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一项变革性发电技术---超临界二氧化碳循环发电

2019.07.23 来自:浙能技术研究院

摘要

本文介绍了一种新型发电技术——超临界二氧化碳发电技术的基本情况、关键技术、潜在应用领域,根据全球范围和国内对此技术的研究现状与进度,结合浙江省实际情况,提出发展S-CO₂发电技术的对策建议。




超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide, S-CO₂)是指温度和压力均在临界值以上的二氧化碳流体,将其用来做动力循环的工质,它能在很小的体积内传递很大的能量。


S-CO₂循环发电具有环境友好、热效率高、经济性好等特点,是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向,是一项将带来发电变革的新技术。


近十几年来,美国、英国、法国、捷克、日本、韩国等均开展了S-CO₂循环发电的相关研究。我国在2012年左右开始基础技术的分析和设计的研究。S-CO₂循环发电作为重要的能源装备发展已列入《中国制造2025——能源装备实施方案》。2018年5月,中国电机工程学会发布《能源动力领域十项重大工程技术难题》,S-CO₂太阳能热发电技术被列为其中之一。2018年9月和11月,中科院完成了国内首座大型S-CO₂压缩机实验平台和双回路全温全压S-CO₂换热器综合试验测试平台的建设工作,填补了国内相关试验测试平台的空白。


一、超临界二氧化碳循环发电系统


S-CO₂流体作为热能循环工质,具有:

(1)临界密度0.448g/m³接近于液体,大于气体2个数量级,传热效率高,做功能力强;

(2)黏性接近于气体,较液体小于2个数量级;流动性强,易于扩散,系统循环损耗小;

(3)临界温度和压力较低,容易达到超临界状态,便于工程应用;

(4)较常用的惰性气体超临界流体密度大、压缩性好,系统设备结构紧凑、体积小;

(5)腐蚀性小于水蒸汽;

(6)无毒、不燃、稳定,对臭氧层无破坏,廉价易得。


布雷顿循环是一种典型热力学循环,它以气体为工质,先后经过绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。和传统的蒸汽朗肯循环相比,布雷顿循环具有更高的循环效率,并且当工质处于超临界状态时,由于避免了工质相态的改变,减少了压缩功的消耗,它的循环效率能得到很大的提升。基于S-CO₂布雷顿循环的发电系统主要包括热源、气轮机、发电机、压缩机、冷却器、回热器等。最简S-CO₂布雷顿循环(图1)的工作过程为:低温低压的S-CO₂工质经过压缩机升压(1-2)后,然后通过回热器和气轮机排出的乏气进行换热(2-3),预热到一定温度后,随后被热源进一步加热(3-4),再进入涡轮机膨胀做功带动发电机发电(4-5);做完功乏气由气缸排出,进入回热器与压缩机排出的低温高压工质换热(5-6),达到预冷的目的,冷却后的工质进入冷却器进一步冷却(6-1),最后进入压缩机压缩完成了整个循环。


图1 最简S-CO₂布雷顿循环示意图


由于S-CO₂流体具有独特的性质,采用S-CO₂布雷顿循环作为发电系统的热力循环系统,还具有以下优点:

(1)系统具有更高的循环效率。如图2所示,水蒸气、He和CO₂作为工质在不同温度下的循环热效率。在高于400℃时,S-CO₂具有明显的优势。在温度达550℃时,S-CO₂发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45%。随着温度的升高,效率也显著提高。S-CO₂不需要很高的循环温度即可达到满意的转换效率,而He循环要想获得40%的循环效率,循环温度必须在750℃以上,这对部件材料的性能提出了很大的挑战。

图2 三种介质在不同温度条件下的循环效率 


(2)对管道设备腐蚀速率更低。由于S-CO₂具有稳定的化学性质,相比于高温高压的水蒸气,对金属管道设备侵蚀的速率较慢,因此对材料的要求相对较低。

(3)无水处理。由于不存在水处理系统,节约了大量的水资源和水处理剂等,减少了初始投资。

(4)系统结构紧凑,占地空间小。由于S-CO₂黏性小和密度大的物理特性,使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势,因此压缩机、涡轮机等关键部件体积较小、结构紧凑,如图3。

