国外超临界CO₂循环发电系统重点项目

机工

        

　　超临界二氧化碳(S-CO2)系统是一种高级电力循环系统，其采用二氧化碳作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中做功，热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机。

　　超临界CO₂系统示意图

　　超临界CO₂系统可应用于核能、矿石燃料、太阳能和地热发电，也可衍生于工业废热回收等，在舰船的应用上，在提高发电效率，节省能源，减小发电系统体积和重量等诸多方面均有优势。下表为超临界CO₂布雷顿循环对不同热源的适用参数。

　　超临界二氧化碳(S-CO2)  的应用在上世纪六七十年代就有多方面的研究，由于其功率密度高，叶片的应力很大，其轮盘和叶片需要一次性整体加工，当时的加工工艺难以满足。直到1990年代中期，五轴加工中心广泛使用，涡轮制造工艺得以突破，才开始商业化产品的研发。

典型发电系统功率转换系统和应用的热效率

　　本世纪以来，在能源、环保问题加剧的情况下，超临界二氧化碳发电更是引起各国的关注。美国是该项技术的积极鼓动者，从2007年以来，美国已举办了五届(分别在2007、2009、2011、2014年、2016年举行)S-CO2发电循环的国际会议，除美国外，英、德、日、韩、西班牙等也有研究人员参会。赞助方有美国国家能源技术实验室(NETL)、西南研究所(SWRI)、Echogen能源系统公司、Thar能源公司(Thar  Energy LLC)、Abengoa太阳能公司、电力研究所(EPRI)、Barber-Nichols公司、Aerojet  Rocketdyne、Dresser-Rand、GE Global Research、Heatric等。

　　目前全球现存或在建超临界CO2整体发电系统如下：

　　SunShot S-CO2布雷顿循环系统研发

　　美国能源部(DOE)于2011年开始实施“Sunshot”攻关计划，旨在到2020年将大型太阳能光伏系统全成本降至每瓦特约1美元(相当于电力平准化成本6  美分/kWh)，将组件成本降至每瓦特50美分，组件效率提高到20%以上。“Sunshot”计划涉及从建模、界面研究、创新材料与设备架构到电池与组件表征测试、教育培训等方面，还针对系统并网、技术市场转化以及减少安装、规划、许可、融资等方面的软成本部署了主题研发项目，投资额1.83亿美元，力图到2020年实现太阳能具有完全的成本竞争力，提供从研发、制造到市场全面解决方案。

　　“Sunshot”项目中的S-CO2布雷顿循环系统研发项目包括10  MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，主要在美国桑迪亚国家实验室-核能系统实验室(NESL)进行布雷顿循环的实验研究。

SunShot 计划S-CO2布雷顿循环路径

　　经过测试证明，超临界二氧化碳作为工质的光热发电系统在高达600到700摄氏度的温度范围内运行都可以有良好表现。超临界二氧化碳发电可以在500摄氏度以上，20兆帕的大气压下实现高效率的热能利用，可以轻松达到45%以上，这将有效提高电力产能。

　　EPS100超临界二氧化碳发电机组研发

　　Echogen Power  System公司(EPS)已经开发出(废)热回收发电循环技术。超临界CO2(S-CO2)朗肯循环利用废热二氧化碳的热驱动转化为电能的工业流程，可用于钢材及金属、水泥和石灰，采矿，玻璃，造纸，石油化工，石油和天然气以及其他发热行业的生产。

　　EPS公司额S-CO2热机包括五个主要部分：排气和换热器，冷凝器，系统泵和动力涡轮机(下图)。辅助组件(阀门和传感器)提供系统的监测和控制。通过从燃气轮机、往复式发动机的排气烟囱或从燃料燃烧的工业过程的烟道排气进行热交换进行S-CO2循环发电。  Echogen的技术是回收浪费热能，并提供集成电源和加热或具有灵活的系统结构，可配置为热电联产或三级冷却功率。该技术能够改进热交换效率，同时减少排气热交换器的尺寸和单相传热成本。

EPS heat engine系统示意图

　　EPS公司建造的EPS100  热机，其功率达到7.5MW，专为大型公用事业进行发电，并集中在太阳能光热应用程序。该EPS100使用S-CO2涡轮发电机，并采用了正在申请的专利，通过降低排气温度降到最低实际限制，最大限度排气热能利用率。因为EPS100动力涡轮机是一个独立单元，可以提供用于涡轮两个不同的选择，一个单级径向涡轮，另一个是符合API的较低速轴流式涡轮机。

EPS100系统

　　EPS100系统(输出功率与环境温度)的性能显著超过单压蒸汽系统、相当于一个双高压蒸汽系统。该系统可提高净发电量，在20到50兆瓦燃气轮机之间的净功率可以增加高达35%。

EPS100系统与LM2500燃气轮机发电情况比较

　　东京工业大学用于太阳热发电的超临界二氧化碳循环系统

　　超临界CO2气体透平循环使用可以实现非常高循环热效率，压缩减排工作在临界点附近。然而，循环周期必须提供旁路电路，它呈现在压缩机设计和操作困难，尤其是在小生产能力的工厂。然而，在没有旁路电路的典型Brayton循环流程图，较高的热效率比用其它涡轮循环来实现。在这种情况下，这将是用来评估CO2气体涡轮机的两个流动方案。

