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CSPPLAZA光熱發電網報道：近日，本網發(fa)布(bu)的一則(ze)《美國西南研(yan)究院聯(lian)合GE研(yan)發(fa)的超(chao)臨(lin)界二氧(yang)化碳渦(wo)輪機順利通過測(ce)試》的新(xin)聞在光熱發(fa)電行業朋友(you)圈廣泛傳播(bo)。

超(chao)臨(lin)界二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳渦輪機可(ke)用于超(chao)臨(lin)界二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳循環光熱發電系統(tong)，該渦輪機的成(cheng)功研發對超(chao)臨(lin)界CO2光熱發電技術的商業化(hua)具有重要意義。

當前(qian)，包括美國(guo)(guo)(guo)、中國(guo)(guo)(guo)、法國(guo)(guo)(guo)、日本(ben)等(deng)多個國(guo)(guo)(guo)家的(de)科研(yan)機(ji)構和相關(guan)企(qi)業(ye)(ye)都在進行(xing)超(chao)臨界二(er)氧化碳發電技(ji)術的(de)研(yan)究和產業(ye)(ye)化布(bu)局。

表：已展開超(chao)臨界二(er)氧(yang)化碳發電技術研究的國內(nei)外(wai)部分相關單(dan)位(wei)

為何要發展超臨界二氧化碳發電技術？

超臨界二氧(yang)化(hua)碳(tan)(S-CO2)發(fa)電技術采用S-CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)(xun)環，是一(yi)種用超臨界狀態的(de)二氧(yang)化(hua)碳(tan)作為工質的(de)渦輪(lun)發(fa)動機熱循(xun)(xun)環技術。

目(mu)(mu)前承擔基礎負荷(he)的發電形式主(zhu)(zhu)要是火力(li)(li)發電（鍋爐(lu)+汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)），該能量(liang)轉換(huan)系(xi)統采用(yong)的工質是水(shui)(shui)-水(shui)(shui)蒸(zheng)汽(qi)(qi)。鍋爐(lu)主(zhu)(zhu)要是提供熱源（燃煤(mei)），水(shui)(shui)在封閉(bi)管路中經升壓后到鍋爐(lu)中去吸(xi)熱，然后再進入(ru)汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)膨脹做功，推動汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)旋轉進而(er)驅動發電機(ji)向(xiang)電網(wang)供電。水(shui)(shui)的臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力(li)(li)22.05 MPa（220.5 bar）。目(mu)(mu)前最先進的超超臨界火電機(ji)組運行參數情(qing)況為：溫度高于(yu)593℃，水(shui)(shui)蒸(zheng)汽(qi)(qi)壓力(li)(li)高于(yu)31MPa。

而(er)超(chao)臨(lin)界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)電力循環系(xi)(xi)統(tong)，其主要的(de)(de)核心(xin)部件包括壓縮機、透平、回(hui)熱(re)(re)(re)器(qi)、冷卻裝置、吸熱(re)(re)(re)裝置等。工質(zhi)CO2的(de)(de)臨(lin)界(jie)溫(wen)度為 31℃（304K），臨(lin)界(jie)壓力為 7.38MPa（73.8bar）。該系(xi)(xi)統(tong)可(ke)以實現較高的(de)(de)熱(re)(re)(re)電轉換(huan)(huan)效率并超(chao)越傳(chuan)統(tong)的(de)(de)蒸汽(qi)輪(lun)機。同(tong)時，處于(yu)超(chao)臨(lin)界(jie)狀態下的(de)(de)CO2具有高的(de)(de)流動密度、傳(chuan)熱(re)(re)(re)性、粘度低(di)，可(ke)以大(da)大(da)減(jian)小系(xi)(xi)統(tong)中渦輪(lun)機械和(he)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)結構尺寸，降低(di)運行維護成本(ben)。

