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4月26日(ri)，2024第十一屆(jie)中(zhong)國國際光熱(re)大(da)(da)會暨CSPPLAZA年(nian)會在內蒙古呼和浩特盛大(da)(da)召(zhao)開，西安(an)熱(re)工研(yan)究(jiu)院有限(xian)公司（簡(jian)稱(cheng)：西安(an)熱(re)工院）清潔(jie)能源技(ji)術研(yan)究(jiu)所(suo)所(suo)長張一帆先生出席會議并作《超臨界(jie)CO2循環發電及其高效靈活運行調控技(ji)術》的(de)主題報(bao)告。

圖：張一帆

以下為演講內容。

各位專家(jia)(jia)、各位同仁(ren)，大(da)家(jia)(jia)下午好！非常榮幸能夠在這(zhe)里(li)跟大(da)家(jia)(jia)進行一次技(ji)術(shu)交流，今天我(wo)匯報的技(ji)術(shu)題(ti)目是《超臨界CO2循環發電及其(qi)高(gao)效靈活(huo)運行調(diao)控技(ji)術(shu)》，報告(gao)分為四個部分。

超臨界CO2光熱發電

一、背景和技術原理

首先給各位(wei)專家介紹一下超臨(lin)界CO2光熱發電背(bei)景以(yi)及一些基本的技術原(yuan)理。

2020年9月22日習近平總書(shu)記在(zai)第七十五(wu)屆聯合(he)國大會一般性辯論上發表重要講話：明確提(ti)出中國將采取更加有力的政策和(he)(he)措施，CO2排放力爭于2030年前達(da)到峰值，努力爭取2060年前實現(xian)碳中和(he)(he)。

構建以新能源為主體(ti)的(de)(de)新型電力系(xi)統(tong)(tong)是實現雙碳目標的(de)(de)重要(yao)途徑。隨著(zhu)新能源比例(li)的(de)(de)不斷(duan)提升，對電力系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)靈活(huo)性(xing)(xing)和(he)穩定(ding)性(xing)(xing)提出了(le)前所未有的(de)(de)挑戰(zhan)。以水(shui)蒸氣(qi)為工質的(de)(de)傳統(tong)(tong)熱力發電技術在(zai)能源利用效率提升和(he)機組(zu)靈活(huo)性(xing)(xing)方面已不能滿(man)足當前能源變革的(de)(de)要(yao)求。

迫(po)切需要發展具有變(bian)革(ge)性意(yi)義的新(xin)型高效靈活(huo)熱力(li)發電技術(shu)，支(zhi)撐高比例可再生能源并網，對構(gou)建新(xin)型電力(li)系統，實(shi)現雙(shuang)碳目(mu)標具有重要意(yi)義。

二、光熱發電技術特點

光熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)是典型的(de)(de)綠色發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)技(ji)術，相比于其他新能源(yuan)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)技(ji)術，具備(bei)能夠實現(xian)熱電(dian)(dian)聯供、穩定電(dian)(dian)網輸出(chu)、參與調峰調頻的(de)(de)優勢。但(dan)光熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)最大(da)的(de)(de)問題(ti)就是效率偏(pian)低(di)、度(du)電(dian)(dian)成本較(jiao)高，要(yao)(yao)降(jiang)低(di)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)成本，大(da)規(gui)模推(tui)廣太陽能熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)技(ji)術，就要(yao)(yao)提高電(dian)(dian)站效率，一(yi)方(fang)面是裝備(bei)的(de)(de)開發(fa)(fa)(fa)，另一(yi)方(fang)面是循環發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)技(ji)術的(de)(de)升級迭(die)代。

▲政策支持

三、光熱發電技術的發展階段

如下(xia)圖，目前，光(guang)熱發電(dian)基本(ben)處于第(di)二(er)代，光(guang)-電(dian)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率約20%。未來要(yao)提(ti)高(gao)(gao)光(guang)熱發電(dian)效(xiao)(xiao)率、降(jiang)低度電(dian)成本(ben)，需要(yao)開發更高(gao)(gao)溫的儲熱技(ji)術(shu)，采用更高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)的熱-電(dian)轉化系統(tong)，即(ji)第(di)三(san)代光(guang)熱發電(dian)技(ji)術(shu)。通過效(xiao)(xiao)率提(ti)升(sheng)，同發電(dian)功率下(xia)，大幅降(jiang)低鏡場、集熱器、熔鹽的需求量，度電(dian)成本(ben)將(jiang)下(xia)降(jiang)50%-70%。

