超臨界二氧化（huà）碳光（guāng）熱發電技（jì）術跨（kuà）入商業化應用臨界（jiè）點

CSPPLAZA光熱發電網報道（dào）：近日，本（běn）網發布的一則《美國西南研究院（yuàn）聯合GE研發的超臨界二（èr）氧化碳渦輪機順利通過測試》的新聞在光熱發電行業朋友圈廣泛傳播。

超臨界二氧化碳渦（wō）輪機可用於超臨界二氧化碳循環光熱發電係統，該渦輪機的成功研發（fā）對超臨界CO2光熱發電技術的商業化具有重要意義。

當前，包（bāo）括美國（guó）、中（zhōng）國、法國、日本等多個國家的科研機（jī）構和相關企業都（dōu）在進行超臨界二（èr）氧（yǎng）化碳發電技術（shù）的（de）研究和產業化布局。

表：已展（zhǎn）開超臨界二氧化碳發電技術研究的國內（nèi）外部分相關單位

為何要發展超臨界二（èr）氧化碳發（fā）電技術（shù）？

超臨界二氧化碳(S-CO2)發電技術（shù）采用S-CO2布雷頓循環，是一種用超臨界狀態的二氧（yǎng）化碳作（zuò）為工質的渦輪發動機熱循環技術。

目前（qián）承擔基礎負荷的發電形式主要是（shì）火力發電（鍋爐+汽輪機），該能量轉換係統（tǒng）采用的工質是水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源（燃煤），水在封閉管路中經（jīng）升壓後到鍋爐（lú）中去吸熱，然後（hòu）再進入汽輪機膨脹（zhàng）做功，推動汽輪機（jī）旋轉進而驅動發電機向電網供電。水的臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先進的超超臨界火電機組運行參（cān）數情況為：溫度高於593℃，水蒸汽壓力高於（yú）31MPa。

而超臨界二氧化碳電力循（xún）環係統，其主要的（de）核（hé）心部件包括壓縮機、透平、回熱器、冷卻裝置、吸熱裝置等。工質CO2的臨界溫度為 31℃（304K），臨界壓力（lì）為 7.38MPa（73.8bar）。該係統可以（yǐ）實現較（jiào）高的熱電轉換效（xiào）率並超越傳統的蒸（zhēng）汽輪機。同時，處於超臨界狀態下的CO2具有高的流動密度、傳熱性、粘度低，可以大大減（jiǎn）小係統（tǒng）中渦輪機械（xiè）和（hé）換熱器的結構尺寸，降低運行維護成本。

此外，二氧化碳的臨界條（tiáo）件容易達到，化學性質不活潑（pō），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工質。

超臨界（jiè）二氧（yǎng）化碳+光熱發電會產生什麽效應？

目前常見的（de）光熱電（diàn）站多用導（dǎo）熱油（yóu）、熔鹽或直接用水蒸汽（qì）做傳熱流體（tǐ），通過上述傳熱介質將光場收集（jí）到的熱量傳給機組（zǔ），但（dàn）流體的性質限（xiàn）製了機組性能（néng）。如導熱油溫度上限為400攝氏度左（zuǒ）右，硝酸（suān）鹽則為590攝氏度左右。

而較高的運行溫度（dù）意（yì）味著較高的循環熱效率和能更有效的（de）儲熱。超臨界二氧化碳布雷（léi）頓循環僅需外界提供500到800℃的溫度，這是應用目前光熱發電技術很（hěn）容易達到的溫度。

NREL主持超臨界（jiè）二氧化碳布雷頓循環10MW級示範項（xiàng）目的高級工程師和主要負責人Craig Turchi曾表示（shì），經過一係列研（yán）究，我們認為超（chāo）臨界二氧化碳作為（wéi）工質的光熱發電係統在高達600到700攝氏度的溫度範圍內運行都可以有良好表現。

超臨界二氧（yǎng）化碳發電可以在500攝氏度以上，20兆帕的大氣壓（yā）下實現高效率的（de）熱能利用，可以輕鬆達到45%以上，這將有效提高電力產能。美國能（néng）源部之（zhī）所（suǒ）以支持此項（xiàng）研發，也是（shì）看到了（le）此項技術在提高發電效率（lǜ）和降低成本方麵的（de）巨大潛力（lì）。

此外，超（chāo）臨界CO2透（tòu）平如果用於地麵發（fā）電廠，除了體積小、重量輕之外，還可以不用水（shuǐ），適合荒（huāng）漠缺水地區的應（yīng）用，是太陽能光熱發電的理想選擇，使用CO2做工（gōng）質時，不（bú）存在工質（zhì）凍結的問題，管路上不用電伴熱，施工簡單，並可顯著（zhe）降低成本。其應用於太陽能光熱發電係統可實現效率的顯（xiǎn）著提升。係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係（xì）統無法比擬的。

SolarReserve首席技術官Bill Gould曾表示（shì），此（cǐ）種技術（shù）對光熱發電站（zhàn）啟動過（guò）慢的缺陷是一種有益（yì）的（de）改（gǎi）善。

