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CSPPLAZA光熱發電網報道：近日，本網(wang)發(fa)布的(de)一則《美國西南研(yan)究院聯合GE研(yan)發(fa)的(de)超臨界(jie)二氧(yang)化碳渦輪機順利通過(guo)測試》的(de)新聞在光熱發(fa)電行業朋(peng)友圈廣泛(fan)傳播。

超(chao)(chao)臨界(jie)二氧(yang)化碳(tan)渦(wo)輪(lun)機(ji)可用(yong)于超(chao)(chao)臨界(jie)二氧(yang)化碳(tan)循環光熱發電(dian)系統，該渦(wo)輪(lun)機(ji)的成功研發對超(chao)(chao)臨界(jie)CO2光熱發電(dian)技術的商(shang)業化具有重(zhong)要意(yi)義。

當前，包(bao)括美國、中國、法國、日本等多個國家的科研(yan)機構和相關企業都在進(jin)行超臨界二氧化碳(tan)發電技術(shu)的研(yan)究和產業化布局。

表：已展開超臨界二氧化碳發電(dian)技術研究(jiu)的國(guo)內(nei)外部分相關(guan)單(dan)位

為何要發展超臨界二氧化碳發電技術？

超臨(lin)界(jie)二氧化(hua)碳(tan)(S-CO2)發電技(ji)術采用S-CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)環，是一種用超臨(lin)界(jie)狀態的二氧化(hua)碳(tan)作為工(gong)質的渦輪(lun)發動機(ji)熱循(xun)環技(ji)術。

目前承(cheng)擔(dan)基礎負荷的(de)發(fa)電(dian)(dian)形式(shi)主(zhu)要(yao)是火力發(fa)電(dian)(dian)（鍋爐(lu)+汽(qi)(qi)輪機(ji)），該能(neng)量(liang)轉(zhuan)換系統采用的(de)工質是水(shui)-水(shui)蒸(zheng)汽(qi)(qi)。鍋爐(lu)主(zhu)要(yao)是提供(gong)熱(re)源（燃(ran)煤(mei)），水(shui)在封閉(bi)管路中經升壓后到鍋爐(lu)中去吸(xi)熱(re)，然后再進(jin)入汽(qi)(qi)輪機(ji)膨脹做功，推動(dong)汽(qi)(qi)輪機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)進(jin)而驅動(dong)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)向電(dian)(dian)網供(gong)電(dian)(dian)。水(shui)的(de)臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先(xian)進(jin)的(de)超(chao)超(chao)臨界火電(dian)(dian)機(ji)組(zu)運(yun)行參(can)數情況為：溫度高于593℃，水(shui)蒸(zheng)汽(qi)(qi)壓力高于31MPa。

而超(chao)臨(lin)界二氧化(hua)碳電力循環系統(tong)，其主要的(de)(de)核(he)心部件包括(kuo)壓縮機(ji)、透平、回熱(re)器、冷卻裝置、吸(xi)熱(re)裝置等。工質CO2的(de)(de)臨(lin)界溫度為(wei) 31℃（304K），臨(lin)界壓力為(wei) 7.38MPa（73.8bar）。該系統(tong)可以實(shi)現較高(gao)的(de)(de)熱(re)電轉(zhuan)換效率并超(chao)越傳統(tong)的(de)(de)蒸汽輪機(ji)。同時，處于超(chao)臨(lin)界狀態下的(de)(de)CO2具有(you)高(gao)的(de)(de)流動密度、傳熱(re)性、粘(zhan)度低，可以大大減小系統(tong)中渦輪機(ji)械和換熱(re)器的(de)(de)結(jie)構尺(chi)寸，降低運行維護成本。

此外，二氧化碳的臨界條件容易達到(dao)，化學性質不活潑，無色無味無毒，安全，價(jia)格便宜，純度高，易獲得(de)。這些(xie)特性，使得(de)它很適合用作熱力循環(huan)工質。

超臨界二氧化碳+光熱發電會產生什么效應？

目前常見的(de)光熱(re)(re)電站多用導熱(re)(re)油(you)、熔(rong)鹽(yan)或直接用水蒸(zheng)汽(qi)做傳(chuan)熱(re)(re)流體(ti)，通過上述傳(chuan)熱(re)(re)介質將光場收集到的(de)熱(re)(re)量(liang)傳(chuan)給機組，但流體(ti)的(de)性質限(xian)制了機組性能(neng)。如導熱(re)(re)油(you)溫度(du)上限(xian)為(wei)400攝(she)氏(shi)度(du)左右，硝(xiao)酸鹽(yan)則(ze)為(wei)590攝(she)氏(shi)度(du)左右。