此外，二氧化碳的臨界條件容易(yi)達到，化學性質不活潑，無(wu)色無(wu)味無(wu)毒，安全(quan)，價格便宜，純度(du)高，易(yi)獲得(de)。這些特性，使得(de)它很適合用作熱力循(xun)環工(gong)質。

超臨界二氧化碳+光熱發電會產生什么效應？

目前(qian)常見(jian)的(de)光熱(re)電站(zhan)多用導(dao)熱(re)油(you)、熔鹽(yan)或直接(jie)用水蒸汽做傳(chuan)熱(re)流體(ti)(ti)，通(tong)過上(shang)述傳(chuan)熱(re)介質將光場(chang)收集到(dao)的(de)熱(re)量(liang)傳(chuan)給機(ji)組(zu)，但(dan)流體(ti)(ti)的(de)性質限制了機(ji)組(zu)性能。如(ru)導(dao)熱(re)油(you)溫(wen)度上(shang)限為(wei)400攝(she)氏度左右(you)，硝酸鹽(yan)則為(wei)590攝(she)氏度左右(you)。

而較高(gao)(gao)的運(yun)行溫度(du)意味著較高(gao)(gao)的循環熱效率和(he)能更有效的儲(chu)熱。超臨界二氧(yang)化(hua)碳布雷頓循環僅需外界提供500到(dao)800℃的溫度(du)，這是應(ying)用目前光(guang)熱發電技術很容易達到(dao)的溫度(du)。

NREL主持超(chao)臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳布雷頓循環10MW級示范(fan)項目(mu)的高級工程師和主要(yao)負(fu)責人Craig Turchi曾表示，經過一(yi)系(xi)列研究，我(wo)們認為超(chao)臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳作為工質(zhi)的光熱發電系(xi)統在高達(da)600到(dao)700攝氏(shi)度(du)的溫度(du)范(fan)圍內運(yun)行都可以有良好表現。

超臨(lin)界二氧化碳(tan)發(fa)電(dian)可以(yi)(yi)在500攝氏度以(yi)(yi)上(shang)，20兆(zhao)帕的大(da)氣壓下實現(xian)高效(xiao)(xiao)率(lv)的熱能利用(yong)，可以(yi)(yi)輕松達(da)到(dao)45%以(yi)(yi)上(shang)，這將有(you)效(xiao)(xiao)提高電(dian)力產能。美國能源部之(zhi)所以(yi)(yi)支持此項研發(fa)，也(ye)是看(kan)到(dao)了此項技(ji)術(shu)在提高發(fa)電(dian)效(xiao)(xiao)率(lv)和降低(di)成本方面的巨大(da)潛力。

此外，超臨界CO2透平如果用(yong)(yong)(yong)于地面發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)廠，除了(le)體積(ji)小、重量(liang)輕之外，還可(ke)以不用(yong)(yong)(yong)水，適合荒漠缺水地區的應用(yong)(yong)(yong)，是(shi)(shi)太陽能(neng)光(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)的理想選擇(ze)，使(shi)用(yong)(yong)(yong)CO2做工質時，不存(cun)在(zai)工質凍結的問題，管路(lu)上不用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)伴熱(re)，施工簡單，并(bing)可(ke)顯著降低(di)成本。其(qi)應用(yong)(yong)(yong)于太陽能(neng)光(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)可(ke)實現效率的顯著提升。系(xi)統(tong)僅(jin)需要較低(di)的熱(re)量(liang)即(ji)可(ke)啟(qi)動發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)機、其(qi)應對負荷變化調整迅速(su)、支持快速(su)啟(qi)停，這些優點是(shi)(shi)普通(tong)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)無(wu)法比擬的。

SolarReserve首席(xi)技術(shu)官Bill Gould曾表示，此種技術(shu)對(dui)光熱發(fa)電站(zhan)啟(qi)動(dong)過(guo)慢(man)的缺陷是一種有益的改善。

