淺談超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)

劉廣林 孫淑紅 王麗

摘 要：電能是保證社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)社會(huì)前進(jìn)的高品質(zhì)能源，我國(guó)電能供應(yīng)以火電為主，但社會(huì)環(huán)境等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，迫切需要具有低污染、高效率等特征的新型發(fā)電系統(tǒng)。二氧化碳為工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，是一種新型高效低污染排放的發(fā)電系統(tǒng)，適用于太陽(yáng)能、核能等高溫?zé)嵩窗l(fā)電且建立實(shí)驗(yàn)及示范平臺(tái)。而近年超高參數(shù)燃煤火力二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，由于二氧化碳在高溫區(qū)相對(duì)穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，被認(rèn)為是可替代水機(jī)組發(fā)電的新型高效發(fā)電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電系統(tǒng) 二氧化碳 超高參數(shù)

中圖分類號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（c）-0045-02

電能的廣泛應(yīng)用引起社會(huì)深刻變革，是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的直接驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前我國(guó)電力供應(yīng)以燃煤火力發(fā)電為主，技術(shù)成熟的水電為輔。太陽(yáng)能發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電及地?zé)?、朝夕能等處于快速發(fā)展階段。在2017年底，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到17.8億kW，其中火電份額占到61.8%。目前我國(guó)不僅具備超高參數(shù)發(fā)電裝備制造技術(shù)，而且發(fā)電機(jī)組的效率、污染排放等方面達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

但是隨著人民生活水平提高和各類高科技產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)電能需求日益增加，也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的電網(wǎng)波峰波谷的問(wèn)題。當(dāng)前的超超臨界燃煤水機(jī)組的主蒸汽溫度為600℃，發(fā)電效率在45%左右。近年來(lái)，研究人員提出700℃先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)，預(yù)計(jì)發(fā)電效率達(dá)到50%[1]。但是由于火電機(jī)組相對(duì)龐大，滿足調(diào)峰需求反應(yīng)較慢，而太陽(yáng)能、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電方式本身收到外界因素影響較大，并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)沖擊較大。因此，需要提出新一代發(fā)電系統(tǒng)，以滿足電網(wǎng)波峰波谷的需求。

1 新型發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

超臨界二氧化碳（Supercritical-CO2， S-CO2）為工質(zhì)的發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，系統(tǒng)主要設(shè)備部件包括壓縮機(jī)、透平、冷卻器、加熱器等。CO2的臨界溫度為31℃，臨界壓力為7.38MPa，而水的臨界溫度為374℃，臨界壓22.1MPa，該新型發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)電效率并有望超越傳統(tǒng)的火電機(jī)組[2]。

與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相比，最大的特點(diǎn)是以CO2替代水工質(zhì)，由于兩種工質(zhì)在物理化學(xué)性質(zhì)差異，如流動(dòng)密度、傳熱性、粘度低等，導(dǎo)致S-CO2發(fā)電系統(tǒng)在燃燒、爐內(nèi)換熱、膨脹機(jī)及污染物生成等方面產(chǎn)生本質(zhì)的差異，如整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的尺寸可以大大減少，進(jìn)而提高了機(jī)組的靈活性，降低初投資等。

CO2為工質(zhì)的發(fā)電機(jī)組早在20世紀(jì)六七十年代提出，主要對(duì)CO2物理化學(xué)性質(zhì)、S-CO2系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)參數(shù)敏感性等內(nèi)容開(kāi)展研究，應(yīng)用方向以反應(yīng)堆、艦船為主，但是由于技術(shù)的限制，未能在主要設(shè)備方面開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究和研制。如1967年Feher提出S-CO2循環(huán)，設(shè)計(jì)了150kWe的S-CO2循環(huán)以研究用于小型核反應(yīng)堆的可行性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有效率高和機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)研究進(jìn)展

