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            超臨界二氧化碳光熱發電技術跨入商業化應用臨界點

            超臨界二氧化碳光熱發電技術跨入商業化應用臨界點

            2019-06-02 13:21

              CSPPLAZA光熱發電網報道:近日,本網發布的一則《美國西南研究院聯合GE研發的超臨界二氧化碳渦輪機順利通過測試》的新聞在光熱發電行業朋友圈廣泛傳播。

              超臨界二氧化碳渦輪機可用于超臨界二氧化碳循環光熱發電系統,該渦輪機的成功研發對超臨界CO2光熱發電技術的商業化具有重要意義。

              當前,包括美國、中國、法國、日本等多個國家的科研機構和相關企業都在進行超臨界二氧化碳發電技術的研究和產業化布局。

              為何要發展超臨界二氧化碳發電技術?

              超臨界二氧化碳(S-CO2)發電技術采用S-CO2布雷頓循環,是一種用超臨界狀態的二氧化碳作為工質的渦輪發動機熱循環技術。

              目前承擔基礎負荷的發電形式主要是火力發電(鍋爐+汽輪機),該能量轉換系統采用的工質是水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源(燃煤),水在封閉管路中經升壓后到鍋爐中去吸熱,然后再進入汽輪機膨脹做功,推動汽輪機旋轉進而驅動發電機向電網供電。水的臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa(220.5 bar)。目前最先進的超超臨界火電機組運行參數情況為:溫度高于593℃,水蒸汽壓力高于31MPa。

              而超臨界二氧化碳電力循環系統,其主要的核心部件包括壓縮機、透平、回熱器、冷卻裝置、吸熱裝置等。工質CO2的臨界溫度為 31℃(304K),臨界壓力為 7.38MPa(73.8bar)。該系統可以實現較高的熱電轉換效率并超越傳統的蒸汽輪機。同時,處于超臨界狀態下的CO2具有高的流動密度、傳熱性、粘度低,可以大大減小系統中渦輪機械和換熱器的結構尺寸,降低運行維護成本。

              此外,二氧化碳的臨界條件容易達到,化學性質不活潑,無色無味無毒,安全,價格便宜,純度高,易獲得。這些特性,使得它很適合用作熱力循環工質。

              超臨界二氧化碳+光熱發電會產生什么效應?

              目前常見的光熱電站多用導熱油、熔鹽或直接用水蒸汽做傳熱流體,通過上述傳熱介質將光場收集到的熱量傳給機組,但流體的性質限制了機組性能。如導熱油溫度上限為400攝氏度左右,硝酸鹽則為590攝氏度左右。

              而較高的運行溫度意味著較高的循環熱效率和能更有效的儲熱。超臨界二氧化碳布雷頓循環僅需外界提供500到800℃的溫度,這是應用目前光熱發電技術很容易達到的溫度。

              NREL主持超臨界二氧化碳布雷頓循環10MW級示范項目的高級工程師和主要負責人Craig Turchi曾表示,經過一系列研究,我們認為超臨界二氧化碳作為工質的光熱發電系統在高達600到700攝氏度的溫度范圍內運行都可以有良好表現。

              超臨界二氧化碳發電可以在500攝氏度以上,20兆帕的大氣壓下實現高效率的熱能利用,可以輕松達到45%以上,這將有效提高電力產能。美國能源部之所以支持此項研發,也是看到了此項技術在提高發電效率和降低成本方面的巨大潛力。

              此外,超臨界CO2透平如果用于地面發電廠,除了體積小、重量輕之外,還可以不用水,適合荒漠缺水地區的應用,是太陽能光熱發電的理想選擇,使用CO2做工質時,不存在工質凍結的問題,管路上不用電伴熱,施工簡單,并可顯著降低成本。其應用于太陽能光熱發電系統可實現效率的顯著提升。系統僅需要較低的熱量即可啟動發電機、其應對負荷變化調整迅速、支持快速啟停,這些優點是普通發電系統無法比擬的。

              SolarReserve首席技術官Bill Gould曾表示,此種技術對光熱發電站啟動過慢的缺陷是一種有益的改善。

              作為一種在全球范圍內尚處于發展階段的發電形式,目前光熱發電的優勢和短板都非常明顯,而制約其發展的最大短板是成本問題,而超臨界二氧化碳技術的發展無疑可大大提升光熱電站的效率,進而大大降低其成本。

              研發和商業化應用速度正逐步加快

              事實上,超臨界二氧化碳布雷頓循環的相關研究,國際上早在20世紀六七十年代就開始了。由于其功率密度高,對輪盤和葉片的性能要求很高,當時的加工工藝難以滿足。直到90年代以后,隨著高精度數控機床的應用,相關制造工藝得以突破,相關的研制工作才開始進行。

              本世紀以來,在能源、環保問題加劇的情況下,超臨界二氧化碳布雷頓循環技術更是引起各國的關注。美國在這方面尤其積極,美國能源部(DOE)于2011年開始實施太陽能應用領域的“Sunshot”攻關計劃,該項目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統研發項目的主體項目為10MW超臨界二氧化碳發電機組項目研發和測試,由美國桑迪亞(Sandia)國家實驗室-核能系統實驗室(NESL)承擔相關的實驗研究。

              在技術成熟度和應用領域推進規劃方面,美國能源部(DOE)已開展實施10MW示范項目時即討論了市場應用和推進時間表。該計劃主要分為以下進程:2015~2020年,實現在工業余熱利用領域的應用,效率超過ORC循環機組的方式;2020~2025年,實施光熱發電領域的應用,在10~100MW功率等級內效率超過蒸汽輪機;2025年以后研發實施化石燃料SCO2電廠、第四代核電和直燃式SCO2發電裝置。

              而本文此前發布的新聞《美國西南研究院聯合GE研發的超臨界二氧化碳渦輪機順利通過測試》則意味著DOE的上述計劃已取得重大進展。

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