CSPPLAZA光熱發電網訊：近日，由美國西南研究院(SwRI)與美國通用電氣公司GE聯合設計并制造的全球運行溫度最高的超臨界二氧化碳（sCO2）渦輪機順利通過了測試。相關研究人員指出，測試結果表明這種sCO2渦輪機兼具降低電站成本和提升電站運行效率的優勢，未來可使得小型光熱電站更具市場競爭力。

據SwRI機械工程師Jeffrey Moore博士介紹，該10MW渦輪機僅僅只有大約一張普通桌子的尺寸大小，卻可以提供全球工業透平范圍內最高的功率密度，目前只有用于航天飛機引擎的渦輪泵可與之匹敵。

圖：超臨界二氧化碳渦輪機

傳統光熱發電系統的熱效率一般為35％至40％，而配備sCO2渦輪機的光熱發電系統可實現近50%的熱效率。

提高動力循環的熱效率是降低CSP裝置的平準化能源成本（LCOE）的關鍵。 美國能源部（DOE）已為CSP設定了到2030年儲能12小時的光熱發電系統達到50美元/兆瓦時的成本目標，低于2017年估計的103美元/兆瓦時。美國能源部太陽能技術辦公室（SETO）光熱發電項目經理Avi Shultz表示，實現50%的熱效率使得這一成本目標向前邁進了五分之一。

這種尺寸小但功力強大的渦輪機可耐受高達715℃的高溫以及近3,600psi（pounds per square inch，1psi=6.895kPa）的高壓，且應用范圍極廣，適用電站裝機最高達450MW。GE高級首席工程師Doug Hofer表示，在超過700℃的工況下，基于超臨界二氧化碳的動力循環系統會比蒸汽循環系統更高效。

得益于sCO2動力循環所帶來的效率提升，光熱電站即使在沒有規模效益的條件下也可以獲得頗具競爭力的電價。

Shultz表示，即使在裝機規模低于百兆瓦的光熱電站中，sCO2動力循環依然可以保障相對較高的運行效率，其可幫助裝機規模較小（≤50MW）且成本較低的小型光熱電站實現與傳統大型光熱電站相同的運行效率，這將為小型光熱電站的開發帶來新的市場契機。另外，sCO2渦輪機還應具備更優良的快速啟動性能，因為其體積較傳統大型蒸汽輪機更小，需要更強的“爆發力”。

Shultz進一步指出，渦輪膨脹機和渦輪機的技術創新與商業化離不開與之相關部件的同步研發。由SETO和DOE資助的一些項目正在研發與該sCO2渦輪機相匹配的其他部件，例如壓縮機、換熱器、軸承和密封零件，以及熱交換器等。

已有研究表明，熱交換器才是制約發電系統瞬態運行的部件。對此，一群來自美國大學的研究人員于近期開發出一種由新型“金屬陶瓷”（陶瓷和金屬制成的材料）制成的換熱器，可用于高溫SCO2電站。測試證明，這種金屬陶瓷換熱器比目前采用鋼和鎳基設計的換熱器更堅固耐用。

GE研究小組將在全球首個10MW的sCO2電站--超臨界轉化電力（STEP）試驗電站中對該sCO2渦輪機的各種“版本”進行測試，同時，不同“版本”的其他相關關鍵部件也會進行測試。

Shultz指出，超高溫光熱系統實現大規模商業部署還需要幾年時間，當下需要通過測試來降低關鍵部件的風險性，并證明技術的可行性。測試成功后，將sCO2動力循環集成到商業塔式光熱電站中是沒有問題的，采用先進熔鹽塔式技術路線的電站可直接實現超臨界二氧化碳循環改造。

目前，北京首航艾啟威節能技術股份有限公司與法國電力公司、EDF（中國）投資有限公司正針對首航節能敦煌10MW光熱示范電站實施超臨界二氧化碳循環改造，整體改造計劃于2020年底完工。

附英文原文鏈接：US sCO2 turbine leap boosts prospects for smaller CSP plants