。高温超导的应用范围十分广泛,比如超导输电、超导变压器、超导储能,还有为AI数据中心搭建高温超导输配电系统。超导材料本身没有电阻,哪怕通过的电流很大,损耗也极小,而吉瓦级园区目前使用的铜缆输电已经逼近了物理极限。

数据中心最看重的就是运行可靠性,而矩阵方案恰好能提供天然冗余性。目前国内在这个方向还没有锁定明确的技术路线,我们正联合磁体生产厂家与高校共同推进相关研发。

智客ZhiKer:如果大公司看中这条路线想模仿,最难复制的是什么?

姜伟:低温行业有四层门槛,不是招一两个人、砸点钱就能解决的。第一层,系统设计能力。 你得先懂整个低温系统、知道系统要什么,才知道该开发什么样的制冷机。纯从物理层面出工艺包,找个硕士生也能做,但工艺包能不能实现、设计过程中会撞到哪些实际问题,没有经验是想不到的。

第二层,硬件开发能力。有了系统,要解决里面全部硬件问题。做大型系统要解决透平,做我们这套要解决制冷机。制冷机我们干了三年,本身是小众行业,人才也不多。要么自己开发,要么外购,外购成本控不住,而且买来的不一定适配你的工艺包。

第三层,装配Know-how。 有了工艺包和硬件,还要组装成一台真能跑的设备。装配在常温、运行在低温,管道怎么设计、温度计怎么布、真空怎么做、密封怎么留,全是细节。一处漏点,真空就保不住,效率急剧恶化。

第四层,控制系统。氢液化比磁体冷却更难,因为氢易燃易爆,安全设计要求高。磁体冷却则要解决快速响应、膨胀机与压缩机的配合逻辑,里面装的都是工程经验。

智客ZhiKer:未来3到5年,希望科安创能成长为一家什么公司?

姜伟:希望成为低温领域的基座技术和平台型装备公司,服务所有需要超导的行业。

首先要解决的是可靠性,不管在聚变,还是未来的AIDC高温超导输配电,我们希望和超导磁体公司一起,给客户提供最稳妥的方案。只有这样,产业才能真正商业化。市场足够大,不可能只有我们一家做,也不现实。竞争者一定会进来。我们能做的就是持续迭代、把可靠性做扎实、把成本做下去,在相当长一段时间里保持住这个位置。(本文首发钛媒体APP,文 | 智客Zhiker,作者|郭虹妘,编辑|杨琳)

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