CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：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順利通過測試》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)，該渦輪機的成功研發(fā)對超臨界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、日本等多個國家的科研機構(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)動機熱循環(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），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)入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機向電網(wǎng)供電。水的臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先進(jìn)的超超臨界火電機組運行參數(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、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)可以實現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率并超越傳統(tǒng)的蒸汽輪機。同時，處于超臨界狀態(tài)下的CO2具有高的流動密度、傳熱性、粘度低，可以大大減小系統(tǒng)中渦輪機械和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，降低運行維護(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)將光場收集到的熱量傳給機組，但流體的性質(zhì)限制了機組性能。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。

而較高的運行溫度意味著較高的循環(huán)熱效率和能更有效的儲熱。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級示范項目的高級工程師和主要負(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研發(fā)，也是看到了此項技術(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，不存在工質(zhì)凍結(jié)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(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)效率的顯著提升。系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動發(fā)電機、其應(yīng)對負(fù)荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，這些優(yōu)點是普通發(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)對光熱發(fā)電站啟動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，對輪盤和葉片的性能要求很高，當(dāng)時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年開始實施太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的“Sunshot”攻關(guān)計劃，該項目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)項目的主體項目為10MW超臨界二氧化碳發(fā)電機組項目研發(fā)和測試，由美國桑迪亞（Sandia）國家實驗室-核能系統(tǒng)實驗室（NESL）承擔(dān)相關(guān)的實驗研究。

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）已開展實施10MW示范項目時即討論了市場應(yīng)用和推進(jìn)時間表。該計劃主要分為以下進(jìn)程：2015~2020年，實現(xiàn)在工業(yè)余熱利用領(lǐng)域的應(yīng)用，效率超過ORC循環(huán)機組的方式；2020~2025年，實施光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，在10~100MW功率等級內(nèi)效率超過蒸汽輪機；2025年以后研發(fā)實施化石燃料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順利通過測試》則意味著DOE的上述計劃已取得重大進(jìn)展。

圖：超臨界二氧化碳渦輪機

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年左右開始針對此領(lǐng)域進(jìn)行研究，中國核動力研究設(shè)計院、西安熱工院、中船重工 711 研究所等企業(yè)機構(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)針對近年來國內(nèi)相關(guān)單位在該領(lǐng)域的動態(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)市場制高點，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)電試驗平臺項目鍋爐設(shè)備合同，參與建設(shè)二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗臺。

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MW級超臨界二氧化碳壓縮機，在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司燃?xì)廨啓C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)首臺兆瓦級的超臨界二氧化碳壓縮機（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)入選了中國電機工程學(xué)會學(xué)術(shù)工作委員會主任委員周孝信院士、中國電機工程學(xué)會副秘書長陳小良發(fā)布的《能源動力領(lǐng)域十項重大工程技術(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)項目啟動儀式。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，這項技術(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)首個超臨界二氧化碳光熱發(fā)電技術(shù)的實際案例。

　　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)布國家重點研發(fā)計劃“智能機器人”等重點專項2018年度項目申報指南的通知》，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）的重點研究任務(wù)。

2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺在衡水基地正式建成。實驗平臺是用于測試超臨界二氧化碳壓縮機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)實驗的通用平臺，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試、軸承測試和密封測試等實驗。

圖：超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺（測試系統(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）換熱器綜合試驗測試平臺”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等產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售。

需要攻克哪些技術(shù)難點？

超臨界二氧化碳機組目前已接近商業(yè)化，按照NREL的工作思路，先從簡單的超臨界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，還有“再壓”壓縮機。

3）使用壓縮機中間冷卻。

4）透平也分兩級，并對排出的工質(zhì)再熱。

5）壓縮機和透平為分軸式，使其各在優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運行。

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)。   

但在具體工程實施過程中，需要解決的技術(shù)難點如下：

1）高溫高壓的超臨界二氧化碳對金屬材料的腐蝕特性；

2）回?zé)崞?、吸熱器等裝置中的流動傳熱特性；

3）高速輕型轉(zhuǎn)子的制造及平衡、高壓密封、高速軸承系統(tǒng)。

綜上，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)及裝置已經(jīng)逐步從實驗階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點。眾多商業(yè)機構(gòu)如發(fā)電公司、零部件供應(yīng)商、設(shè)計研發(fā)企業(yè)開始形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多臺1-10MW級別的機組處于商業(yè)示范運營階段。更高功率和參數(shù)等級的機組正在設(shè)計研發(fā)階段，各研究及商業(yè)機構(gòu)均試圖搶占最前沿的技術(shù)領(lǐng)域和未來產(chǎn)品市場。

同時，雖然超臨界二氧化碳光熱發(fā)電技術(shù)研究尚處于起步階段，在中國甚至全球范圍內(nèi)對該項技術(shù)的研究也屬于新課題。但是，其優(yōu)良的特性和對發(fā)電技術(shù)可能帶來的顛覆已經(jīng)得到了大眾越來越廣泛的認(rèn)知，其技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程的速度也正在逐步加快。

按照美國能源部此前制定的計劃，希望通過該技術(shù)的研發(fā)，到2020年將太陽熱發(fā)電電價降到6美分/kWh；熱機采用干冷不用水，循環(huán)效率大于50%。在2020年實現(xiàn)降低75%成本的目標(biāo)，使太陽能發(fā)電于2030年占全美電力的14%，2050年占27%。

隨著超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，超臨界二氧化碳光熱發(fā)電技術(shù)開始跨入商業(yè)化應(yīng)用臨界點，光熱發(fā)電技術(shù)有望籍此彌補其成本過高的缺陷，獲得跨越式發(fā)展，這將為太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)更光明的未來。