作(zuo)為一種在全球范圍內尚處于發(fa)展(zhan)階段的(de)(de)(de)發(fa)電(dian)(dian)(dian)形式，目前光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)優(you)勢和短(duan)板都非(fei)常明顯，而(er)(er)制約(yue)其發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)最大(da)(da)短(duan)板是成本(ben)問題，而(er)(er)超臨界(jie)二氧化(hua)碳技術的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)無疑可大(da)(da)大(da)(da)提升光(guang)熱(re)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)(de)效率，進而(er)(er)大(da)(da)大(da)(da)降低其成本(ben)。   

研發和商業化應用速度正逐步加快

事(shi)實上(shang)，超臨界二氧化(hua)碳布雷頓循環的(de)(de)(de)相關研(yan)究，國(guo)際上(shang)早在20世紀六七(qi)十年代(dai)就開始(shi)了(le)。由于其功率密度(du)(du)高，對(dui)輪盤(pan)和葉片的(de)(de)(de)性能要求很高，當時的(de)(de)(de)加工工藝難(nan)以滿足(zu)。直(zhi)到90年代(dai)以后，隨著高精度(du)(du)數(shu)控機床(chuang)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，相關制造工藝得以突破，相關的(de)(de)(de)研(yan)制工作才開始(shi)進行。

本世紀以來(lai)，在能(neng)源(yuan)、環保問題(ti)加劇的情況下，超臨界二(er)(er)氧(yang)化碳(tan)布(bu)雷頓循(xun)環技術更是引起各國(guo)的關注。美(mei)國(guo)在這方面尤其積(ji)極，美(mei)國(guo)能(neng)源(yuan)部（DOE）于2011年開始實施太陽能(neng)應用領域的“Sunshot”攻關計劃，該(gai)項目(mu)中的超臨界二(er)(er)氧(yang)化碳(tan)布(bu)雷頓循(xun)環系統(tong)研(yan)(yan)發項目(mu)的主體項目(mu)為10MW超臨界二(er)(er)氧(yang)化碳(tan)發電機組項目(mu)研(yan)(yan)發和(he)測試，由美(mei)國(guo)桑迪亞（Sandia）國(guo)家實驗室-核能(neng)系統(tong)實驗室（NESL）承(cheng)擔相關的實驗研(yan)(yan)究。

在(zai)技(ji)術成(cheng)熟度和(he)(he)應(ying)用(yong)(yong)領域(yu)推(tui)進(jin)規(gui)劃(hua)方面，美國(guo)能源部（DOE）已開展實(shi)施10MW示范(fan)項(xiang)目時即討論了(le)市(shi)場應(ying)用(yong)(yong)和(he)(he)推(tui)進(jin)時間表。該計劃(hua)主要(yao)分(fen)為以下(xia)進(jin)程：2015~2020年(nian)(nian)，實(shi)現在(zai)工(gong)業余熱利用(yong)(yong)領域(yu)的應(ying)用(yong)(yong)，效率超過ORC循環(huan)機組的方式；2020~2025年(nian)(nian)，實(shi)施光熱發(fa)電(dian)(dian)領域(yu)的應(ying)用(yong)(yong)，在(zai)10~100MW功率等(deng)級內效率超過蒸汽輪機；2025年(nian)(nian)以后研(yan)發(fa)實(shi)施化石燃料SCO2電(dian)(dian)廠、第四代核電(dian)(dian)和(he)(he)直燃式SCO2發(fa)電(dian)(dian)裝置。

而本(ben)文此前發布的新聞《美國(guo)西南研(yan)究(jiu)院(yuan)聯合GE研(yan)發的超臨界二氧化碳(tan)渦輪機順利通過測(ce)試》則意味著(zhu)DOE的上述計劃已取得重(zhong)大進展。