图3  不同工质涡轮机尺寸对比


(5)降低电力成本。相比水蒸气热力循环发电系统,S-CO₂布雷顿循环发电系统的建设成本以及运行、维护成本更低,并且寿命更长,经济效益更好,可降低平准化电力成本8%~15%


二、超临界二氧化碳循环发电的应用领域与关键技术

1.潜在应用领域

图4  超临界二氧化碳循环发电技术潜在应用领域

(1) 核反应堆

目前,国外对S-CO₂布雷顿循环的研究以核反应堆为主要应用对象,包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。根据美国能源部的规划,S-CO₂发电可能将在未来10年内实现。

(2)太阳能热发电

美国能源部认为,S-CO₂布雷顿循环可用于太阳能发电,并且能使太阳能光热式发电效率提高8%,使太阳能光热发电成本大幅降低。

(3) 工业废热发电

尽管工业废热是一种低品位的能源,但其储藏量巨大,即便是一小部分得以利用,也是很可观的。S-CO₂发电系统在较低温度下的效率相比同类热电系统高,体积小,便于安装。

(4) 舰船发电及推进系统

由于舰船内部空间有限,对船内设备体积限制要求严格,而S-CO₂发电系统效率高、体积小,对于提高发电效率,节省能源,减小发电系统体积和重量等诸多方面均有优势。

目前国内95%民用船舶动力是柴油机,热效率在50%左右,其中排气损失热能量为25%,温度在250℃~350℃之间。其排气余热只有很少的热能被利用,大多数热量被排掉。

军用舰艇上的动力绝大多数是用燃气轮机,动力效率在40%以内,排气能量更大、温度更高,配用S-CO₂热机,将会节约更多的燃油。

(5) 矿石燃烧发电

在氧环境中直接燃烧天然气、煤制气等矿石燃料,产生超临界状态CO₂驱动涡轮机发电。发电后的CO₂流体经过简单处理,一部分继续循环发电,多余部分可直接进入碳捕集与利用技术(CCUS)环节。对于实现低成本的碳捕集与利用,实现火电站真正的近零排放具有重要意义。


2.关键技术


作为一个没有工业基础的新循环,S-CO₂循环发电系统在基础热工水力特性、循环构建理论、系统运行控制策略、关键设备设计、材料选择等方面还面临很多技术挑战,如表1所示。


表1  S-CO₂循环发电关键技术的研究方向、主要任务和主要挑战

研究方向

主要任务

主要挑战

流体特性研究

S-CO₂密度、热容、粘度、导热系数等热物理特性

近临界点高精度基础物性测量及流动传热预测模型、数据验证

系统设计

协同考虑S-CO₂和化石能源释放热量特点

针对化石能源热量释放特点的系统优化设计理论;试验平台建设

发电系统运行控制策略

热源控制、热力循环控制、整流调压控制、系统安全保护等

循环发电系统仿真计算方法和控制策略

高速涡轮设计

主要针对高转速下的轴承和密封问题开展研究

高能量密度高效涡轮旋转机械、密封结构设计和试验

高效换热器设计制造

高效换热器的设计制造;重点考虑材料的耐腐蚀性以及成本

高效低阻紧凑式换热器结构开发

高性能材料

选取的材料不仅要达到系统的要求,还要充分研究其在高温、高压下的寿命周期

含有少量杂质气体的S-CO₂下材料的性能评价;设备的加工、生产、热处理、检验探伤等工艺


三、超临界二氧化碳循环发电的研究现状


美、欧、日、韩等发达国家和地区先后开展了S-CO₂发电技术的研究,美日等国的研究机构和企业已经开发出了试验原型机和工程化样机。


1.技术基础研究


美国桑迪亚国家实验室对S-CO₂布雷顿循环应用于不同热源进行分析,结果表明该循环在中低温和中高温热源情况下均有良好的效率和经济性。美国多个国家级实验室和高校着重探索研究了S-CO₂布雷顿循环在核反应堆的应用。麻省理工学院提出了再压缩S-CO₂布雷顿循环流程和热力循环参数方案;阿贡国家实验室设计了面向钠冷快堆ABTR的250MW/95MW的S-CO₂发电机组。