四、新一代光熱發電技術的典型特征

第三代光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)系(xi)統，儲熱(re)溫度(du)達700℃以(yi)上，同時采用熱(re)電(dian)轉(zhuan)化效率更高(gao)的布雷頓循環做為動力(li)系(xi)統。高(gao)效、靈(ling)活是第三代光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)的典型特征(zheng)。

1、高效：

1)三(san)元鹽/顆粒商用推(tui)廣(guang)，集熱(re)溫度提升至700℃以上；

2)動力島(dao)采用超臨界CO2布(bu)雷(lei)頓循(xun)環，循(xun)環效率大幅提(ti)升。

采用CO2布雷頓循(xun)環作為動力循(xun)環，有什么好(hao)處？

如下圖所示，主汽溫度越高(gao)，CO2循(xun)環(huan)發電(dian)效率的收益越高(gao)，700℃時，CO2循(xun)環(huan)發電(dian)比水發電(dian)循(xun)環(huan)效率高(gao)出6%~8%。

2、靈活：

目(mu)前，光(guang)熱發電較燃煤發電而言更為靈(ling)活。為什么采用第三代光(guang)熱發電技術，調峰的(de)深度和速度會(hui)大(da)幅度提(ti)升(sheng)？

因(yin)為(wei)整個水循環發(fa)電工(gong)質流程(cheng)中(zhong)，有(you)兩次相(xiang)(xiang)變，技術流程(cheng)較長、相(xiang)(xiang)對(dui)復雜。CO2布(bu)雷頓循環替代水循環后，動力轉化過程(cheng)中(zhong)沒有(you)相(xiang)(xiang)變，都是類氣態(tai)的狀態(tai)，靈活性能得到更(geng)好的釋放。

因(yin)此，采用CO2循環以后，整個光熱機組(zu)的調(diao)(diao)峰調(diao)(diao)頻能力、深度調(diao)(diao)節范圍都會(hui)得(de)到(dao)進(jin)一步提(ti)升。

國內外光熱超臨界CO2發電技術進展

接下來，給各位專家匯報一下國內外超臨界(jie)CO2光熱發(fa)展(zhan)的研究(jiu)進展(zhan)。

一、國外光熱超臨界CO2發電技術進展

國外光熱超臨界CO2發電技術的研究美國做的相對(dui)較(jiao)多：

2010年，美國桑迪亞(ya)國家(jia)實驗室SNL：Wright等首次提出將超臨界CO2循環(huan)與(yu)太(tai)陽能熱發電結合；

2011年，美國能源(yuan)部DOE發起“Sunshot”計劃以推動太陽能熱(re)發電技術發展；

2012年，澳大利(li)亞聯(lian)邦科學與工業研究組織CSIRO發起太陽能熱(re)利(li)用研究項目計(ji)劃“ASTRI”計(ji)劃；

2020年，歐(ou)盟：“Horizon 2020”正在建設歐(ou)洲第一個面(mian)向光熱應用(yong)的MW級超臨界(jie)CO2循環機組；

2023年，美國能源部DOE等，“STEP”項目10MW超臨界CO2發電機組機械竣工。

▍美國10MWe“超(chao)臨界變革性發電”（STEP）示范試(shi)點項目

美國能源部（DOE）牽頭，美國西南研究院、GTI Energy公司和(he)GE Vernova公司等聯合開(kai)發(fa)，投資(zi)1.69億美元(yuan)。

2023年3月(yue)，成(cheng)功實(shi)現壓縮機部分在超臨界條件下的首(shou)次運(yun)行；2023年10月(yue)，中試機組機械竣工；2024年1月(yue)，天(tian)然氣鍋(guo)爐點火加(jia)熱，將(jiang)透平運(yun)行至18000rpm中間(jian)轉速；預(yu)計2025年完成(cheng)整體測試。

二、國內光熱超臨界CO2發電技術進展

實際上，國內光(guang)熱超(chao)臨界(jie)CO2發電(dian)技術的研(yan)究歷經近10年，從高校到研(yan)究機(ji)構到企(qi)業已投入了大量精力。

2015年(nian)，西安交通大學啟動國家重點研(yan)(yan)發項(xiang)目（十三五），光熱超臨界CO2循環(huan)系(xi)統(tong)理論(lun)研(yan)(yan)究；

2021年，西安熱工(gong)研究院(yuan)：成功(gong)投運5MW超臨界CO2循環發電機組(zu)；

2021年，中科院工熱(re)所：MW級超(chao)臨界(jie)CO2壓(ya)縮(suo)機(ji)測試(shi)成功；

2023年，中國(guo)科學(xue)院(yuan)(yuan)電(dian)工(gong)研(yan)究所(suo)&西安熱工(gong)院(yuan)(yuan)：依托國(guo)家重點研(yan)發項(xiang)目(mu)（十三五）建成200kW光熱超(chao)臨界CO2機(ji)組(zu)；同(tong)年，西安熱工(gong)院(yuan)(yuan)完(wan)成青海(hai)50MW光熱超(chao)臨界CO2項(xiang)目(mu)可行性研(yan)究。

