4月26日，2024第十一屆中國(guó)國(guó)際光熱大會(huì)暨CSPPLAZA年會(huì)在內(nèi)蒙古呼和浩特盛大召開(kāi)，西安熱工研究院有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：西安熱工院）清潔能源技術(shù)研究所所長(zhǎng)張一帆先生出席會(huì)議并作《超臨界CO2循環(huán)發(fā)電及其高效靈活運(yùn)行調(diào)控技術(shù)》的主題報(bào)告。

圖：張一帆

以下為演講內(nèi)容。

各位專(zhuān)家、各位同仁，大家下午好！非常榮幸能夠在這里跟大家進(jìn)行一次技術(shù)交流，今天我匯報(bào)的技術(shù)題目是《超臨界CO2循環(huán)發(fā)電及其高效靈活運(yùn)行調(diào)控技術(shù)》，報(bào)告分為四個(gè)部分。

超臨界CO2光熱發(fā)電

一、背景和技術(shù)原理

首先給各位專(zhuān)家介紹一下超臨界CO2光熱發(fā)電背景以及一些基本的技術(shù)原理。

2020年9月22日習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話(huà)：明確提出中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑。隨著新能源比例的不斷提升，對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。以水蒸氣為工質(zhì)的傳統(tǒng)熱力發(fā)電技術(shù)在能源利用效率提升和機(jī)組靈活性方面已不能滿(mǎn)足當(dāng)前能源變革的要求。

迫切需要發(fā)展具有變革性意義的新型高效靈活熱力發(fā)電技術(shù)，支撐高比例可再生能源并網(wǎng)，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。

二、光熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

光熱發(fā)電是典型的綠色發(fā)電技術(shù)，相比于其他新能源發(fā)電技術(shù)，具備能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)供、穩(wěn)定電網(wǎng)輸出、參與調(diào)峰調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)。但光熱發(fā)電最大的問(wèn)題就是效率偏低、度電成本較高，要降低發(fā)電成本，大規(guī)模推廣太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，就要提高電站效率，一方面是裝備的開(kāi)發(fā)，另一方面是循環(huán)發(fā)電技術(shù)的升級(jí)迭代。

▲政策支持

三、光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展階段

如下圖，目前，光熱發(fā)電基本處于第二代，光-電轉(zhuǎn)換效率約20%。未來(lái)要提高光熱發(fā)電效率、降低度電成本，需要開(kāi)發(fā)更高溫的儲(chǔ)熱技術(shù)，采用更高效的熱-電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，即第三代光熱發(fā)電技術(shù)。通過(guò)效率提升，同發(fā)電功率下，大幅降低鏡場(chǎng)、集熱器、熔鹽的需求量，度電成本將下降50%-70%。

四、新一代光熱發(fā)電技術(shù)的典型特征

第三代光熱發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)熱溫度達(dá)700℃以上，同時(shí)采用熱電轉(zhuǎn)化效率更高的布雷頓循環(huán)做為動(dòng)力系統(tǒng)。高效、靈活是第三代光熱發(fā)電的典型特征。

1、高效：

1)三元鹽/顆粒商用推廣，集熱溫度提升至700℃以上；

2)動(dòng)力島采用超臨界CO2布雷頓循環(huán)，循環(huán)效率大幅提升。

采用CO2布雷頓循環(huán)作為動(dòng)力循環(huán)，有什么好處？

如下圖所示，主汽溫度越高，CO2循環(huán)發(fā)電效率的收益越高，700℃時(shí)，CO2循環(huán)發(fā)電比水發(fā)電循環(huán)效率高出6%~8%。

2、靈活：

目前，光熱發(fā)電較燃煤發(fā)電而言更為靈活。為什么采用第三代光熱發(fā)電技術(shù)，調(diào)峰的深度和速度會(huì)大幅度提升？

因?yàn)檎麄€(gè)水循環(huán)發(fā)電工質(zhì)流程中，有兩次相變，技術(shù)流程較長(zhǎng)、相對(duì)復(fù)雜。CO2布雷頓循環(huán)替代水循環(huán)后，動(dòng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程中沒(méi)有相變，都是類(lèi)氣態(tài)的狀態(tài)，靈活性能得到更好的釋放。