而較(jiao)高(gao)的運行溫(wen)度意味著較(jiao)高(gao)的循環熱(re)效率(lv)和能(neng)更(geng)有效的儲熱(re)。超臨界二氧(yang)化碳布雷頓循環僅需外(wai)界提供500到800℃的溫(wen)度，這是應用(yong)目前光熱(re)發電技術很容易達到的溫(wen)度。

NREL主持(chi)超臨界二(er)氧化碳(tan)布雷頓(dun)循(xun)環10MW級(ji)示(shi)范項目的(de)高(gao)級(ji)工程師和(he)主要負責人Craig Turchi曾表示(shi)，經過一系(xi)列研究，我(wo)們(men)認(ren)為超臨界二(er)氧化碳(tan)作為工質的(de)光熱(re)發電(dian)系(xi)統在高(gao)達600到700攝氏度的(de)溫度范圍內(nei)運行都可(ke)以(yi)有(you)良好表現。

超臨界(jie)二(er)氧(yang)化碳(tan)發(fa)電可以在(zai)500攝氏度以上，20兆帕的(de)大氣壓下實現高效率的(de)熱能(neng)利用，可以輕松達到45%以上，這將有效提(ti)高電力(li)產(chan)能(neng)。美(mei)國能(neng)源部(bu)之所(suo)以支(zhi)持此項(xiang)研發(fa)，也是看到了此項(xiang)技術在(zai)提(ti)高發(fa)電效率和(he)降低成本方面的(de)巨大潛力(li)。

此外，超臨界CO2透平(ping)如果用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)地(di)面發(fa)電(dian)(dian)廠，除了(le)體積小、重量(liang)輕之外，還(huan)可以不用(yong)(yong)(yong)水，適(shi)合荒漠缺水地(di)區的(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)，是太(tai)陽(yang)能(neng)光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)的(de)(de)理想選擇，使(shi)用(yong)(yong)(yong)CO2做(zuo)工(gong)(gong)質時(shi)，不存在工(gong)(gong)質凍結的(de)(de)問題(ti)，管路(lu)上不用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)伴熱(re)，施工(gong)(gong)簡單，并可顯著(zhu)降低(di)成本。其(qi)應用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)光熱(re)發(fa)電(dian)(dian)系統(tong)(tong)可實(shi)現效率的(de)(de)顯著(zhu)提升。系統(tong)(tong)僅需要較低(di)的(de)(de)熱(re)量(liang)即可啟(qi)動發(fa)電(dian)(dian)機、其(qi)應對負荷變化調整迅速、支持(chi)快速啟(qi)停，這些優點是普通發(fa)電(dian)(dian)系統(tong)(tong)無法比擬(ni)的(de)(de)。

SolarReserve首席技術官Bill Gould曾表示，此種(zhong)技術對光熱發電站啟動(dong)過慢的(de)缺陷是一種(zhong)有益的(de)改(gai)善。

作為一種(zhong)在全球范圍(wei)內尚處(chu)于發(fa)(fa)展階段的(de)(de)發(fa)(fa)電形(xing)式，目前(qian)光熱發(fa)(fa)電的(de)(de)優勢和短(duan)板都非常明(ming)顯，而制約其(qi)發(fa)(fa)展的(de)(de)最大(da)(da)(da)短(duan)板是成本問(wen)題，而超臨界(jie)二氧化碳技(ji)術的(de)(de)發(fa)(fa)展無疑(yi)可大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提升光熱電站的(de)(de)效率，進而大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)降低其(qi)成本。   

研發和商業化應用速度正逐步加快

事實上(shang)，超(chao)臨界二氧(yang)化(hua)碳布(bu)雷頓循環的(de)(de)相關(guan)研究，國際上(shang)早(zao)在20世紀(ji)六七十年代就開始了。由于其功(gong)率密度高，對輪盤和(he)葉(xie)片(pian)的(de)(de)性能要求很高，當時的(de)(de)加(jia)工(gong)工(gong)藝難以滿足。直到90年代以后(hou)，隨著(zhu)高精度數控機床的(de)(de)應用，相關(guan)制造工(gong)藝得以突破，相關(guan)的(de)(de)研制工(gong)作才開始進行。