圖：超臨界二氧化(hua)碳(tan)渦輪機

中國關注與參與度不斷提升

除(chu)了領(ling)跑者美國(guo)(guo)以外(wai)，其他各(ge)國(guo)(guo)也(ye)在此領(ling)域加快研發(fa)步伐，尤(you)其是(shi)中國(guo)(guo)也(ye)開(kai)始愈發(fa)重視該技術的(de)發(fa)展(zhan)，相關企業(ye)也(ye)在積極參(can)與并已(yi)取得(de)一定(ding)進展(zhan)。

國內(nei)從2012年左右開始針對此領(ling)域進行(xing)(xing)研究，中國核動力(li)研究設(she)計(ji)院(yuan)、西(xi)安熱(re)工院(yuan)、中船重工 711 研究所等(deng)企業機構聯(lian)合相(xiang)關高校和研究所開始在(zai)系統理論、零部件加工等(deng)方面進行(xing)(xing)探索。

本網針對近(jin)年來國內相(xiang)關單位(wei)在該領域(yu)的動態(tai)進行了如下(xia)匯總：

2015年9月，上市公司金通靈公告(gao)根(gen)據(ju)市場(chang)需求(qiu)分析結(jie)合自(zi)身資(zi)源能(neng)力，自(zi)主開(kai)發(fa)S-CO2布雷頓循環發(fa)電(dian)系(xi)統與技術(shu)。委托中科熱物理所(suo)提供S-CO2技術(shu)咨詢服務，期限(xian)為(wei)36月。該公司計劃從(cong)關(guan)鍵技術(shu)研發(fa)到小規模(mo)系(xi)統示范，再到與太陽(yang)能(neng)聚(ju)光和(he)儲(chu)熱系(xi)統聯調中試，為(wei)S-CO2布雷頓循環發(fa)電(dian)系(xi)統的產業化(hua)奠定(ding)基礎，從(cong)而(er)占(zhan)領(ling)市場(chang)制(zhi)高點，引領(ling)太陽(yang)能(neng)熱發(fa)電(dian)和(he)高溫核能(neng)的技術(shu)創新(xin)。

2017年(nian)3月，哈(ha)電(dian)集團(tuan)哈(ha)爾(er)濱鍋爐(lu)廠有限責任(ren)公司與西(xi)安熱(re)工研究院(yuan)簽(qian)訂了5兆(zhao)瓦超臨界二氧化碳循環發電(dian)試驗平臺項(xiang)目(mu)鍋爐(lu)設(she)備(bei)合同，參與建設(she)二氧化碳循環發電(dian)試驗臺。

2018年(nian)2月(yue)，由中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院工(gong)程熱(re)物理研(yan)究(jiu)所研(yan)制的國(guo)(guo)內首臺MW級超(chao)臨界二(er)氧化(hua)碳(tan)(tan)壓(ya)縮機，在中(zhong)國(guo)(guo)航(hang)發沈陽黎明航(hang)空發動機有限責任公(gong)司燃氣輪機分公(gong)司完成加工(gong)裝配，成功(gong)交(jiao)付工(gong)程熱(re)物理研(yan)究(jiu)所衡(heng)水基地。壓(ya)縮機是超(chao)臨界二(er)氧化(hua)碳(tan)(tan)布雷頓循(xun)環系統(tong)的核心(xin)部件之一，它(ta)的研(yan)制成功(gong)，是我國(guo)(guo)在超(chao)臨界二(er)氧化(hua)碳(tan)(tan)布雷頓循(xun)環系統(tong)研(yan)究(jiu)領域的一次重(zhong)大突破。

圖：國(guo)內首臺兆瓦級的超臨界(jie)二氧化碳(tan)壓縮機（圖片(pian)來(lai)自中國(guo)科學院工程熱物理研究(jiu)所網站）

2018年5月，超臨(lin)界CO2太(tai)陽(yang)能(neng)熱發(fa)電技(ji)術入選了中(zhong)國電機(ji)工(gong)程學會(hui)學術工(gong)作委(wei)員會(hui)主任委(wei)員周孝信院(yuan)士(shi)、中(zhong)國電機(ji)工(gong)程學會(hui)副秘書長陳小良發(fa)布的《能(neng)源動(dong)力領(ling)域十項(xiang)重大工(gong)程技(ji)術難題》。

