燃?xì)廨啓C助力超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展
發(fā)布者：walt | 來源：中國航空報 | 2評論 | 30002查看 | 2014-11-28 09:20:00    
　　初聽起來，燃?xì)廨啓C，太陽能發(fā)電，超臨界CO2這些是風(fēng)馬牛不相及的事。其實不然，科學(xué)的進(jìn)步已將它們緊密的聯(lián)系了起來。

　　太陽能發(fā)電有二種：光伏發(fā)電和太陽熱發(fā)電。前者是利用太陽光照射半導(dǎo)體材料，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生出電流。其技術(shù)成熟，使用方便，現(xiàn)在用的多。但光伏發(fā)電難大規(guī)模儲能，而且煉硅能耗很大。太陽熱發(fā)電是利用太陽能的輻射能，通過集熱器和聚熱接收器，將工質(zhì)加熱，再通過熱機發(fā)電。太陽熱發(fā)電有拋物線槽式，線性Fresnel反射鏡式、塔式、碟式。由于這種發(fā)電需要高溫高壓，太陽光的聚焦必須有很大的聚光倍數(shù)。根據(jù)發(fā)電規(guī)模大小，把成百上千或更多面反射鏡，在地面合理布置安裝，將反射的太陽光能集中到尺寸不大的聚熱接收器窗口。反射鏡的反光效率要高，而且要能自動跟蹤每時每刻太陽的位置，一般用計算機控制。聚熱接收器有空腔式，管式等。以上這幾種太陽熱發(fā)電形式，現(xiàn)在國內(nèi)國外都已有試驗的，示范的，生產(chǎn)使用的。但成本高，電價高，還要靠政府補貼，這仍是大規(guī)模推廣的障礙。如美國現(xiàn)在太陽熱發(fā)電廠基建投資為，每千瓦4000~8500美元（上限是包括了儲熱、下限是無儲熱的槽式，直接蒸汽發(fā)電的塔式或碟式）。在美國西南部，現(xiàn)太陽熱發(fā)電平均發(fā)電成本為12~18美分/度，有30%的投資稅收抵免（ITC）。

　　利用太陽能的革命性計劃

　　太陽熱發(fā)電包括五個系統(tǒng)，即太陽場系統(tǒng)、傳熱流體系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和動力機械系統(tǒng)。要降低成本和電價，就要提高動力機械的循環(huán)效率；提高傳熱流體的溫度；把儲熱系統(tǒng)工質(zhì)和傳熱流體一體化等。其中最關(guān)鍵的是需要提高熱機的循環(huán)效率。2011年美國能源部制定了一項計劃，稱之為“利用太陽能發(fā)電的創(chuàng)新綱領(lǐng)”（sunShot Initiative）。目標(biāo)是到2020年太陽熱發(fā)電電價降到6美分/度；熱機采用干冷卻不用水，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%。

　　這是一個革命的、步子很大的關(guān)于太陽能技術(shù)進(jìn)步的計劃。具體方案是熱機采用“超臨界CO2（二氧化碳）布雷頓循環(huán)（Brayton）”。超臨界CO2是氣態(tài)和液態(tài)并存的流體，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴散系數(shù)約為液體的100倍。超臨界CO2的特點是臨界條件容易達(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。超臨界CO2布雷頓循環(huán)僅需外界提供500~800攝氏度的溫度，這是太陽熱集熱器和聚熱接收器，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)即可很容易達(dá)到的的溫度。燃?xì)廨啓C用的也正是布雷頓循環(huán)，這就使燃?xì)廨啓C也可以成為太陽熱發(fā)電的有力推動者。超臨界CO2布雷頓循環(huán)與常規(guī)燃?xì)廨啓C的區(qū)別主要是：能源用太陽熱不用油氣燃料；循環(huán)工質(zhì)不是空氣是超臨界CO2；循環(huán)是閉式循環(huán)不是開式循環(huán)。