本(ben)世紀以來，在能(neng)源、環保問題(ti)加劇的情況下，超臨界二(er)(er)氧化碳布雷頓循(xun)(xun)環技術更是引(yin)起各國(guo)的關注。美國(guo)在這方面尤其積(ji)極，美國(guo)能(neng)源部（DOE）于2011年(nian)開(kai)始實施太陽能(neng)應(ying)用領域的“Sunshot”攻關計(ji)劃，該項(xiang)目(mu)中的超臨界二(er)(er)氧化碳布雷頓循(xun)(xun)環系(xi)統研發(fa)項(xiang)目(mu)的主體項(xiang)目(mu)為10MW超臨界二(er)(er)氧化碳發(fa)電機組(zu)項(xiang)目(mu)研發(fa)和測試，由美國(guo)桑迪亞（Sandia）國(guo)家實驗室(shi)-核能(neng)系(xi)統實驗室(shi)（NESL）承擔相關的實驗研究(jiu)。

在技術(shu)成(cheng)熟度(du)和(he)(he)應(ying)(ying)(ying)用(yong)領域(yu)推進規劃方面，美國(guo)能源部（DOE）已開展實(shi)施(shi)10MW示范項目時即討論了市場應(ying)(ying)(ying)用(yong)和(he)(he)推進時間(jian)表。該計劃主(zhu)要(yao)分(fen)為以下(xia)進程：2015~2020年(nian)，實(shi)現在工業余熱利用(yong)領域(yu)的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)，效率(lv)(lv)超(chao)過(guo)ORC循環(huan)機組的(de)方式(shi)(shi)；2020~2025年(nian)，實(shi)施(shi)光(guang)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)領域(yu)的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)，在10~100MW功率(lv)(lv)等級內(nei)效率(lv)(lv)超(chao)過(guo)蒸汽輪(lun)機；2025年(nian)以后研發(fa)(fa)(fa)實(shi)施(shi)化石燃料(liao)SCO2電(dian)(dian)廠、第四代核電(dian)(dian)和(he)(he)直燃式(shi)(shi)SCO2發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)裝(zhuang)置。

而本文(wen)此前發布的(de)新聞《美國西南(nan)研(yan)究院聯合GE研(yan)發的(de)超(chao)臨界(jie)二氧化碳渦輪機順利(li)通過測試》則(ze)意味著DOE的(de)上(shang)述計(ji)劃已取得重大進展。

圖：超(chao)臨界(jie)二氧化碳渦輪機

中國關注與參與度不斷提升

除(chu)了領跑者美國(guo)(guo)以外，其(qi)他(ta)各國(guo)(guo)也在(zai)(zai)此領域加快研發(fa)步伐(fa)，尤其(qi)是(shi)中(zhong)國(guo)(guo)也開始愈發(fa)重視(shi)該技術的(de)發(fa)展，相關企(qi)業(ye)也在(zai)(zai)積極參與(yu)并已取得一定進展。

國內從2012年(nian)左(zuo)右開(kai)始針對此領(ling)域(yu)進行研(yan)究(jiu)，中國核動力研(yan)究(jiu)設計院、西(xi)安熱工(gong)院、中船(chuan)重工(gong) 711 研(yan)究(jiu)所(suo)等(deng)企業機構(gou)聯合相(xiang)關高校和研(yan)究(jiu)所(suo)開(kai)始在系(xi)統理論、零部(bu)件加工(gong)等(deng)方(fang)面進行探(tan)索。

本(ben)網針對近年來國內相關單位(wei)在該領域的動態進行了如(ru)下匯總：

2015年9月，上市(shi)(shi)公司金通靈(ling)公告(gao)根據市(shi)(shi)場需(xu)求分析(xi)結(jie)合自(zi)身資源能(neng)(neng)力，自(zi)主開發(fa)S-CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)環發(fa)電系(xi)統(tong)與技(ji)術(shu)。委托中科(ke)熱物理所提供S-CO2技(ji)術(shu)咨詢服務，期限為36月。該公司計劃(hua)從關鍵技(ji)術(shu)研發(fa)到小規模系(xi)統(tong)示范，再(zai)到與太陽能(neng)(neng)聚光和(he)儲熱系(xi)統(tong)聯調(diao)中試，為S-CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)環發(fa)電系(xi)統(tong)的產(chan)業化(hua)奠定基礎，從而占領市(shi)(shi)場制高(gao)點，引領太陽能(neng)(neng)熱發(fa)電和(he)高(gao)溫核能(neng)(neng)的技(ji)術(shu)創新。

2017年3月(yue)，哈電集團哈爾濱鍋爐廠(chang)有限責任公司與西安熱工研究院簽訂了5兆(zhao)瓦超臨界二(er)氧化碳(tan)(tan)循環發(fa)(fa)電試驗平(ping)臺項目鍋爐設(she)備(bei)合同，參與建設(she)二(er)氧化碳(tan)(tan)循環發(fa)(fa)電試驗臺。