法国电力公司开展了适合S-CO₂的材料研究、聚光太阳能发电(CSP)动态模拟、S-CO₂换热系统设计;PCHE初步设计完成。在2013年提出二次再热燃煤S-CO₂循环系统概念设计,计算效率达50%。


日本东京工业大学完成了面向核反应堆的S-CO₂布雷顿循环系统设计,采用多级压缩-间冷技术路线,功率600MW,发电效率为45.8%;还设计了用于太阳能光热发电的S-CO₂布雷顿循环发电系统,发电效率达48.2%。


韩国原子能研究院分析了S-CO₂循环与钠冷快中子堆结合的可行性,推出了示范快堆电站KALIMER-600,与美国阿贡国家实验室设计的电站相比,省去了中间回路,S-CO₂和堆芯出来的高温钠直接换热,减少了设备。


2.试验和示范研究


美国Echogen动力系统公司制造出了世界首套商用S-CO₂发电机组EPS100。该机组利用532℃烟气作为热源,功率为8MW,发电效率24%,可用作燃气轮机底循环。


2018年5月,NET Power公司的25MW示范电站在德克萨斯州成功点火。该项目采用S-CO₂ALLAM循环发电技术,S-CO₂通过燃气直接燃烧获得热能进行发电,其主要优点是零排放、100%CO₂捕集、发电效率高、成本低等。该项目被MIT科技评论评为2018年全球十大突破性技术。


美国贝泰船用推进公司(BMPC)搭建了100kW级S-CO₂布雷顿循环试验系统,采用双轴回热闭式循环,发电效率约为18%。


美国海军所属诺尔斯原子能实验室(KAPL)与贝蒂斯实验室(BL)正在探索基于S-CO₂布雷顿循环的船舶动力系统,已于2010年建成100kW试验装置。


日本东芝公司开发完成了直接燃烧S-CO₂半闭环式布雷顿循环样机,以矿石燃料、氧气、CO₂为混合流体的燃烧介质。其中CO₂占95%,燃烧室前压力30MPa,燃烧室出口温度1150℃。试验样机额定功率25MW,将验证10MW级直接燃烧式S-CO₂电站的可行性。在样机的基础上,计划进一步研究和推动250MW直接燃烧式发电系统的建设。


3.我国的研究进展


我国也开展了S-CO₂布雷顿循环发电技术的研究,但整体进展相对滞后,主要集中在基础技术的分析和设计。清华大学进行了再压缩S-CO₂布雷顿循环的分析和改进研究;西安热工研究院、华北电力大学等开展了针对S-CO₂换热、腐蚀、材料选型方面的基础研究;中科院工程热物理研究所正在开展MW级S-CO₂布雷顿循环关键部件的研制工作,初步具备了S-CO₂透平、压缩机设计的能力,初步掌握了印刷板式换热器的设计方法。


2016年6月,《中国制造2025——能源装备实施方案》中将S-CO₂循环发电列入清洁高效燃煤发电装备。华能开展燃煤S-CO₂发电技术研发,目标是实现600MW等级以上的大型S-CO₂火力发电系统及关键部件的工程方案。目前已完成5MW试验系统的设计,该系统最高压力21.5MPa,最高温度600℃,工质流量308t/h,整个系统由锅炉燃烧系统、涡轮发电系统、压缩机、回热器、循环冷却水系统、工质充排系统和热工基础试验系统等组成。另外还进行了300MW S-CO₂发电机组概念设计,其中锅炉的一次工质压力和二次工质压力分别为32MPa和18.4MPa,一次工质温度602℃,工质流量为7150.2 t/h,锅炉热效率达94.3%。表2列出了300MW S-CO₂循环发电机组与同等机燃煤蒸汽机组指标对比,S-CO₂的各项指标具有明显优势。


