超臨界二氧化碳光熱發(fā)電技術(shù)跨入商業(yè)化應(yīng)用臨界點(diǎn)

CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報(bào)道：近日，本網(wǎng)發(fā)布的一則《美國西南研究院聯(lián)合GE研發(fā)的超臨界二氧化碳渦輪機(jī)順利通過測(cè)試》的新聞在光熱發(fā)電行業(yè)朋友圈廣泛傳播。

 

超臨界二氧化碳渦輪機(jī)可用于超臨界二氧化碳循環(huán)光熱發(fā)電系統(tǒng)，該渦輪機(jī)的成功研發(fā)對(duì)超臨界CO2光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化具有重要意義。

 

當(dāng)前，包括美國、中國、法國、日本等多個(gè)國家的科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)都在進(jìn)行超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化布局。

表：已展開超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研究的國內(nèi)外部分相關(guān)單位

 

為何要發(fā)展超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)？

 

超臨界二氧化碳(S-CO2)發(fā)電技術(shù)采用S-CO2布雷頓循環(huán)，是一種用超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)技術(shù)。

 

目前承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的發(fā)電形式主要是火力發(fā)電（鍋爐+汽輪機(jī)），該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用的工質(zhì)是水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源（燃煤），水在封閉管路中經(jīng)升壓后到鍋爐中去吸熱，然后再進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電。水的臨界點(diǎn)為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先進(jìn)的超超臨界火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)情況為：溫度高于593℃，水蒸汽壓力高于31MPa。

 

而超臨界二氧化碳電力循環(huán)系統(tǒng)，其主要的核心部件包括壓縮機(jī)、透平、回?zé)崞?、冷卻裝置、吸熱裝置等。工質(zhì)CO2的臨界溫度為 31℃（304K），臨界壓力為 7.38MPa（73.8bar）。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率并超越傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)。同時(shí)，處于超臨界狀態(tài)下的CO2具有高的流動(dòng)密度、傳熱性、粘度低，可以大大減小系統(tǒng)中渦輪機(jī)械和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

 

此外，二氧化碳的臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無色無味無毒，安全，價(jià)格便宜，純度高，易獲得。這些特性，使得它很適合用作熱力循環(huán)工質(zhì)。

 

超臨界二氧化碳+光熱發(fā)電會(huì)產(chǎn)生什么效應(yīng)？

 

目前常見的光熱電站多用導(dǎo)熱油、熔鹽或直接用水蒸汽做傳熱流體，通過上述傳熱介質(zhì)將光場(chǎng)收集到的熱量傳給機(jī)組，但流體的性質(zhì)限制了機(jī)組性能。如導(dǎo)熱油溫度上限為400攝氏度左右，硝酸鹽則為590攝氏度左右。

 

而較高的運(yùn)行溫度意味著較高的循環(huán)熱效率和能更有效的儲(chǔ)熱。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)僅需外界提供500到800℃的溫度，這是應(yīng)用目前光熱發(fā)電技術(shù)很容易達(dá)到的溫度。

 

NREL主持超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)10MW級(jí)示范項(xiàng)目的高級(jí)工程師和主要負(fù)責(zé)人Craig Turchi曾表示，經(jīng)過一系列研究，我們認(rèn)為超臨界二氧化碳作為工質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)在高達(dá)600到700攝氏度的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行都可以有良好表現(xiàn)。

 

超臨界二氧化碳發(fā)電可以在500攝氏度以上，20兆帕的大氣壓下實(shí)現(xiàn)高效率的熱能利用，可以輕松達(dá)到45%以上，這將有效提高電力產(chǎn)能。美國能源部之所以支持此項(xiàng)研發(fā)，也是看到了此項(xiàng)技術(shù)在提高發(fā)電效率和降低成本方面的巨大潛力。

 