　　現(xiàn)有的太陽熱發(fā)電，用油、鹽或蒸汽做傳熱流體，經(jīng)它將太陽熱接收器得到的熱傳給機組，但流體的性質(zhì)限制了機組性能。如合成油溫度上限為400攝氏度，硝酸鹽590攝氏度。眾所周知較高的運行溫度一般意味著較高的循環(huán)熱效率和能更有效的儲熱。超臨界CO2作為循環(huán)工質(zhì)和傳熱流體，用于太陽熱發(fā)電，可做到運行溫度高于蒸汽，在溫度較低條件下效率又比氦氣的布雷頓循環(huán)高。由于超臨界CO2密度高，循環(huán)簡單，所以機組重量輕，尺寸?。▋H為汽輪機的1/10）；安裝維護(hù)運行費用都低；可用于冷卻，效率可大于50%；高功率密度和功率范圍大（10MW 到數(shù)百MW )可做主力電站。超臨界CO2機組目前已接近商業(yè)化，10MW的示范機則已在做。 現(xiàn)在用于太陽熱發(fā)電的循環(huán)，主要是亞臨界朗肯循環(huán)和斯特林循環(huán)，效率在35%~45%。超臨界CO2布雷頓循環(huán)的性能改進(jìn)，可以明顯高于商業(yè)化的蒸汽循環(huán)，很可能做為新一代的換代產(chǎn)品，可以用于廉價太陽能熱發(fā)電。美國可再生能源實驗室（NREL）分析比較了多種循環(huán)的有關(guān)數(shù)據(jù)，如效率、起動、成本、和可靠性等，認(rèn)為超臨界CO2布雷頓循環(huán)很有前途。他們采用的工作辦法是，從簡單超臨界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。措施主要包括：(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)。          

　　選擇方案很重要

　　分析諸方案中，“帶中間冷卻（部分冷卻）的再壓縮和再熱”的方案效果較好，其方案見下圖：

圖：美國桑迪亞國家實驗室的廉價發(fā)電方案


　　圖中所示，渦輪排出工質(zhì)（6）經(jīng)預(yù)冷卻器冷卻后進(jìn)入預(yù)壓縮機（7），流體在預(yù)壓縮機出口（8）分為二股，一股進(jìn)入再壓縮機， 另一股經(jīng)中間冷卻器進(jìn)入主壓縮機（9）。經(jīng)預(yù)壓縮機后的，再壓縮機的進(jìn)口壓力是中間壓力，即再壓縮機運行于渦輪壓比的部分壓力，研究發(fā)現(xiàn)此循環(huán)在高溫時效率最高，而且對壓比的變化不敏感。此循環(huán)也適合大的渦輪壓比，和可為再熱式運行提供較好性能。用于太陽能熱發(fā)電，中間冷卻的另一個重大好處是其較大的溫差適合于主加熱器，大溫差對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的顯熱熱儲存更經(jīng)濟(jì)，因為溫差大就可少用儲熱介質(zhì)。 

　　參數(shù)選擇和一些部件的作用如下： 

　　高溫回?zé)崞髋c低溫回?zé)崞?/strong>：用低壓渦輪的熱排氣，給主壓縮機后的高壓超臨界CO2流體加熱和再壓縮機后的超臨界CO2流體加熱

　　再壓縮機：增加再壓縮循環(huán)的目的是為了減少發(fā)生在回?zé)崞鲀?nèi)的夾點（pinch point）效應(yīng)，這是由于高低壓流體間流體容量率（capacitance rate）不同產(chǎn)生的。再壓縮循環(huán)用減少質(zhì)量流率辦法減少流體容量率的差別，分流一股流體進(jìn)入再壓縮機，將其溫度和壓力增加到與低溫回?zé)崞鞯某隹趬毫?，二股相合在高溫回?zé)崞鞯玫郊訜帷?/div>
　　中間冷卻器：這是氣體循環(huán)普遍使用的方法，可以減少壓縮需用的功。對超臨界CO2布雷頓循環(huán)的另一好處是可以消除主壓縮機入口壓力與低壓渦輪出口壓力的相互影響。

　　再熱：在膨脹過程增加“再熱”，是提高動力循環(huán)普遍使用的方法，可以提高熱效率1~2個百分點，這足夠補償為此增加的費用。研究結(jié)果還表明增加“再熱”對部分冷卻和帶中間冷卻的主壓縮也有較大好處。

　　選擇渦輪入口溫度：研究證明增加渦輪入口溫度可以提高超臨界CO2布雷頓循環(huán)的效率。希望太陽熱接收器能提供盡可能高的溫度，這實際是太陽光聚光器光學(xué)和太陽熱接收器和渦輪入口管線材料選擇的問題。本方案設(shè)渦輪入口溫度為700攝氏度，這與高鎳合金耐溫程度一致，與太陽熱發(fā)電的聚光器光學(xué)性能和太陽熱接收器的性能一致。