▍國家重點研發(fa)計劃(hua)-200kW光(guang)熱超臨界CO2循環系統試(shi)驗(yan)機組

中國科學院(yuan)電工(gong)研(yan)究所王志峰老師牽頭，西安熱工(gong)院(yuan)負責(ze)超臨界CO2機(ji)組研(yan)發。

2022年，建(jian)成超(chao)臨(lin)(lin)界CO2機(ji)組、集熱系統、顆粒/超(chao)臨(lin)(lin)界CO2換熱器；2023年，超(chao)臨(lin)(lin)界CO2機(ji)組通過(guo)第三方調試；2024年，延慶(qing)基(ji)地光熱-超(chao)臨(lin)(lin)界CO2機(ji)組聯調。

西安熱工院前期研究成果

一、西安熱工院超臨界CO2發電技術研發歷程

接下(xia)來介紹一下(xia)西安(an)熱工院在(zai)超(chao)臨界(jie)CO2發電，尤其是光熱超(chao)臨界(jie)CO2發電領(ling)域(yu)的研究工作。

2014年6月，西安熱工(gong)院成立(li)超臨界流體先進動力系統初創團(tuan)隊；8月，在(zai)國(guo)家自然科學基金支持下，開始探索性(xing)研(yan)究；

2015年6月，華能(neng)集團重大科技項(xiang)目正(zheng)式揭開序幕；12月，發改委創新能(neng)力建設項(xiang)目獲批(pi)，加大投資力度；

歷時5年(nian)，2020年(nian)8月，整個裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)研(yan)制完成，完成在閻(yan)良基地的整機安裝(zhuang)(zhuang)；12月，超(chao)臨界(jie)CO2鍋爐(lu)點火成功。

機組調試運行近(jin)一年后，2021年11月，完(wan)成了(le)72小時滿功(gong)率、長周期試運。

在此基礎，我們希望把超臨界CO2發電技術向潛在應用方向推廣(guang)，包括新(xin)一代高(gao)效(xiao)靈活火(huo)電、第四代核(he)電、大規模電熱儲能(neng)以及高(gao)溫光熱發電。

二、西安熱工院光熱超臨界CO2發電技術研發規劃

1、國家重點研(yan)發(fa)(fa)計劃項目提供理論基(ji)礎：國家重點研(yan)發(fa)(fa)計劃項目——200kWe光熱發(fa)(fa)電試驗機(ji)組已完成(cheng)整機(ji)第三方測(ce)試，運往延慶光熱基(ji)地。

2、華(hua)能青(qing)海(hai)50MW光(guang)熱(re)/光(guang)伏一體化：完成華(hua)能青(qing)海(hai)50MW超臨界CO2光(guang)熱(re)發電(dian)機組可研。

三、200kW光熱超臨界CO2發電機組

1、整體情況

接下來給大家匯(hui)報下200kW光(guang)熱(re)(re)超臨界CO2發電機組(zu)的整體情況，項(xiang)目(mu)于2018年立項(xiang)，包括整套聚(ju)光(guang)集(ji)熱(re)(re)及(ji)動(dong)力(li)系(xi)統(tong)，聚(ju)光(guang)集(ji)熱(re)(re)系(xi)統(tong)由(you)中國科學(xue)院和清華大學(xue)研制，CO2動(dong)力(li)系(xi)統(tong)由(you)西安熱(re)(re)工(gong)院研制。

透平熱功(gong)轉換系(xi)統(tong)研究技術路(lu)線：

1)光熱與熱力循環協同優化

2)透平(ping)壓縮機高效寬負荷熱功轉換特性

3)開發高效緊湊(cou)換熱(re)器樣機

4)適用光熱頻繁啟(qi)停(ting)氣動-結構-傳熱一體化設(she)計

5)研制200kW超臨界CO2發(fa)電裝置

6)利用5MW及200kW試驗平(ping)臺研究系統動(dong)態(tai)特性

2、壓縮機設計：掌握(wo)了高(gao)效寬工況超臨界CO2壓縮機設計關鍵技術

揭示了(le)超臨(lin)界CO2壓縮機與傳統空氣壓縮機不同的流(liu)動損失(shi)機理(li)(li)和失(shi)穩機制(zhi)，提(ti)出基于葉輪(lun)(lun)輪(lun)(lun)蓋處理(li)(li)的超臨(lin)界CO2壓縮機擴穩流(liu)動控制(zhi)方法，完成了(le)200kW超臨(lin)界CO2透平發(fa)電(dian)系統的兩級壓縮機設(she)計(ji)。