　　100兆瓦太阳能热电站的CO2燃气轮机循环的应用中，即20兆帕超临界CO2 GT循环和10兆帕布雷顿二氧化碳GT循环在设计特点方面进行比较。

超临界CO2 GT循环

布雷顿二氧化碳GT循环

　　太阳能发电站由beamdown的太阳光束收集系统，配备铝传热的太阳能量接收器和存储设备、650℃涡轮进口温度的CO2气体涡轮机。设计其压缩机进行同等流程数量的方案。循环热效率的值分别为48.9%的超临界CO2  GT循环和45.3%的布雷顿二氧化碳GT循环。前者体现出的循环热效率值高出3.6%的优点。但是，压缩机的空气动力学设计也表现出在后周期前者循环比较困难，特别是旁路压缩机。而涡轮机没有明显的区别。相比换热器，超临界CO2  GT循环换热器的重量是布雷顿CO2GT循环的两倍。

循环热效率比较分析

　　CO2燃气轮机适用于太阳能热发电。功率10-30兆瓦和最高温度为500-650℃，负载每天更换。此外，操作简单。因此，不仅循环热效率也简单，易操作，且易发展。  Brayton循环的CO2气体涡轮机的循环热效率比超临界CO2燃气轮机的低4%，但它比在650℃时的涡轮进口温度循环燃气涡轮机高3%  。合适的压力是10兆帕左右。该组件设计变得比20MPa的超临界循环更容易。此外，除了充电和二氧化碳的排放，操作和控制是简单明了的。因此，该系统适合于太阳能应用。

　　韩国原子能研究院超临界二氧化碳循环与钠冷快堆结合

　　钠冷快堆(SFR)是GIF 推荐的第IV  代先进核能系统六种堆型中发展时间最长，技术最成熟的堆型，也是目前唯一经过现实工程验证的第四代堆型，其增殖和嬗变特点使得快堆技术发展一直是国际上核能技术发展的重要方向。到目前为止，基于水/  汽介质的郎肯循环仍然是钠冷快堆技术的唯一合适选择，由此带来的钠水反应问题成为钠冷快堆中最主要的安全问题之一。为了避免钠水反应对堆芯的影响，钠冷快堆需设置中间回路及钠水反应事故保护系统，以尽可能提高安全性能，这大大增加了钠冷快堆的建造成本和运行成本。

　　为了满足系统经济性和安全性的，在快堆技术的发展过程中，涌现出许多先进技术概念。在众多先进技术当中，超临界二氧化碳布雷顿循环系统被认为是最具应用前景的能量传输技术之一。

　　KALIMER-600 是韩国计划建造的示范快堆电站，其以超临界CO2 为介质的系统流程如图所示。其方案中去掉了钠冷快堆传统的中间回路，超临界CO2  直接同堆芯出来的钠通过钠-CO2热交换器进行换热，设备减少，系统尺寸也大幅度缩减。目前韩国进行了超临界CO2 能量转换系统压缩机和透平机的初步设计。

KALIMER-600的S-CO2布雷顿循环系统

　　在正常的工作条件下，总反应器系统是由一个主热传输系统(PHTS)，中间热输送装置(IHTS)，和超临界CO2布雷顿循环作为能量转换系统(ECS)。与用于能量传递的热交换系统是相互关联的。核心是PHTS热由CO2布雷顿循环传送到IHTS中间热交换器，然后转移到高温高压的超临界CO2气体用于操作涡轮机系统，通过膨胀过程产生电能量。

　　KALIMER-600反应器中的IHTS热(1528.9兆瓦)通过钠CO2布雷顿系统循环转换成电力。在PHTS和IHTS之间的热余额通过使用DENOP计算，即该ITHS之间和布雷顿循环是由雷科巴代码建立。

　　要建立PHTS和IHTS之间的热平衡所需的设计参数，如NA- CO2  HX温度和布雷顿循环S-CO2侧压力、核心电动泵入口和出口净功率输出的效率、KALIMER-600系统的IHTS通过朗肯循环压力获得的温度分布值等，用于热平衡的分析总结在下表中。其中S-CO2涡轮机械使用等熵效率。

正常工作状态设置的数值

下行LTR循环的流量分流效率

　　为缓解能源问题，世界各国一直都在致力于寻求高效、低廉、无危害和环保的新型发电技术。近年来，“超临界二氧化碳布雷顿循环”发电技术脱颖而出。

　　当前我国的环境急剧恶化，究其原因，一次能源中煤炭的比例过大是最重要的因素，因此，能源结构调整迫在眉睫，加大天然气、核能和新能源的比例是解决问题的关键。与此同时，大量的低温余热可以回收利用。发展  S-CO2 动力循环对节能减排和新能源产业(尤其是太阳能热发电和核能)具有颠覆性的意义。

　　我国热物理研究所或高校都有超临界二氧化碳的研究基础，航空工业，机械工业都有布雷顿循环燃气轮机的研发和制造能力，尤其航空工业能生产各种功率等级，大量的布雷顿循环航空发动机产品。如能充分利用研究院所、航空技术基础和设备条件，开展超临界CO2布雷顿循环的系统和机组研发生产，则既可装备使用清洁能源的基本负荷电厂，也可装备中小电厂就地供电。在太阳能充分，当地无水的地区，更可发挥优势。由于太阳热发电系统能建成可储能，可以将不稳定的电变成为可调度的电，使电网能容纳更多不稳定的电源(如可再生能源的风电等)。从而为实现国家节能减排，应对气候变暖做出重大贡献，又为航空工业或机械工业企业开发了巨大的市场。