因此，采用CO2循環(huán)以后，整個(gè)光熱機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻能力、深度調(diào)節(jié)范圍都會(huì)得到進(jìn)一步提升。

國(guó)內(nèi)外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進(jìn)展

接下來(lái)，給各位專(zhuān)家匯報(bào)一下國(guó)內(nèi)外超臨界CO2光熱發(fā)展的研究進(jìn)展。

一、國(guó)外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進(jìn)展

國(guó)外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的研究美國(guó)做的相對(duì)較多：

2010年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室SNL：Wright等首次提出將超臨界CO2循環(huán)與太陽(yáng)能熱發(fā)電結(jié)合；

2011年，美國(guó)能源部DOE發(fā)起“Sunshot”計(jì)劃以推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展；

2012年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO發(fā)起太陽(yáng)能熱利用研究項(xiàng)目計(jì)劃“ASTRI”計(jì)劃；

2020年，歐盟：“Horizon 2020”正在建設(shè)歐洲第一個(gè)面向光熱應(yīng)用的MW級(jí)超臨界CO2循環(huán)機(jī)組；

2023年，美國(guó)能源部DOE等，“STEP”項(xiàng)目10MW超臨界CO2發(fā)電機(jī)組機(jī)械竣工。

▍美國(guó)10MWe“超臨界變革性發(fā)電”（STEP）示范試點(diǎn)項(xiàng)目

美國(guó)能源部（DOE）牽頭，美國(guó)西南研究院、GTI Energy公司和GE Vernova公司等聯(lián)合開(kāi)發(fā)，投資1.69億美元。

2023年3月，成功實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)部分在超臨界條件下的首次運(yùn)行；2023年10月，中試機(jī)組機(jī)械竣工；2024年1月，天然氣鍋爐點(diǎn)火加熱，將透平運(yùn)行至18000rpm中間轉(zhuǎn)速；預(yù)計(jì)2025年完成整體測(cè)試。

二、國(guó)內(nèi)光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進(jìn)展

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的研究歷經(jīng)近10年，從高校到研究機(jī)構(gòu)到企業(yè)已投入了大量精力。

2015年，西安交通大學(xué)啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（十三五），光熱超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)理論研究；

2021年，西安熱工研究院：成功投運(yùn)5MW超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組；

2021年，中科院工熱所：MW級(jí)超臨界CO2壓縮機(jī)測(cè)試成功；

2023年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所&西安熱工院：依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（十三五）建成200kW光熱超臨界CO2機(jī)組；同年，西安熱工院完成青海50MW光熱超臨界CO2項(xiàng)目可行性研究。

▍國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-200kW光熱超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組

中國(guó)科學(xué)院電工研究所王志峰老師牽頭，西安熱工院負(fù)責(zé)超臨界CO2機(jī)組研發(fā)。

2022年，建成超臨界CO2機(jī)組、集熱系統(tǒng)、顆粒/超臨界CO2換熱器；2023年，超臨界CO2機(jī)組通過(guò)第三方調(diào)試；2024年，延慶基地光熱-超臨界CO2機(jī)組聯(lián)調(diào)。

西安熱工院前期研究成果

一、西安熱工院超臨界CO2發(fā)電技術(shù)研發(fā)歷程

接下來(lái)介紹一下西安熱工院在超臨界CO2發(fā)電，尤其是光熱超臨界CO2發(fā)電領(lǐng)域的研究工作。

2014年6月，西安熱工院成立超臨界流體先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)；8月，在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，開(kāi)始探索性研究；

2015年6月，華能集團(tuán)重大科技項(xiàng)目正式揭開(kāi)序幕；12月，發(fā)改委創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目獲批，加大投資力度；

歷時(shí)5年，2020年8月，整個(gè)裝置研制完成，完成在閻良基地的整機(jī)安裝；12月，超臨界CO2鍋爐點(diǎn)火成功。

機(jī)組調(diào)試運(yùn)行近一年后，2021年11月，完成了72小時(shí)滿(mǎn)功率、長(zhǎng)周期試運(yùn)。

在此基礎(chǔ)，我們希望把超臨界CO2發(fā)電技術(shù)向潛在應(yīng)用方向推廣，包括新一代高效靈活火電、第四代核電、大規(guī)模電熱儲(chǔ)能以及高溫光熱發(fā)電。