3、透平(ping)設計(ji)：掌握了高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)超臨界CO2壓縮機透平(ping)設計(ji)關鍵技術

闡明了不純超臨界(jie)CO2對透(tou)平輸出功的影(ying)響，揭示了超臨界(jie)CO2透(tou)平有別于傳統燃氣(qi)透(tou)平的通道(dao)渦(wo)與泄漏渦(wo)相互作(zuo)用機制(zhi)，建立(li)了考慮通道(dao)渦(wo)與泄漏渦(wo)相互作(zuo)用的超臨界(jie)CO2透(tou)平葉輪通道(dao)流動損失(shi)模型，完成了200kW超臨界(jie)CO2透(tou)平發電系(xi)統的四級軸(zhou)流透(tou)平設計。

4、換熱器設計(ji)(ji)：開發了PCHE流(liu)動換熱性能優化設計(ji)(ji)方法(fa)

開(kai)發了高(gao)效低(di)阻類菱形翅片(pian)印刷(shua)電(dian)路(lu)板換熱器流(liu)道，提出了印刷(shua)電(dian)路(lu)板換熱器結構多目標優化設計(ji)方法，提出了大型超臨界CO2印刷(shua)電(dian)路(lu)板換熱器數據處理方法，揭示了交叉流(liu)換熱對(dui)PCHE性能(neng)影響規律。

5、樣機(ji)(ji)研發：研發了200kW超臨(lin)界CO2機(ji)(ji)組樣機(ji)(ji)

2023年(nian)初，所(suo)有設(she)(she)備完成加工(gong)制造，運到西安(an)熱工(gong)院實(shi)驗基(ji)地現場安(an)裝(zhuang)；2023年(nian)底，西安(an)熱工(gong)院委托中國特種設(she)(she)備檢測(ce)研(yan)究院開展機(ji)組的(de)第三方(fang)測(ce)試、運行調(diao)試相關工(gong)作。

機組組建完(wan)成，這套(tao)系統(tong)如(ru)何(he)控制？如(ru)何(he)運行？如(ru)何(he)與(yu)前面(mian)聚光集熱系統(tong)的控制要求協(xie)調工作？是當時困擾我們的難(nan)題。

6、動態(tai)仿真：搭建了通用型動態(tai)特(te)性及控(kong)制策略開發邏輯框(kuang)架

因為200kW光熱(re)超臨(lin)界CO2發電機組的動力(li)系統(tong)與傳統(tong)水循環(huan)動力(li)系統(tong)及燃機布雷頓循環(huan)動力(li)系統(tong)差距(ju)較大。

結(jie)合前期火電5MW項目的研究(jiu)經驗(yan)，在通(tong)用模(mo)塊庫(ku)的基礎上，開發了(le)動態(tai)(tai)仿真模(mo)型，進行了(le)各個(ge)動態(tai)(tai)控(kong)制(zhi)模(mo)塊的性能分(fen)析，最終完成控(kong)制(zhi)策略(lve)的開發。通(tong)過動態(tai)(tai)仿真初步(bu)提出深度調峰和(he)快速調峰控(kong)制(zhi)策略(lve)。

7、控制策略開發

將運行控制策略(lve)在5MW試(shi)(shi)驗機組上進行深度調峰試(shi)(shi)驗驗證，下圖為(wei)0到100%供電功率全負荷(he)調節的實測情況。

通過(guo)快速調峰試驗，驗證了控制(zhi)模(mo)塊(kuai)和控制(zhi)策略(lve)；另外(wai)，進行(xing)了典型的控制(zhi)工況，包括定(ding)溫運行(xing)、定(ding)壓運行(xing)等不(bu)同控制(zhi)策略(lve)的評估(gu)。

最終在上述經(jing)驗(yan)的(de)基礎上，針對(dui)200kW的(de)光熱超臨界(jie)CO2發(fa)電機(ji)組開發(fa)了專屬的(de)控制邏輯和策略。動態(tai)響應(ying)、冷罐熱罐的(de)溫變速率都是制約動態(tai)控制開發(fa)的(de)關鍵因素(su)。