作為（wéi）一種在全球範（fàn）圍內尚（shàng）處於（yú）發展（zhǎn）階（jiē）段的發電形式，目前光熱發電的優勢和短板都非常明顯，而製約其發展的最大短板是成本（běn）問題，而（ér）超臨界二氧化碳技（jì）術的發展無疑可大（dà）大提升光（guāng）熱電站的效率，進而大大降低其成本。   

研發（fā）和商業化應用速度正逐步加快

事（shì）實上，超臨界二氧化碳布雷頓循環（huán）的相關研究，國際上早在20世紀六七十年代（dài）就開始了。由於其功率密度高，對輪（lún）盤和葉片的性能要求很高，當時的加工工藝難以滿（mǎn）足。直到90年（nián）代以後，隨著高（gāo）精度數控機床的應用（yòng），相關（guān）製造工藝得以突破，相關的研製工作才開始進行。

本世紀以來，在能源、環保問題（tí）加劇的情況下，超臨界（jiè）二氧化碳布雷頓循環技術更是（shì）引起各國的關注。美國在這方麵尤其積極，美國能源部（DOE）於2011年開始（shǐ）實施太陽（yáng）能應用領域的“Sunshot”攻關計劃，該項目中（zhōng）的超臨界（jiè）二（èr）氧化碳布雷頓循環係統研發項目的（de）主體項目為10MW超臨界二氧化碳發電機組項目研（yán）發和測試，由美（měi）國桑迪亞（Sandia）國家實驗室-核能係統實驗室（NESL）承擔相關的實驗研究（jiū）。

在（zài）技術成熟度和應用領域（yù）推（tuī）進規劃方麵，美國能源部（DOE）已開展實施（shī）10MW示範項（xiàng）目時即討論了市場應用和推進時間表（biǎo）。該計（jì）劃主要分為以下進程：2015~2020年，實現在工業餘熱利用領域的應用，效率超（chāo）過ORC循環（huán）機組的方式；2020~2025年，實施光（guāng）熱發電（diàn）領域的應用（yòng），在10~100MW功（gōng）率（lǜ）等級內效率超過蒸汽輪機；2025年以後研發實施（shī）化石燃料SCO2電廠、第（dì）四代核電和直（zhí）燃式SCO2發電裝置。

而本文（wén）此前發布的新聞《美國西（xī）南研究院聯（lián）合GE研發的超臨界二氧化碳渦輪機順利通過測試》則意味著（zhe）DOE的上述計劃已取得重（chóng）大（dà）進展（zhǎn）。

圖：超臨界二氧（yǎng）化碳渦（wō）輪機

中國關注與參與度不斷提升

除了領跑者美（měi）國以外，其他各國也在此領（lǐng）域加快研發步伐，尤其是中國也開始愈發重視該技（jì）術的發展，相關企業也在（zài）積極參與並已取得一定進展。

國內（nèi）從2012年左右開（kāi）始針對此領域進行研究，中國核動力研究設（shè）計院、西安熱（rè）工院、中船重工 711 研究所等企業機構聯合相關高校和研（yán）究所開始在係統理論、零部件加工等方麵進行探索。

本網針對近年來國內相關（guān）單位在該領域的動態進（jìn）行了如下匯總：

2015年9月，上市公司金通（tōng）靈公告根據市場需求（qiú）分析結合自身資（zī）源能力，自主開發S-CO2布雷頓循環發（fā）電係（xì）統與技術。委托中科熱物理所提供（gòng）S-CO2技術谘（zī）詢服務，期（qī）限為36月。該公司計劃從關鍵技（jì）術研發到小規模係統示範，再到與（yǔ）太陽能聚光和儲（chǔ）熱係統聯調中試，為S-CO2布雷（léi）頓（dùn）循環（huán）發電係（xì）統的產業化奠（diàn）定基（jī）礎，從而占領市場製高點，引領太陽（yáng）能熱發電和（hé）高溫核能（néng）的技術創新。

2017年3月，哈（hā）電集（jí）團哈爾濱鍋爐廠有限責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發電試驗（yàn）平（píng）台項目鍋爐設備合同，參與建設二氧（yǎng）化碳循環（huán）發電試（shì）驗台。

2018年2月，由中國科學院工（gōng）程熱物理研究所研製的國內首台MW級（jí）超臨（lín）界（jiè）二氧化碳壓（yā）縮機，在中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司（sī）燃氣輪機（jī）分公司完成（chéng）加工裝配，成（chéng）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（léi）頓循環係統的核心部件之一（yī），它的研製（zhì）成（chéng）功，是我（wǒ）國在超臨界二氧化碳布雷頓循環係統研究領域（yù）的一（yī）次重大突破。

圖：國內首台兆瓦級的超（chāo）臨界二氧化碳壓縮機（圖片來自中國（guó）科學（xué）院工程熱物理研究所網站（zhàn））

2018年5月，超臨界CO2太陽能熱發電技術入選了中國電機工程學會（huì）學術工作委（wěi）員會主任（rèn）委員周孝信院士、中國電機工程學會副秘書長陳小（xiǎo）良發布的《能源動力領（lǐng）域十項重（chóng）大工程技術難題》。