近年來(lái)在社會(huì)需求和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，主要針對(duì)核能和太陽(yáng)能為熱源，對(duì)S-CO2發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。美國(guó)、日本、韓國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等科學(xué)家開(kāi)展了相關(guān)研究，其中以美國(guó)研究較多。研究主要集中在核能和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的S-CO2熱力學(xué)能量分析和循環(huán)優(yōu)化、流動(dòng)傳熱特性規(guī)律等。其中，CO2透平是S-CO2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)。美國(guó)已研究并進(jìn)行小容量透平性能實(shí)驗(yàn)，但對(duì)尺寸引起的“尺度效應(yīng)”導(dǎo)致的熱功轉(zhuǎn)換、流道設(shè)計(jì)及密封等方面研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)的機(jī)理尚處于起步階段[3-4]。

美國(guó)的多個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及高技術(shù)企業(yè)都參與了相關(guān)研究，如美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2005—2011年搭建了1MWth的S-CO2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要對(duì)S-CO2系統(tǒng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以及透平、換熱器等主要設(shè)備的性能測(cè)試。2011年在Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始進(jìn)行10MW的S-CO2發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)和測(cè)試，為該系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行進(jìn)行示范和驗(yàn)證測(cè)試，Echogen Power Systems公司受邀參與該項(xiàng)目的研究。2016年，在美國(guó)能源部（DOE）資助下，進(jìn)行10MW的S-CO2發(fā)電系統(tǒng)中試項(xiàng)目研究和測(cè)試，參與的企業(yè)包括氣體技術(shù)研究所、西南研究所和GE公司。目前，NET Power已成功完成5MWth的天然氣燃燒系統(tǒng)測(cè)試。

S-CO2燃煤火力發(fā)電方面的研究成果相對(duì)較少。系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）該系統(tǒng)在體積方面更小，體積可縮小到1/10左右，提高了系統(tǒng)靈活性。（2）由于CO2穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)材料腐蝕方面要求更低。2013年，法國(guó)電力公司及美國(guó)普惠洛克達(dá)公司對(duì)S-CO2燃煤火力發(fā)電提出了概念論證，認(rèn)為該系統(tǒng)是解決煤炭高效清潔發(fā)電的新途徑。2016年，法國(guó)EDF公司提出S-CO2系統(tǒng)用于燃煤火力發(fā)電系統(tǒng)并耦合二氧化碳捕集的概念發(fā)電廠。

國(guó)內(nèi)研究所和企業(yè)等的研究處于起步階段，中國(guó)核動(dòng)力研究院、西安熱工研究院等企業(yè)進(jìn)行S-CO2應(yīng)用于船舶、核反應(yīng)堆的研究，中國(guó)核動(dòng)力院針對(duì)核能領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)劃建設(shè)1MWe示范試驗(yàn)平臺(tái)，西安熱工研究院搭建了5MW燃?xì)獾难芯科脚_(tái)，中科院設(shè)計(jì)了兆瓦級(jí)SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校近年來(lái)在S-CO2應(yīng)用于核能及太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究。

華北電力大學(xué)依托科技部重點(diǎn)專項(xiàng)支持，聯(lián)合國(guó)內(nèi)10余家高校科研院所和企業(yè)，在超高壓燃煤S-CO2發(fā)電系統(tǒng)方面進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容包括：（1）系統(tǒng)層面：1000MW級(jí)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，熱力學(xué)優(yōu)化及全生命周期的評(píng)價(jià)等；（2）部件層面：主要對(duì)膨脹機(jī)、換熱器、燃燒室等新機(jī)理、理論的研究和樣機(jī)測(cè)試等。具有眾多的科學(xué)問(wèn)題需要解決，為我國(guó)煤炭能源發(fā)電高效利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

2 結(jié)語(yǔ)

總之，針對(duì)核能和太陽(yáng)能的S-CO2發(fā)電系統(tǒng)的研究目前處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，而燃煤發(fā)電系統(tǒng)處于理論研究階段。隨著基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在5～10年內(nèi)S-CO2將從實(shí)驗(yàn)室走向中等規(guī)模工程示范甚至規(guī)?；瘧?yīng)用，發(fā)展前景看好。

參考文獻(xiàn)

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