此外，超臨界CO2透平如果用于地面發(fā)電廠，除了體積小、重量輕之外，還可以不用水，適合荒漠缺水地區(qū)的應(yīng)用，是太陽能光熱發(fā)電的理想選擇，使用CO2做工質(zhì)時(shí)，不存在工質(zhì)凍結(jié)的問題，管路上不用電伴熱，施工簡(jiǎn)單，并可顯著降低成本。其應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)效率的顯著提升。系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、其應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，這些優(yōu)點(diǎn)是普通發(fā)電系統(tǒng)無法比擬的。

 

SolarReserve首席技術(shù)官Bill Gould曾表示，此種技術(shù)對(duì)光熱發(fā)電站啟動(dòng)過慢的缺陷是一種有益的改善。

 

作為一種在全球范圍內(nèi)尚處于發(fā)展階段的發(fā)電形式，目前光熱發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和短板都非常明顯，而制約其發(fā)展的最大短板是成本問題，而超臨界二氧化碳技術(shù)的發(fā)展無疑可大大提升光熱電站的效率，進(jìn)而大大降低其成本。 

 

研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用速度正逐步加快

 

事實(shí)上，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的相關(guān)研究，國際上早在20世紀(jì)六七十年代就開始了。由于其功率密度高，對(duì)輪盤和葉片的性能要求很高，當(dāng)時(shí)的加工工藝難以滿足。直到90年代以后，隨著高精度數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，相關(guān)制造工藝得以突破，相關(guān)的研制工作才開始進(jìn)行。

 

本世紀(jì)以來，在能源、環(huán)保問題加劇的情況下，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)更是引起各國的關(guān)注。美國在這方面尤其積極，美國能源部（DOE）于2011年開始實(shí)施太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的“Sunshot”攻關(guān)計(jì)劃，該項(xiàng)目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目的主體項(xiàng)目為10MW超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目研發(fā)和測(cè)試，由美國桑迪亞（Sandia）國家實(shí)驗(yàn)室-核能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（NESL）承擔(dān)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

 

在技術(shù)成熟度和應(yīng)用領(lǐng)域推進(jìn)規(guī)劃方面，美國能源部（DOE）已開展實(shí)施10MW示范項(xiàng)目時(shí)即討論了市場(chǎng)應(yīng)用和推進(jìn)時(shí)間表。該計(jì)劃主要分為以下進(jìn)程：2015~2020年，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)余熱利用領(lǐng)域的應(yīng)用，效率超過ORC循環(huán)機(jī)組的方式；2020~2025年，實(shí)施光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，在10~100MW功率等級(jí)內(nèi)效率超過蒸汽輪機(jī)；2025年以后研發(fā)實(shí)施化石燃料SCO2電廠、第四代核電和直燃式SCO2發(fā)電裝置。

 

而本文此前發(fā)布的新聞《美國西南研究院聯(lián)合GE研發(fā)的超臨界二氧化碳渦輪機(jī)順利通過測(cè)試》則意味著DOE的上述計(jì)劃已取得重大進(jìn)展。

 

圖：超臨界二氧化碳渦輪機(jī)

 

中國關(guān)注與參與度不斷提升

 

除了領(lǐng)跑者美國以外，其他各國也在此領(lǐng)域加快研發(fā)步伐，尤其是中國也開始愈發(fā)重視該技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)企業(yè)也在積極參與并已取得一定進(jìn)展。

 

國內(nèi)從2012年左右開始針對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行研究，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、西安熱工院、中船重工 711 研究所等企業(yè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合相關(guān)高校和研究所開始在系統(tǒng)理論、零部件加工等方面進(jìn)行探索。

 

本網(wǎng)針對(duì)近年來國內(nèi)相關(guān)單位在該領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)進(jìn)行了如下匯總：

 

2015年9月，上市公司金通靈公告根據(jù)市場(chǎng)需求分析結(jié)合自身資源能力，自主開發(fā)S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與技術(shù)。委托中科熱物理所提供S-CO2技術(shù)咨詢服務(wù)，期限為36月。該公司計(jì)劃從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)到小規(guī)模系統(tǒng)示范，再到與太陽能聚光和儲(chǔ)熱系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中試，為S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)，從而占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn)，引領(lǐng)太陽能熱發(fā)電和高溫核能的技術(shù)創(chuàng)新。