二、西安熱工院光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)研發(fā)規(guī)劃

1、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目提供理論基礎(chǔ)：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——200kWe光熱發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組已完成整機(jī)第三方測(cè)試，運(yùn)往延慶光熱基地。

2、華能青海50MW光熱/光伏一體化：完成華能青海50MW超臨界CO2光熱發(fā)電機(jī)組可研。

三、200kW光熱超臨界CO2發(fā)電機(jī)組

1、整體情況

接下來(lái)給大家匯報(bào)下200kW光熱超臨界CO2發(fā)電機(jī)組的整體情況，項(xiàng)目于2018年立項(xiàng)，包括整套聚光集熱及動(dòng)力系統(tǒng)，聚光集熱系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院和清華大學(xué)研制，CO2動(dòng)力系統(tǒng)由西安熱工院研制。

透平熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究技術(shù)路線(xiàn)：

1)光熱與熱力循環(huán)協(xié)同優(yōu)化

2)透平壓縮機(jī)高效寬負(fù)荷熱功轉(zhuǎn)換特性

3)開(kāi)發(fā)高效緊湊換熱器樣機(jī)

4)適用光熱頻繁啟停氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)-傳熱一體化設(shè)計(jì)

5)研制200kW超臨界CO2發(fā)電裝置

6)利用5MW及200kW試驗(yàn)平臺(tái)研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

2、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)：掌握了高效寬工況超臨界CO2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

揭示了超臨界CO2壓縮機(jī)與傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)不同的流動(dòng)損失機(jī)理和失穩(wěn)機(jī)制，提出基于葉輪輪蓋處理的超臨界CO2壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)流動(dòng)控制方法，完成了200kW超臨界CO2透平發(fā)電系統(tǒng)的兩級(jí)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。

3、透平設(shè)計(jì)：掌握了高能量密度超臨界CO2壓縮機(jī)透平設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

闡明了不純超臨界CO2對(duì)透平輸出功的影響，揭示了超臨界CO2透平有別于傳統(tǒng)燃?xì)馔钙降耐ǖ罍u與泄漏渦相互作用機(jī)制，建立了考慮通道渦與泄漏渦相互作用的超臨界CO2透平葉輪通道流動(dòng)損失模型，完成了200kW超臨界CO2透平發(fā)電系統(tǒng)的四級(jí)軸流透平設(shè)計(jì)。

4、換熱器設(shè)計(jì)：開(kāi)發(fā)了PCHE流動(dòng)換熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

開(kāi)發(fā)了高效低阻類(lèi)菱形翅片印刷電路板換熱器流道，提出了印刷電路板換熱器結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提出了大型超臨界CO2印刷電路板換熱器數(shù)據(jù)處理方法，揭示了交叉流換熱對(duì)PCHE性能影響規(guī)律。

5、樣機(jī)研發(fā)：研發(fā)了200kW超臨界CO2機(jī)組樣機(jī)

2023年初，所有設(shè)備完成加工制造，運(yùn)到西安熱工院實(shí)驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)安裝；2023年底，西安熱工院委托中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院開(kāi)展機(jī)組的第三方測(cè)試、運(yùn)行調(diào)試相關(guān)工作。

機(jī)組組建完成，這套系統(tǒng)如何控制？如何運(yùn)行？如何與前面聚光集熱系統(tǒng)的控制要求協(xié)調(diào)工作？是當(dāng)時(shí)困擾我們的難題。

6、動(dòng)態(tài)仿真：搭建了通用型動(dòng)態(tài)特性及控制策略開(kāi)發(fā)邏輯框架

因?yàn)?00kW光熱超臨界CO2發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)及燃機(jī)布雷頓循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)差距較大。

結(jié)合前期火電5MW項(xiàng)目的研究經(jīng)驗(yàn)，在通用模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)仿真模型，進(jìn)行了各個(gè)動(dòng)態(tài)控制模塊的性能分析，最終完成控制策略的開(kāi)發(fā)。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真初步提出深度調(diào)峰和快速調(diào)峰控制策略。

7、控制策略開(kāi)發(fā)