图5  华能300MW S-CO2概念设计


表2 300MW超临界二氧化碳循环发电机组与蒸汽机组指标对比

指标

300MW等级蒸汽机组*

300MW等级S-CO₂机组

热耗率(kJ/kWh)

7852

6708

锅炉效率(%)

93.5

94.3

管道效率(%)

99

99

发电热效率(%)

42.4

50.1

供电热效率(%)

40.3

48.5

厂用电率(%)

4.9

3.8

发电煤耗(g/kWh)

289.79

245.49

供电煤耗(g/kWh)

304.85

255.18

*注:华能集团科技项目《燃煤火电厂国际对标分析研究报告》中300MW等级机组统计数据,2015


四、我省发展超临界二氧化碳循环发电技术的建议


S-CO₂循环发电可与多种热源结合,能够满足传统火电、光热发电、分布式能源和高灵活性热电联产机组的要求,具有:

(1)热源选取灵活,天然气、光热、废热等均可应用;

(2)与蒸汽光热发电相比,发电热效率提高10%左右,发电成本则降低20%左右;

(3)固定投资较小,设备占地面积小,透平体积比蒸汽透平减少60%—70%;

(4)能源综合利用率高,三联供系统可达90%以上;

(5)机组重量轻,尺寸小,安装维护运行费用低等优点。


尤其在半闭式循环时甚至能实现100%碳捕集等优势,对实现能源转型具有重要意义。


《中国制造2025——能源装备实施方案》中S-CO₂循环发电作为重要的能源装备发展任务被列入其中。S-CO₂循环发电作为清洁低碳的先进技术应作为我省创建国家清洁能源示范省的发展目标之一,符合行动计划中关于加快发展清洁能源产业发展的要求。为实现这一目标,提出以下几点发展建议:


1.积极响应国家战略,在创建国家清洁能源示范省中实现技术创新

S-CO₂循环发电属于清洁低碳的先进技术,符合创建国家清洁能源示范省的发展目标。建议积极布局超临界二氧化碳循环发电集成应用技术研究,实现这一技术领域的自主创新。


2.重视超临界二氧化碳循环发电技术的集成应用技术研究

S-CO₂循环用于燃煤发电具有较高的市场价值,我省煤电装机约为56%,由于国内外对燃煤S-CO₂循环发电的研究均处于起步阶段,当前正是决策和布局的窗口期,因而对我省来说,这项变革性发电技术蕴藏着巨大的机遇与挑战。当前我省高校、企业及科研机构对S-CO₂循环发电关注极少。建议发挥浙江大学等高校相关学科优势,重视并做好S-CO₂循环发电技术的集成应用技术研究。


3.发挥好统筹规划与组织协调的作用

S-CO₂循环发电是一项复杂的系统工程,需要有计划地整合各方资源、有意识地组织广泛的合作才能取得实质性的突破。建议我省统筹好省内各项资源,鼓励高校科研机构与企业积极行动,有规划有分工地加入此项目技术攻关,支持产学研协同合作。



作者简介


方鲜明,男,浙江省浙能技术研究院,高级工程师。

傅凡,女,浙江省浙能技术研究院,副研究馆员。

方红,女,浙江省科技信息研究院,副研究馆员,研究方向:科技情报研究、文献计量、产业研究。

王衍:女,浙江省科技信息研究院,研究馆员,研究方向:信息资源组织与开发服务。

祝哲淇:女,浙江省科技信息研究院,研究方向:文献计量、产业研究。





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