 

2017年3月，哈電集團(tuán)哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司與西安熱工研究院簽訂了5兆瓦超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目鍋爐設(shè)備合同，參與建設(shè)二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)。

 

2018年2月，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內(nèi)首臺(tái)MW級(jí)超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司燃?xì)廨啓C(jī)分公司完成加工裝配，成功交付工程熱物理研究所衡水基地。壓縮機(jī)是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的核心部件之一，它的研制成功，是我國在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一次重大突破。

 

圖：國內(nèi)首臺(tái)兆瓦級(jí)的超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)（圖片來自中國科學(xué)院工程熱物理研究所網(wǎng)站）

 

2018年5月，超臨界CO2太陽能熱發(fā)電技術(shù)入選了中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)主任委員周孝信院士、中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)陳小良發(fā)布的《能源動(dòng)力領(lǐng)域十項(xiàng)重大工程技術(shù)難題》。

 

2018年6月15日，首航節(jié)能與法國電力在北京舉行S-CO2循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)儀式。雙方將憑借各自在光熱領(lǐng)域的技術(shù)積累，共同開發(fā)高效率的光熱發(fā)電技術(shù)，旨在降低光熱發(fā)電成本。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)將用于改造首航節(jié)能敦煌10MW塔式，這將成為中國乃至全球范圍內(nèi)首個(gè)超臨界二氧化碳光熱發(fā)電技術(shù)的實(shí)際案例。

 

　　圖：正在利用超臨界二氧化碳技術(shù)改造的首航節(jié)能敦煌10MW熔鹽塔式光熱電站

 

2018年8月，科技部發(fā)布了《科技部關(guān)于發(fā)布國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”等重點(diǎn)專項(xiàng)2018年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知》，其中“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究（基礎(chǔ)研究類）”被列入“可再生能源與氫能技術(shù)”，是“太陽能”創(chuàng)新鏈（技術(shù)方向）的重點(diǎn)研究任務(wù)。

 

2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在衡水基地正式建成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是用于測(cè)試超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)工作性能和開展超臨界二氧化碳流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的通用平臺(tái)，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測(cè)試、軸承測(cè)試和密封測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。

 

圖：超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（測(cè)試系統(tǒng)）（圖片來自中國科學(xué)院工程熱物理研究所網(wǎng)站）

 

2018年11月，我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)”在中國科學(xué)院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成。

 

2019年4月，中科衡發(fā)公司與廣州同益公司和華電同德公司在中科衡水創(chuàng)新動(dòng)力研發(fā)基地，舉行超臨界二氧化碳發(fā)電裝備產(chǎn)業(yè)化簽約儀式，此次合作將推進(jìn)超臨界二氧化碳換熱器和壓縮機(jī)等產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售。

 

需要攻克哪些技術(shù)難點(diǎn)？

 

超臨界二氧化碳機(jī)組目前已接近商業(yè)化，按照NREL的工作思路，先從簡(jiǎn)單的超臨界CO2布雷頓循環(huán)入手，一步步挖掘潛力，提高系統(tǒng)性能，增加采用能夠大幅提高效率的技術(shù)措施，具體如下：

 

1）增加透平進(jìn)口溫度：從500攝氏度提高到700攝氏度或更高。

2）壓縮過程由兩步完成。即有主壓縮機(jī)，還有“再壓”壓縮機(jī)。

3）使用壓縮機(jī)中間冷卻。

4）透平也分兩級(jí)，并對(duì)排出的工質(zhì)再熱。

5）壓縮機(jī)和透平為分軸式，使其各在優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

6）增加底循環(huán)，如朗肯循環(huán)或串聯(lián)的超臨界CO2循環(huán)。 

 

但在具體工程實(shí)施過程中，需要解決的技術(shù)難點(diǎn)如下：

 

1）高溫高壓的超臨界二氧化碳對(duì)金屬材料的腐蝕特性；

2）回?zé)崞?、吸熱器等裝置中的流動(dòng)傳熱特性；