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超临界二氧化碳循环在塔式太阳能热发电中的应用

2019.06.24 来自:水木环保

二氧化碳具有合适的临界参数,化学性质不活泼,且具有压缩性好、安全无毒、储量丰富等优点。超临界二氧化碳( Supercritical carbon dioxide,S-CO2) 是气态和液态并存的流体,密度接近于液体,粘度接近于气体,扩散系数约为液体的100倍。和常规蒸汽发电相比,超临界CO2发电系统的体积更小、重量更轻、热损更小、转换效率更高,系统仅需要较低的热量即可启动发电机、应对负荷变化调整迅速、支持快速启停,同时还可以节约大量水资源,是太阳能热发电在光照资源好但水资源紧缺的荒漠地区的理想选择。


2011 年2月4日美国能源部启动了一项名为“利用太阳能发电的创新纲领”( Sunshot Initiative) 的计划。2011年10月25日,美国能源部宣布,作为SunShot 计划的一部分,将在未来3 年投资6000万美元开展应用科学研究以推动太阳能热发电技术发展,目标是:其一,在2020 年将太阳能热发电电价降到6美分/度。第二,研发超临界CO2循环作为CSP电厂的动力转换部分的系统,动力模块造价低于1200美元/kW。第三,超临界CO2透平入口温度达到700℃以上。第四,热机采用干冷却不用水,循环效率大于50%。


相关的科研项目由Southwest Research Institute ( SwRI) 、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等机构和多家大学承担,包括新型聚光器、高效接收器、系统集成、透平机械、紧凑式换热器等关键技术。总体上,受美国能源部资助的科研项目按照循序渐进的规律在逐步推进: 从小型试验台架的原理验证到关键部件技术攻关,再到兆瓦级试验装置的研发; 从不同部门独立投入到共性技术部门间联合投入。近年来,美国能源部不断加大、加快对资助科研项目的投入,并在2016 年投入巨资建设10MW试验装置,表明美国整体技术成熟度水平已达到较高级别。


美国目前是毋庸置疑的超临界CO2循环发电技术领先者,在系统研究、机组设计、零部件加工及系统示范验证方面开展了较多的工作。预计其将在未来2 年内完成商业示范,在3~5年将形成1~10MW 级超临界CO2机组完整产业链和成功商业案例。中国国内目前还处在理论研究和小型示范机组建设规划筹建阶段,少数厂商有试制计划和生产能力,与美国差距较为明显。目前,在科技部的支持下,我国正在进行超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究。


东方电气集团东方锅炉股份有限公司程虎,奚正稳,孙登科等以熔盐吸热技术与超临界CO2再压缩循环耦合的系统为例,对超临界CO2塔式光热发电系统的特点、该技术尚需研究和解决的技术问题等进行了分析。特整理如下,以供参考。


1、超临界CO2光热发电系统

基于超临界CO2布雷顿循环的塔式光热系统模式主要有:第一,基于空气( 或二氧化碳) 的气体吸热技术与超临界CO2动力循环系统结合。第二,基于粒子的固体吸热技术与超临界CO2动力循环系统结合。第三,基于熔盐的吸热技术与超临界CO2动力循环系统结合。


以下以熔盐吸热技术与超临界CO2再压缩循环耦合的系统为例,介绍超临界CO2塔式光热发电系统的特点。


超临界CO2塔式光热发电系统,是一种以超临界状态的CO2为工质的布雷顿循环系统,既能保证熔盐吸热、储热系统安全稳定工作同时也能实现电站的无水化运行。


超临界CO2塔式光热发电系统主要包括: 吸热器子系统、定日镜子系统、储热子系统、动力循环子系统。定日镜通过追踪太阳位置将阳光收集反射到吸热器上,从而加热吸热器里的熔盐工质,高温熔盐经下降管返回高温罐。超临界CO2工质与高温熔盐换热,最后到涡轮机中膨胀做功。由于太阳能资源具有不稳定性,所以设置了储热子系统来维持光热发电系统的稳定运行,同时也能保证系统在夜间的运行。


动力循环子系统采用超临界CO2再压缩循环,因为它是其他大多数衍生循环设计的基础,具有结构简单、效率高的特点,系统示意如图。


图: 基于超临界CO2循环的塔式光热发电系统示意图

 

系统的特点主要有:1) 可显著提高光热发电系统效率。2) 对设备腐蚀速率更低。3) 无水处理。4) 系统结构紧凑,占地空间小。5) 降低电力成本。6) 将CO2资源化。


当然,超临界CO2光热发电系统也存在一些问题。其主要缺点在于: 其一,超临界CO2光热发电系统为高压系统,系统压力较大,对材料的要求比较高。其二,管道中存在较高的压力损失。如果要建设大规模的电站,可能有50~100km长的管道,压力损失将难以估量,这意味着它可能不适合大规模电站,仅仅适合小规模的光热电站。


美国能源部认为,太阳能发电的成本下降应从四个方面着手:降低技术成本、降低并网成本、促进规模化全球化应用、提升电站效率。超临界CO2优良的传热和流动性能具有提高发电效率的巨大潜力。以超临界CO2作为工质的太阳能热发电系统的出现将大幅拉低光热发电的成本,有业内专家表示,该技术将成为光热发电实现平价上网的重要推力。


2、关键技术分析

超临界CO2发电技术是未来太阳能热发电的一个发展方向,要全面掌握和利用该技术,重点需要在以下几个方面展开技术与市场创新与实践研究。


1) 系统性研究超临界CO2物性和高温下对材料的腐蚀特性。

2) 研究超临界CO2发电系统的光热耦合原理与运行控制。

3) 突破超临界CO2高速涡轮发电机组设计制造技术。

4) 开发满足超临界CO2发电系统工程应用的高效换热器。


3、结语

高效的超临界CO2循环需要热气体透平膨胀机运行在较高的温度和压力之上,在较为广泛的负载条件下,维持高效运行,并能够应对太阳能热量输入的快速波动,同时能够快速启动,优化电站的在线运行。此外,除了太阳能发电,超临界CO2循环在废热发电、核电和化石燃料发电领域事实上也有一定的应用潜力。而对于我国太阳能热发电行业,超临界CO2循环技术是一条不可错失的发展路线,建议加大科研力度或者国际合作,整合核心零部件供应商,在市场层面进行国内的示范机组建设,尽早与项目应用方开展合作,形成品牌效应。


相关线下活动:


第四届CSP Focus光热发电中东北非聚焦大会(2019.6.27-28,迪拜)

第三届光热发电创新大会(2019.10.24-25,中国)


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