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超臨界CO2循環或帶來光熱發電技術革命

發布者：CSPPLAZA | 來源：CSPPLAZA光熱發電網 | 3評論 | 32580查看 | 2015-05-03 11:05:00

　　CSPPLAZA光熱發電網報道：超臨界CO2透平是一種以超臨界CO2為工質的基于布雷頓循環原理的動力發電設備，是一種比傳統蒸汽輪機更為先進的發電裝備，作為一種外燃機，其也可采用太陽能作為熱源，由此也誕生了基于超臨界CO2循環的光熱發電技術。

超臨界CO2透平

　　據中國科技開發院光熱發電專家孫海翔介紹，“超臨界CO2透平的歷史可追溯到1970年代。由于其功率密度高，葉片的應力很大，其輪盤和葉片需要一次性整體加工，當時的加工工藝難以滿足。直到1990年代中期，五軸加工中心廣泛使用，渦輪制造工藝得以突破，才開始商業化產品的研發。”

　　對于這種新型發動機的研發，美國目前走在世界的前列。孫海翔提供的相關資料顯示，美國能源部（DOE）從2004年開始該項目的研發，目標是為核電站、太陽能光熱發電、余熱利用等研發下一代動力設備。值得關注的是，DOE對此的研發隸屬于美國SunShot太陽能熱發電計劃支持下的項目，其此前已完成了10MW樣機的工程設計，計劃在今年完成制造。與此同時，100MW級的發動機也在同步設計中。

　　同時，日本也在加緊研制此類設備。日本東芝與美國Exelon和CB&I從2012年6月開始合作，力爭在2017年完成250MW級商業電站的超臨界CO2發電系統的研發。東芝現正研制20MWe（50MWt）樣機，并已完成超臨界CO2循環壓力燃燒試驗，壓力已達30MPa。

　　超臨界CO2透平具有優良的特性，主要表現在：其功率密度高，體積小，一般為蒸汽輪機的1/20~1/30，10兆瓦規模的設備僅4到6立方米；其成本低，初始投資比蒸汽輪機低30%~40%；比燃氣輪機低20%；其熱效率高，最高可達55%；其結構簡單，零部件數量少；其工作溫度低（與燃氣輪機相比），成本低；其屬于外燃機，可以使用多種燃料，能源安全性高；由于超臨界CO2循環的簡潔性，其可以作為聯合循環的底循環；由于超臨界二氧化碳循環屬于單相循環（布雷頓循環），沒有相變過程，不使用凝汽器，所使用的閥的數量，只有朗肯循環的十分之一；可以使用常規的不銹鋼材料，制造成本低。

與光熱發電技術的結合

　　超臨界CO?系統是一種高級電力循環系統，其采用二氧化碳作為工作介質、在封閉的布雷頓熱力循環中做功，熱電轉換效率遠高于以蒸汽作為工作介質的傳統蒸汽輪機和以燃氣為介質的燃氣輪機。在SunShot計劃的支持下，包括Brayton能源公司、美國國家可再生能源實驗室、西南研究所等多家單位都獲得了資金支持研究與此相關的技術。

　　超臨界CO2透平如果用于地面發電廠，除了體積小、重量輕之外，還可以不用水，適合荒漠缺水地區的應用，是太陽能光熱發電的理想選擇，使用CO2做工質時，不存在工質凍結的問題，管路上不用電伴熱，施工簡單，并可顯著降低成本。其應用于太陽能光熱發電系統可實現效率的顯著提升。系統僅需要較低的熱量即可啟動發電機、其應對負荷變化調整迅速、支持快速啟停，這些優點是普通發電系統所無法比擬的。SolarReserve首席技術官Bill Gould曾表示，此種技術對光熱發電站啟動過慢的缺陷是一種有益的改善。

　　NREL主持超臨界二氧化碳布雷頓循環10MW級示范項目的高級工程師和主要負責人Craig Turchi也曾表示，經過我們此前的一系列研究，我們認為超臨界二氧化碳作為工質的光熱發電系統在高達600到700攝氏度的溫度范圍內運行都可以有良好表現。超臨界二氧化碳發電可以在500攝氏度以上，20兆帕的大氣壓下實現高效率的熱能利用，可以輕松達到45%以上，這將有效提高電力產能。美國能源部之所以支持此項研發，也是看到了此項技術在提高發電效率和降低成本方面的巨大潛力。

　　超臨界CO2循環對光熱發電的LCOE到底將造成何種影響？在此前的一篇文章中，我們有過一些預測性的研究和分析，結論是超臨界CO?的應用預期可以幫助光熱發電實現10%左右的LCOE成本削減。雖然只是一種預測，但可以肯定的是，采用這種變革性的技術將大大助力光熱發電及早邁向平價上網。

　　整體來看，超臨界CO2循環系統的研發在全球范圍內目前仍是一個新課題，但其優良的特性和對發電技術可能帶來的顛覆已經受到了越來越廣泛的認知，其技術研發和商業化應用進程的速度也正在逐步加快。

　　反觀國內，國內電力系統目前對超臨界CO2循環技術的認識還處于十分初級的層面，對該系統進行研發和示范的機構也少之又少，這一點應引起我們的足夠重視。中國科學院電工研究所研究員王志峰就曾在公開場合呼吁，光熱發電行業和電力行業應重視超臨界CO2循環發電技術的研發和應用，這是一種可能帶來發電系統變革的技術。

附件：NREL10MW超臨界CO2循環樣機研發項目：10MW Supercritical-CO2 Turbine Project.pdf

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