2018年6月15日，首(shou)(shou)航節能與法(fa)國(guo)(guo)電(dian)力在(zai)北(bei)京舉行S-CO2循環(huan)光熱(re)(re)發電(dian)技術(shu)研發項目啟動儀式。雙(shuang)方(fang)將憑借(jie)各自在(zai)光熱(re)(re)領(ling)域(yu)的技術(shu)積累，共(gong)同開發高(gao)效率的光熱(re)(re)發電(dian)技術(shu)，旨在(zai)降低光熱(re)(re)發電(dian)成(cheng)本。同時，這(zhe)項技術(shu)將用(yong)于(yu)改造(zao)首(shou)(shou)航節能敦煌10MW塔式，這(zhe)將成(cheng)為(wei)中國(guo)(guo)乃至全球范(fan)圍內首(shou)(shou)個超(chao)臨(lin)界二氧化碳光熱(re)(re)發電(dian)技術(shu)的實(shi)際案例。

　　圖：正在利用超臨界二氧化碳技(ji)術改(gai)造的(de)首航(hang)節能(neng)敦煌10MW熔鹽塔式光熱(re)電(dian)站

2018年(nian)8月，科(ke)技部(bu)(bu)發(fa)布了《科(ke)技部(bu)(bu)關于發(fa)布國家重(zhong)點(dian)研(yan)發(fa)計劃“智能機器人”等重(zhong)點(dian)專項(xiang)2018年(nian)度(du)項(xiang)目申報指(zhi)南的通知(zhi)》，其中“超(chao)臨界CO2太陽(yang)能熱發(fa)電關鍵基礎(chu)問題研(yan)究（基礎(chu)研(yan)究類）”被列入“可再生能源與氫能技術(shu)”，是(shi)“太陽(yang)能”創新鏈（技術(shu)方向）的重(zhong)點(dian)研(yan)究任(ren)務。

2018年9月21日，我國(guo)首座大型超臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳壓(ya)縮(suo)機實(shi)(shi)驗(yan)平(ping)臺(tai)在衡(heng)水基(ji)地正式建成。實(shi)(shi)驗(yan)平(ping)臺(tai)是用于測(ce)試(shi)超臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳壓(ya)縮(suo)機工作性(xing)能和開展(zhan)超臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳流體壓(ya)縮(suo)特(te)性(xing)相關基(ji)礎實(shi)(shi)驗(yan)的通用平(ping)臺(tai)，還(huan)可以用于開展(zhan)高速(su)轉子測(ce)試(shi)、軸承測(ce)試(shi)和密封測(ce)試(shi)等實(shi)(shi)驗(yan)。

圖：超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺（測試系統）（圖片來(lai)自中國科學院工程熱物(wu)理研究(jiu)所網站）

2018年11月，我國(guo)首座“雙回路全溫全壓超臨界(jie)二(er)氧化碳（S-CO2）換(huan)熱(re)器綜合試驗測試平臺”在中國(guo)科(ke)學院工程熱(re)物理研究所(suo)廊坊中試基地建成。

2019年4月，中科衡發公司與廣州同(tong)益公司和華電同(tong)德公司在中科衡水創新(xin)動力研發基地，舉行超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)發電裝備產業(ye)化(hua)簽約儀式(shi)，此次(ci)合作將推進(jin)超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)換熱器和壓縮(suo)機等(deng)產品的生產與銷售(shou)。

需要攻克哪些技術難點？

超(chao)臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳機組目前已接(jie)近商業(ye)化(hua)，按照NREL的(de)工作思路(lu)，先從簡(jian)單的(de)超(chao)臨界(jie)CO2布雷(lei)頓循(xun)環(huan)入手，一步步挖掘潛力，提高系(xi)統性能，增加采用能夠大幅提高效率的(de)技術措施，具(ju)體如下：