將運(yùn)行控制策略在5MW試驗(yàn)機(jī)組上進(jìn)行深度調(diào)峰試驗(yàn)驗(yàn)證，下圖為0到100%供電功率全負(fù)荷調(diào)節(jié)的實(shí)測(cè)情況。

通過(guò)快速調(diào)峰試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制模塊和控制策略；另外，進(jìn)行了典型的控制工況，包括定溫運(yùn)行、定壓運(yùn)行等不同控制策略的評(píng)估。

最終在上述經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)200kW的光熱超臨界CO2發(fā)電機(jī)組開(kāi)發(fā)了專(zhuān)屬的控制邏輯和策略。動(dòng)態(tài)響應(yīng)、冷罐熱罐的溫變速率都是制約動(dòng)態(tài)控制開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素。

在光熱發(fā)電典型邊界條件的要求下，我們分別進(jìn)行了加熱功率控制、工質(zhì)存量控制、質(zhì)量流量控制、轉(zhuǎn)速控制等一系列控制策略評(píng)估。

8、運(yùn)行測(cè)試

200kW光熱機(jī)組測(cè)試分析和國(guó)重任務(wù)對(duì)標(biāo)分析：

在上述控制策略的支撐下，2023年年底，我們請(qǐng)中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院在實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了200kW超臨界CO2裝置的性能測(cè)試。性能監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明，我們圓滿(mǎn)完成了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的指標(biāo)要求。

9、延慶聯(lián)調(diào)

200kW光熱機(jī)組裝置通過(guò)第三方檢測(cè)后，已運(yùn)至北京延慶和聚光系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，預(yù)計(jì)今年夏季集中驗(yàn)收。

典型應(yīng)用推廣案例

最后，“十四五”期間推廣應(yīng)用的項(xiàng)目，在5MW試驗(yàn)機(jī)組研究的基礎(chǔ)上，幾個(gè)方向同步開(kāi)展工作，其他領(lǐng)域不再贅述，主要介紹下青海海西地區(qū)50MW的超臨界CO2示范項(xiàng)目。

▍青海50MW光熱超臨界CO2機(jī)組

1、前期科技項(xiàng)目：

考慮是首臺(tái)套，難度系數(shù)較大，沒(méi)有采用700℃的儲(chǔ)熱溫度，沿用現(xiàn)階段成熟太陽(yáng)鹽565℃的溫度；

“青海海西地區(qū)50MW光熱超臨界CO2循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目可行性研究”，該項(xiàng)目為期一年，已于2023年7月結(jié)題驗(yàn)收。

2、工程可行性研究：

“華能青海公司格爾木50萬(wàn)超臨界CO2光熱融合示范項(xiàng)目可行性研究”，該項(xiàng)目主辦單位為青海分公司，由西安熱工院和西北電力設(shè)計(jì)院聯(lián)合承擔(dān)。

3、發(fā)展規(guī)劃：

青海海西地區(qū)50MW超臨界CO2光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及工程示范研究；

華能青海公司格爾木45萬(wàn)光伏+5萬(wàn)超臨界CO2項(xiàng)目。

4、技術(shù)特點(diǎn)

光熱和光伏結(jié)合，強(qiáng)化電源側(cè)靈活調(diào)節(jié)作用；

優(yōu)化電源規(guī)模配比，多能互補(bǔ)后打捆送出，5萬(wàn)千瓦超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組擬采用發(fā)電、調(diào)相兩用模式，白天空載運(yùn)行主要作為調(diào)相機(jī)使用，夜間大負(fù)荷運(yùn)行支撐晚高峰用電需求，有效解決用電高峰期和低谷期電力輸出的不平衡問(wèn)題和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，保障機(jī)組安全；

助力風(fēng)光基地一體化發(fā)展。

2024第十一屆中國(guó)國(guó)際光熱大會(huì)暨CSPPLAZA年會(huì)4月25-26日在內(nèi)蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召開(kāi)，大會(huì)由CSPPLAZA光熱發(fā)電平臺(tái)聯(lián)合常州龍騰光熱科技股份有限公司共同主辦，大會(huì)主題為“在多變的形勢(shì)下實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展”，共有來(lái)自海內(nèi)外約800名代表出席本屆大會(huì)。