在光熱發電典型邊界(jie)條件的要求下，我們分別(bie)進行(xing)了加熱功率控(kong)(kong)制(zhi)、工(gong)質存量控(kong)(kong)制(zhi)、質量流量控(kong)(kong)制(zhi)、轉(zhuan)速控(kong)(kong)制(zhi)等一系列(lie)控(kong)(kong)制(zhi)策略(lve)評(ping)估。

8、運行測試

200kW光熱機(ji)組(zu)測試分析(xi)和國(guo)重任務對標分析(xi)：

在上(shang)述控制策略的(de)(de)支撐下，2023年(nian)年(nian)底，我(wo)們(men)請中國特種設備檢測研究院在實驗(yan)基(ji)地進行了200kW超臨(lin)界CO2裝(zhuang)置的(de)(de)性能測試。性能監測分析(xi)結果表明，我(wo)們(men)圓滿完(wan)成(cheng)了國家重(zhong)點研發計劃項目的(de)(de)指(zhi)標(biao)要求。

9、延慶聯調

200kW光(guang)熱機組(zu)裝置通過(guo)第三(san)方檢測后(hou)，已(yi)運(yun)至(zhi)北京延慶和聚(ju)光(guang)系統進行(xing)對接，預計今(jin)年夏季集中驗收。

典型應用推廣案例

最后，“十四(si)五”期間推(tui)廣(guang)應用的(de)項目(mu)，在5MW試驗(yan)機組(zu)研究(jiu)的(de)基礎(chu)上，幾個方向(xiang)同(tong)步開(kai)展(zhan)工作，其他領(ling)域不再贅述(shu)，主(zhu)要介(jie)紹(shao)下(xia)青海(hai)海(hai)西地區50MW的(de)超臨界CO2示(shi)范(fan)項目(mu)。

▍青海50MW光熱超臨界(jie)CO2機(ji)組

1、前期科技項目：

考慮是首臺(tai)套(tao)，難(nan)度系(xi)數(shu)較大(da)，沒有采用(yong)700℃的(de)儲熱溫(wen)(wen)度，沿用(yong)現(xian)階段成(cheng)熟(shu)太陽鹽565℃的(de)溫(wen)(wen)度；

“青海海西地(di)區50MW光熱超臨(lin)界CO2循環發電項(xiang)目可行性研究(jiu)”，該(gai)項(xiang)目為期一年(nian)，已于2023年(nian)7月(yue)結題(ti)驗收(shou)。

2、工程(cheng)可行性(xing)研(yan)究(jiu)：

“華能(neng)青海公司格爾木(mu)50萬(wan)超臨界CO2光(guang)熱融合示(shi)范項目可行性(xing)研(yan)究”，該(gai)項目主(zhu)辦單位為青海分公司，由西安熱工院和西北電力設計院聯(lian)合承擔。

3、發展規劃：

青海(hai)海(hai)西地區50MW超臨界CO2光(guang)熱發電技術經濟性及(ji)工(gong)程示范(fan)研(yan)究；

華能(neng)青海公司格爾木45萬光伏+5萬超(chao)臨界CO2項目(mu)。

4、技術特點

光熱和(he)光伏結合，強化電源(yuan)側(ce)靈活調節作用(yong)；

優化電源規模配(pei)比(bi)，多能(neng)互補后打(da)捆送出，5萬千瓦超(chao)臨(lin)界CO2循環發(fa)電機組擬采(cai)用(yong)(yong)發(fa)電、調相兩用(yong)(yong)模式，白天空載運行主(zhu)要作(zuo)為調相機使用(yong)(yong)，夜間大負荷運行支撐晚高峰用(yong)(yong)電需求，有效解(jie)決用(yong)(yong)電高峰期(qi)和低谷期(qi)電力輸(shu)出的不平衡問題和提(ti)高電網的穩定性(xing)；

提供轉動慣量，保障機組安全(quan)；

助力風光基(ji)地一(yi)體化(hua)發(fa)展(zhan)。

2024第十(shi)一屆(jie)中國國際光(guang)熱大(da)(da)會(hui)(hui)暨CSPPLAZA年(nian)會(hui)(hui)4月25-26日(ri)在(zai)內蒙古呼和浩(hao)特香格里拉大(da)(da)酒(jiu)店盛(sheng)大(da)(da)召開，大(da)(da)會(hui)(hui)由CSPPLAZA光(guang)熱發電平(ping)臺聯(lian)合(he)常州龍(long)騰光(guang)熱科技(ji)股份有限公司共(gong)同主辦，大(da)(da)會(hui)(hui)主題為“在(zai)多變的形(xing)勢(shi)下(xia)實現規模化發展”，共(gong)有來自海內外約800名代表(biao)出席本屆(jie)大(da)(da)會(hui)(hui)。