2018年2月(yue)，由中(zhong)國(guo)科學院工程(cheng)熱物理研究(jiu)(jiu)所研制的國(guo)內首臺MW級(ji)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧化(hua)碳壓縮機(ji)，在(zai)中(zhong)國(guo)航發(fa)沈陽黎明航空發(fa)動機(ji)有限責任(ren)公(gong)司(si)燃氣(qi)輪機(ji)分公(gong)司(si)完(wan)成加工裝配，成功(gong)交付工程(cheng)熱物理研究(jiu)(jiu)所衡水基地。壓縮機(ji)是(shi)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧化(hua)碳布雷頓循環(huan)系統(tong)的核心部(bu)件之一，它的研制成功(gong)，是(shi)我國(guo)在(zai)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧化(hua)碳布雷頓循環(huan)系統(tong)研究(jiu)(jiu)領域(yu)的一次重大突破。

圖(tu)：國內首臺(tai)兆(zhao)瓦(wa)級(ji)的超臨(lin)界二氧化碳壓縮(suo)機（圖(tu)片(pian)來自(zi)中國科學院(yuan)工(gong)程(cheng)熱(re)物理研(yan)究(jiu)所網站）

2018年5月，超(chao)臨界CO2太陽能(neng)熱發電技術入選了中國電機工(gong)程(cheng)學(xue)會(hui)學(xue)術工(gong)作委員(yuan)會(hui)主任委員(yuan)周孝信院士、中國電機工(gong)程(cheng)學(xue)會(hui)副秘書長陳小良發布的《能(neng)源(yuan)動(dong)力領域(yu)十項重(zhong)大工(gong)程(cheng)技術難題(ti)》。

2018年6月15日，首(shou)航節能與法國電(dian)(dian)力在(zai)北京(jing)舉行S-CO2循環光熱發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)研發(fa)項(xiang)目啟動儀(yi)式(shi)。雙方將憑借各自在(zai)光熱領域的技術(shu)積累，共同(tong)開發(fa)高效(xiao)率(lv)的光熱發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)，旨在(zai)降低光熱發(fa)電(dian)(dian)成(cheng)本。同(tong)時，這(zhe)項(xiang)技術(shu)將用于改造首(shou)航節能敦煌10MW塔式(shi)，這(zhe)將成(cheng)為中國乃至全球范(fan)圍(wei)內首(shou)個超臨界(jie)二氧化(hua)碳光熱發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)的實(shi)際(ji)案例。

　　圖：正在利用超(chao)臨界(jie)二氧化(hua)碳技術改造的首航節能敦(dun)煌(huang)10MW熔(rong)鹽塔式光熱電站(zhan)

2018年8月，科技部發(fa)布了《科技部關(guan)于發(fa)布國家(jia)重(zhong)(zhong)點研發(fa)計劃(hua)“智能(neng)(neng)(neng)機器人”等重(zhong)(zhong)點專(zhuan)項2018年度項目申報指南的(de)(de)通知》，其(qi)中“超(chao)臨界(jie)CO2太陽能(neng)(neng)(neng)熱發(fa)電關(guan)鍵基礎問題(ti)研究（基礎研究類）”被(bei)列入“可再(zai)生能(neng)(neng)(neng)源與氫能(neng)(neng)(neng)技術”，是“太陽能(neng)(neng)(neng)”創新鏈(lian)（技術方(fang)向(xiang)）的(de)(de)重(zhong)(zhong)點研究任務。

2018年9月21日，我國(guo)首座(zuo)大型超(chao)臨界(jie)二(er)氧化(hua)碳壓縮(suo)機實(shi)驗(yan)(yan)平臺(tai)在衡水(shui)基地正式建(jian)成。實(shi)驗(yan)(yan)平臺(tai)是用于(yu)測試(shi)超(chao)臨界(jie)二(er)氧化(hua)碳壓縮(suo)機工(gong)作性(xing)能和開展超(chao)臨界(jie)二(er)氧化(hua)碳流(liu)體壓縮(suo)特性(xing)相(xiang)關基礎實(shi)驗(yan)(yan)的通用平臺(tai)，還可以用于(yu)開展高速轉子測試(shi)、軸承測試(shi)和密(mi)封測試(shi)等實(shi)驗(yan)(yan)。