　　選擇壓縮機入口超臨界CO2流體溫度：太陽熱發(fā)電廠一般都在干旱地方，當(dāng)?shù)厮Y源有限，驅(qū)使電廠使用干冷卻而不用蒸發(fā)冷卻。但干冷卻有三個主要缺點。第一，干冷卻的溫度是基于干球溫度而非濕球溫度，在干旱地區(qū)，年平均干濕溫差常高達(dá)10K（絕對溫度）。第二，干冷卻需要的換熱器比濕冷卻需要的換熱器大的多，因為其傳熱率較低；而尺寸大會帶來成本高和熱損失大。第三，空氣的低傳熱率與低熱容，需要空氣和工質(zhì)之間保持高溫差。據(jù)計算，壓縮機入口超臨界CO2流體溫度在45~65攝氏度之間時，超臨界CO2循環(huán)的效率都大于49%。在外界干球溫度為40攝氏度，設(shè)壓縮機入口超臨界CO2流體溫度為50攝氏度時，本方案循環(huán)效率約51%~52%，可比蒸汽循環(huán)高4~5個百分點。要注意，有回?zé)岬牟祭最D循環(huán)對換熱器的效率和壓損很敏感。換熱器的選擇對循環(huán)效率及機組成本有重大影響，因為從換熱器獲得的熱比外界加的熱量還大。大換熱器 傳熱面積大，新型的印刷回路換熱器工藝可能有用。 

　　設(shè)計中需要全面權(quán)衡循環(huán)效率與機組復(fù)雜程度及成本，做出優(yōu)化選擇。因為高流體密度的超臨界CO2渦輪機很緊湊，雖然增加了壓縮機、再熱器等，但比多級軸流燃?xì)鉁u輪或蒸汽輪機還是簡單，而且它可以減少太陽能集光器數(shù)量和縮小儲熱系統(tǒng)尺寸?，F(xiàn)在工業(yè)用超臨界CO2布雷頓循環(huán)機組已處于或接近商業(yè)化應(yīng)用。 

　　技術(shù)探索與試驗已經(jīng)開始

　　超臨界CO2布雷頓循環(huán)機組已有些單位在研究。有為出口溫度低的反應(yīng)堆做能量轉(zhuǎn)換用于核工業(yè)的；現(xiàn)在又在大力研究用于太陽熱發(fā)電的。對其中的技術(shù)難點，已做過不少試驗，取得了些經(jīng)驗。如美國桑迪亞國家實驗室在2007~2009年做了大量試驗。實驗項目有：


　　在機組高轉(zhuǎn)速下，測量超臨界CO2流體的進(jìn)口壓力、出口壓力、溫度、流量、耗功等等，積累了大量數(shù)據(jù)；


　　游隙（windagelosses）損失試驗：因為軸的轉(zhuǎn)數(shù)很高，流體密度很大（近似水的密度）所以軸和流體間有很大的摩擦力。在超臨界CO2布雷頓循環(huán)中的高壓和高密度能產(chǎn)生很大的推力，還可能有穿過密封的流體滲漏，這些必須給予解決；


　　密封損失試驗：曾做了四道封嚴(yán)的迷宮式封嚴(yán)試驗和干提升密封（dry-liftoffseal）的封嚴(yán)試驗，以減少滲漏；


　　轉(zhuǎn)子軸動力學(xué)試驗：觀察不同支點布置，使用不同軸承情況下，轉(zhuǎn)子振動波形等；


　　軸承試驗：做過球軸承試驗；也做過氣體箔軸承（gas-foilbearing）試驗，在75000RPM，用波箔軸承（bumpfoilbearing），用inconel墊支承；


　　推力軸承研究：因為超臨界CO2布雷頓循環(huán)，流體壓力高，軸承前后壓差大，需很好解決此問題。


　　我國的發(fā)展


　　我國航空工業(yè)，機械工業(yè)都有布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C的研發(fā)和制造能力，尤其航空工業(yè)能生產(chǎn)各種功率等級，大量的布雷頓循環(huán)航空發(fā)動機產(chǎn)品。如能充分利用航空技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)備條件，早日開展超臨界CO2布雷頓循環(huán)的機組研發(fā)生產(chǎn)，則既可裝備使用清潔能源的基本負(fù)荷電廠，也可裝備中小電廠就地供電。在太陽能充分，當(dāng)?shù)責(zé)o水的地區(qū)，更可發(fā)揮優(yōu)勢。由于太陽熱發(fā)電系統(tǒng)能建成可儲能，可以將不穩(wěn)定的電變成為可調(diào)度的電，使電網(wǎng)能容納更多不穩(wěn)定的電源（如可再生能源的風(fēng)電等）。從而為實現(xiàn)國家節(jié)能減排，應(yīng)對氣候變暖做出重大貢獻(xiàn)，又為航空工業(yè)企業(yè)開發(fā)了巨大的市場。

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最新評論
2人參與
hngsfd
好文！
2015-01-05 09:18:50
0
機電太陽能發(fā)電
專利呢？誰的專利？到時候又要交多少專利費？
2014-12-15 22:22:11
0
馬上參與
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