超临界二氧化碳光热发电技术跨入商业化应用临界点

　　CSPPLAZA光热发电网报道：近日，本网发布的一则《美国西南研究院联合GE研发的超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试》的新闻在光热发电行业朋友圈广泛传播。

　　超临界二氧化碳涡轮机可用于超临界二氧化碳循环光热发电系统，该涡轮机的成功研发对超临界CO2光热发电技术的商业化具有重要意义。

　　当前，包括美国、中国、法国、日本等多个国家的科研机构和相关企业都在进行超临界二氧化碳发电技术的研究和产业化布局。

　　为何要发展超临界二氧化碳发电技术?

　　超临界二氧化碳(S-CO2)发电技术采用S-CO2布雷顿循环，是一种用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环技术。

　　目前承担基础负荷的发电形式主要是火力发电(锅炉+汽轮机)，该能量转换系统采用的工质是水-水蒸汽。锅炉主要是提供热源(燃煤)，水在封闭管路中经升压后到锅炉中去吸热，然后再进入汽轮机膨胀做功，推动汽轮机旋转进而驱动发电机向电网供电。水的临界点为温度T=374℃(647 K)、压力22.05 MPa(220.5 bar)。目前最先进的超超临界火电机组运行参数情况为：温度高于593℃，水蒸汽压力高于31MPa。

　　而超临界二氧化碳电力循环系统，其主要的核心部件包括压缩机、透平、回热器、冷却装置、吸热装置等。工质CO2的临界温度为 31℃(304K)，临界压力为 7.38MPa(73.8bar)。该系统可以实现较高的热电转换效率并超越传统的蒸汽轮机。同时，处于超临界状态下的CO2具有高的流动密度、传热性、粘度低，可以大大减小系统中涡轮机械和换热器的结构尺寸，降低运行维护成本。

　　此外，二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用作热力循环工质。

　　超临界二氧化碳+光热发电会产生什么效应?

　　目前常见的光热电站多用导热油、熔盐或直接用水蒸汽做传热流体，通过上述传热介质将光场收集到的热量传给机组，但流体的性质限制了机组性能。如导热油温度上限为400摄氏度左右，硝酸盐则为590摄氏度左右。

　　而较高的运行温度意味着较高的循环热效率和能更有效的储热。超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供500到800℃的温度，这是应用目前光热发电技术很容易达到的温度。

　　NREL主持超临界二氧化碳布雷顿循环10MW级示范项目的高级工程师和主要负责人Craig Turchi曾表示，经过一系列研究，我们认为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。美国能源部之所以支持此项研发，也是看到了此项技术在提高发电效率和降低成本方面的巨大潜力。

　　此外，超临界CO2透平如果用于地面发电厂，除了体积小、重量轻之外，还可以不用水，适合荒漠缺水地区的应用，是太阳能光热发电的理想选择，使用CO2做工质时，不存在工质冻结的问题，管路上不用电伴热，施工简单，并可显著降低成本。其应用于太阳能光热发电系统可实现效率的显著提升。系统仅需要较低的热量即可启动发电机、其应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，这些优点是普通发电系统无法比拟的。

　　SolarReserve首席技术官Bill Gould曾表示，此种技术对光热发电站启动过慢的缺陷是一种有益的改善。

　　作为一种在全球范围内尚处于发展阶段的发电形式，目前光热发电的优势和短板都非常明显，而制约其发展的最大短板是成本问题，而超临界二氧化碳技术的发展无疑可大大提升光热电站的效率，进而大大降低其成本。

　　研发和商业化应用速度正逐步加快

　　事实上，超临界二氧化碳布雷顿循环的相关研究，国际上早在20世纪六七十年代就开始了。由于其功率密度高，对轮盘和叶片的性能要求很高，当时的加工工艺难以满足。直到90年代以后，随着高精度数控机床的应用，相关制造工艺得以突破，相关的研制工作才开始进行。

　　本世纪以来，在能源、环保问题加剧的情况下，超临界二氧化碳布雷顿循环技术更是引起各国的关注。美国在这方面尤其积极，美国能源部(DOE)于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，由美国桑迪亚(Sandia)国家实验室-核能系统实验室(NESL)承担相关的实验研究。

　　在技术成熟度和应用领域推进规划方面，美国能源部(DOE)已开展实施10MW示范项目时即讨论了市场应用和推进时间表。该计划主要分为以下进程：2015~2020年，实现在工业余热利用领域的应用，效率超过ORC循环机组的方式;2020~2025年，实施光热发电领域的应用，在10~100MW功率等级内效率超过蒸汽轮机;2025年以后研发实施化石燃料SCO2电厂、第四代核电和直燃式SCO2发电装置。

　　而本文此前发布的新闻《美国西南研究院联合GE研发的超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试》则意味着DOE的上述计划已取得重大进展。