2018年6月15日（rì），首航節能與法國（guó）電力在北京舉行S-CO2循環光熱發電技術研發項目（mù）啟動儀式。雙方將憑借各自在（zài）光熱領域（yù）的技（jì）術積（jī）累，共同開發高效率的光熱發電技術（shù），旨（zhǐ）在降低（dī）光熱發電成本（běn）。同時，這項（xiàng）技術將用於改造首航節能敦（dūn）煌10MW塔式，這將成為中國乃至全球範圍內首個（gè）超臨界二氧化碳光熱發電技術的實際案例。

　　圖：正在利（lì）用（yòng）超臨（lín）界二氧（yǎng）化碳技術改造的首航（háng）節能敦煌10MW熔鹽（yán）塔式光熱電站

2018年8月，科技部發布（bù）了《科技部關於發布國家重點研發計劃“智能機器人”等重點專項2018年度項目申報指南的通（tōng）知》，其中（zhōng）“超臨界CO2太陽能熱發電關鍵基礎問（wèn）題（tí）研究（基礎研究類）”被列入“可（kě）再生能源與氫能（néng）技術”，是（shì）“太陽能”創新鏈（技（jì）術方（fāng）向）的重（chóng）點研究（jiū）任務。

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台在衡水基地正式建成。實驗平台是用於（yú）測試超臨界（jiè）二（èr）氧（yǎng）化碳壓縮機工作性能和開展超臨界二氧化（huà）碳流體壓縮特性相關基礎實驗的通用平台，還可以用於開展高速轉子測試、軸承測試和密封測試等實驗。

圖（tú）：超臨界二（èr）氧化碳壓縮機實驗平台（tái）（測試係統）（圖片來自中國科學院工程熱物理研究所網站）

2018年11月，我國首座“雙回路全溫全壓超臨（lín）界二氧（yǎng）化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗測試（shì）平台”在中國科學院工程熱物理研究所廊坊中試基（jī）地建成。

2019年（nián）4月，中科衡發（fā）公司與廣州（zhōu）同益公司和華電同德公司在中科衡水創新動力研發基地（dì），舉行超臨界（jiè）二氧化（huà）碳發電裝（zhuāng）備產業化簽約儀式，此次合作將推進超臨界二氧（yǎng）化碳換熱器（qì）和壓縮機等產品的（de）生產與銷售。

需要攻克哪些技術難點？

超臨界二氧化碳（tàn）機組目前已接近商業化，按照NREL的工作思路，先從（cóng）簡單的超臨界CO2布雷頓循環入手，一步步挖掘潛力，提（tí）高係統性能，增加采用能夠大幅（fú）提高效率的技術（shù）措施，具體如下：

1）增加透平進口（kǒu）溫度：從（cóng）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（zhǔ）壓（yā）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，並對排出的工質再熱（rè）。

5）壓縮機和透平為分軸式，使其各在優化的轉速運行。

6）增（zēng）加（jiā）底循環，如朗肯循環或串聯的超臨界CO2循環。   

但在具體工程實施過（guò）程中，需要解決的技術難點（diǎn）如下：

1）高溫高（gāo）壓（yā）的超臨界（jiè）二氧化碳對金屬材料的腐蝕特性；

2）回熱（rè）器、吸熱（rè）器等裝置中的流動傳熱特性；

3）高速輕型轉子（zǐ）的製造及平衡（héng）、高壓密封、高速軸承係統。

綜上，超臨界二氧（yǎng）化碳發電技術及裝置已經逐步從實驗階段發展到商業化的臨界點。眾多商業機構如發電公司、零部件供應商、設計（jì）研發企業開始形成產業聯合體。世界範圍內已經有多台1-10MW級別的機組處於商業示範運營階段（duàn）。更高功率和參數等級的機組（zǔ）正在設計（jì）研發階段（duàn），各研究及商業機構均試圖搶（qiǎng）占最前沿的（de）技（jì）術（shù）領域和未來產品市場。

同（tóng）時，雖然超臨界二（èr）氧化碳光熱發電技術研究尚處於起步階（jiē）段，在中國甚至（zhì）全球範圍內對該項技術的研究也屬於新課題。但是，其優良的特（tè）性和對發電技術可能帶來的顛覆已經得到了大眾越來越廣泛（fàn）的認知，其技術研發（fā）和商業化應用進（jìn）程的速度也正在逐步（bù）加快（kuài）。

按照美國能源部此前製定的計劃，希望通過（guò）該技術的研發，到2020年將太陽（yáng）熱發電電價降到6美分/kWh；熱機采用幹冷不用水，循環效率大於50%。在2020年實現降低75%成本的目標，使太陽能發電於（yú）2030年占全（quán）美（měi）電（diàn）力的14%，2050年占（zhàn）27%。

隨著超臨界二氧化碳循環技術的不斷發（fā）展完善，超臨界二氧化碳（tàn）光熱發電技術開始跨（kuà）入商業（yè）化（huà）應用（yòng）臨界點，光熱發電技術有望籍此彌補其（qí）成本過高（gāo）的缺陷，獲得跨越式發展，這（zhè）將為太陽能光熱發（fā）電產業開創更光明的未來。