圖(tu)：超臨界二氧化碳(tan)壓縮機(ji)實驗平臺（測試系統(tong)）（圖(tu)片(pian)來自中國科學院工程熱物理研究(jiu)所網站）

2018年11月(yue)，我國首(shou)座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜(zong)合(he)試驗測試平臺”在中(zhong)(zhong)國科學院(yuan)工程熱物理研究所廊坊中(zhong)(zhong)試基地建成。

2019年4月(yue)，中科衡(heng)(heng)發(fa)公(gong)司(si)與廣(guang)州同益公(gong)司(si)和(he)(he)華(hua)電同德(de)公(gong)司(si)在中科衡(heng)(heng)水(shui)創新動力研發(fa)基(ji)地，舉行超臨界二(er)氧(yang)化碳(tan)發(fa)電裝備產業化簽約(yue)儀式，此次合作(zuo)將推進超臨界二(er)氧(yang)化碳(tan)換熱器和(he)(he)壓縮機等產品的生產與銷(xiao)售。

需要攻克哪些技術難點？

超臨界二氧化碳機組目前已(yi)接近商(shang)業化，按(an)照NREL的工作思路，先從簡單的超臨界CO2布(bu)雷頓循環入手，一步(bu)步(bu)挖掘潛力，提(ti)高(gao)系(xi)統性能，增加采用能夠大幅提(ti)高(gao)效率的技術措施，具體(ti)如下(xia)：

1）增加透平進(jin)口溫度(du)：從500攝(she)氏度(du)提高到700攝(she)氏度(du)或更高。

2）壓縮(suo)過程(cheng)由兩步完成(cheng)。即(ji)有主壓縮(suo)機(ji)，還有“再壓”壓縮(suo)機(ji)。

3）使用壓縮機(ji)中(zhong)間冷(leng)卻。

4）透平也分兩級，并對排出(chu)的工質再熱。

5）壓縮機和透平為分(fen)軸式，使其(qi)各在優化(hua)的(de)轉速(su)運行。

6）增加(jia)底循環，如朗肯循環或(huo)串聯(lian)的超臨界CO2循環。   

但在具體工(gong)程實施過程中，需要解決(jue)的技術難點(dian)如下(xia)：

1）高(gao)溫(wen)高(gao)壓的超(chao)臨界二氧化碳對金屬(shu)材料的腐蝕特性；

2）回熱(re)器、吸(xi)熱(re)器等裝置中的流動傳(chuan)熱(re)特性(xing)；

3）高速(su)輕型轉(zhuan)子的(de)制造及(ji)平衡、高壓密(mi)封、高速(su)軸承系(xi)統。

綜上，超臨界二氧化碳發電(dian)技術及裝置已經逐(zhu)步(bu)從實(shi)驗階(jie)(jie)段發展到(dao)商業(ye)(ye)化的臨界點。眾多商業(ye)(ye)機構(gou)如發電(dian)公司、零部件供應商、設(she)計(ji)研(yan)發企業(ye)(ye)開始(shi)形(xing)成(cheng)產(chan)業(ye)(ye)聯合(he)體。世界范圍(wei)內已經有多臺1-10MW級別(bie)的機組(zu)處于商業(ye)(ye)示范運營階(jie)(jie)段。更高功率(lv)和參數等(deng)級的機組(zu)正在設(she)計(ji)研(yan)發階(jie)(jie)段，各研(yan)究及商業(ye)(ye)機構(gou)均(jun)試圖搶占最前沿的技術領域和未來產(chan)品(pin)市場。

同時，雖然超(chao)臨界二氧化(hua)(hua)碳光熱發(fa)(fa)電(dian)技術(shu)研(yan)究尚處于起步(bu)階段(duan)，在中國甚(shen)至(zhi)全(quan)球范圍內對該(gai)項(xiang)技術(shu)的(de)研(yan)究也屬于新課題。但是，其優良的(de)特性和對發(fa)(fa)電(dian)技術(shu)可能帶(dai)來的(de)顛覆(fu)已經得到了大眾(zhong)越來越廣泛的(de)認知，其技術(shu)研(yan)發(fa)(fa)和商業化(hua)(hua)應用進程的(de)速度(du)也正在逐步(bu)加快。

按照美國能源(yuan)部此前制(zhi)定的計劃，希(xi)望通(tong)過(guo)該技(ji)術的研發(fa)，到2020年將太陽熱發(fa)電(dian)(dian)電(dian)(dian)價降(jiang)到6美分/kWh；熱機采用干(gan)冷(leng)不用水，循環效(xiao)率大于(yu)50%。在2020年實現降(jiang)低75%成本的目(mu)標(biao)，使太陽能發(fa)電(dian)(dian)于(yu)2030年占全美電(dian)(dian)力(li)的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。