1）增(zeng)加透(tou)平(ping)進口溫度(du)：從500攝氏度(du)提高到700攝氏度(du)或(huo)更(geng)高。

2）壓(ya)縮過程由兩步完成。即有主(zhu)壓(ya)縮機，還有“再壓(ya)”壓(ya)縮機。

3）使用壓(ya)縮機中間冷卻。

4）透(tou)平也分兩級，并對排出的工質再熱。

5）壓(ya)縮(suo)機(ji)和透平為分軸式，使其各在優化的轉(zhuan)速運行。

6）增加底(di)循(xun)環，如(ru)朗肯循(xun)環或串聯的超臨界CO2循(xun)環。   

但(dan)在具體工程實(shi)施過(guo)程中，需(xu)要解決的技術(shu)難點如(ru)下：

1）高溫高壓(ya)的(de)超臨(lin)界二氧(yang)化碳對金(jin)屬(shu)材料的(de)腐蝕特性(xing)；

2）回熱(re)器(qi)、吸熱(re)器(qi)等裝(zhuang)置中的流動(dong)傳熱(re)特(te)性；

3）高速輕型(xing)轉(zhuan)子的制造及平衡、高壓密(mi)封、高速軸承系統。

綜(zong)上(shang)，超臨界二(er)氧化碳發電技術(shu)及裝置已經逐步(bu)從實驗階(jie)段(duan)發展到商(shang)(shang)業化的(de)臨界點。眾多(duo)商(shang)(shang)業機構如發電公司、零部件(jian)供應商(shang)(shang)、設計研(yan)發企業開(kai)始(shi)形成產(chan)業聯(lian)合體。世(shi)界范圍內已經有多(duo)臺1-10MW級別的(de)機組處于商(shang)(shang)業示范運(yun)營階(jie)段(duan)。更(geng)高功率(lv)和參數等級的(de)機組正在設計研(yan)發階(jie)段(duan)，各研(yan)究及商(shang)(shang)業機構均試圖搶占(zhan)最(zui)前(qian)沿的(de)技術(shu)領域和未來產(chan)品(pin)市場。

同時，雖(sui)然超臨界二氧化(hua)碳(tan)光熱(re)發電(dian)技(ji)(ji)術(shu)(shu)研(yan)究尚處于起步階段(duan)，在(zai)中(zhong)國(guo)甚(shen)至全球范圍內(nei)對該項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的研(yan)究也屬于新(xin)課題。但是，其優(you)良的特性和對發電(dian)技(ji)(ji)術(shu)(shu)可能帶來(lai)的顛覆已(yi)經得到了(le)大眾越來(lai)越廣泛的認知，其技(ji)(ji)術(shu)(shu)研(yan)發和商業化(hua)應用進程的速度也正在(zai)逐(zhu)步加快。

按照(zhao)美(mei)(mei)國(guo)能源(yuan)部(bu)此前制定的(de)(de)計劃，希望通過(guo)該(gai)技術的(de)(de)研發(fa)，到2020年將(jiang)太陽熱(re)(re)發(fa)電(dian)電(dian)價降(jiang)到6美(mei)(mei)分/kWh；熱(re)(re)機采用干冷不用水，循環效率大于50%。在2020年實現降(jiang)低75%成本的(de)(de)目標(biao)，使(shi)太陽能發(fa)電(dian)于2030年占全(quan)美(mei)(mei)電(dian)力的(de)(de)14%，2050年占27%。

隨著超臨界二氧化碳循環技術的不斷發展完善，超臨界二氧化碳光熱發電技術開始跨入商業化應用臨界點，光熱發電技術有望籍此彌補其成本過高的缺陷，獲得跨越式發展，這將為太陽能光熱發電產業開創更光明的未來。