淺談超臨界二氧化碳發電系統

劉廣林 孫淑紅 王麗

摘 要：電能是保證社會正常運轉和驅動社會前進的高品質能源，我國電能供應以火電為主，但社會環境等問題的日益嚴重，迫切需要具有低污染、高效率等特征的新型發電系統。二氧化碳為工質的發電系統，是一種新型高效低污染排放的發電系統，適用于太陽能、核能等高溫熱源發電且建立實驗及示范平臺。而近年超高參數燃煤火力二氧化碳發電系統被廣泛關注，由于二氧化碳在高溫區相對穩定的物理化學性質，被認為是可替代水機組發電的新型高效發電系統。

關鍵詞：發電系統 二氧化碳 超高參數

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0045-02

電能的廣泛應用引起社會深刻變革，是當今社會發展的直接驅動力。當前我國電力供應以燃煤火力發電為主，技術成熟的水電為輔。太陽能發電、核能發電、風能發電及地熱、朝夕能等處于快速發展階段。在2017年底，我國發電裝機容量達到17.8億kW，其中火電份額占到61.8%。目前我國不僅具備超高參數發電裝備制造技術，而且發電機組的效率、污染排放等方面達到了世界先進水平。

但是隨著人民生活水平提高和各類高科技產品的出現，對電能需求日益增加，也出現了較嚴重的電網波峰波谷的問題。當前的超超臨界燃煤水機組的主蒸汽溫度為600℃，發電效率在45%左右。近年來，研究人員提出700℃先進超超臨界發電技術，預計發電效率達到50%[1]。但是由于火電機組相對龐大，滿足調峰需求反應較慢，而太陽能、風電等可再生能源發電方式本身收到外界因素影響較大，并網后對電網沖擊較大。因此，需要提出新一代發電系統，以滿足電網波峰波谷的需求。

1 新型發電系統

1.1 系統特點

超臨界二氧化碳（Supercritical-CO2， S-CO2）為工質的發電循環系統，是近年來國內外學者研究的熱點，系統主要設備部件包括壓縮機、透平、冷卻器、加熱器等。CO2的臨界溫度為31℃，臨界壓力為7.38MPa，而水的臨界溫度為374℃，臨界壓22.1MPa，該新型發電系統可以實現較高的發電效率并有望超越傳統的火電機組[2]。

與常規火力發電機組相比，最大的特點是以CO2替代水工質，由于兩種工質在物理化學性質差異，如流動密度、傳熱性、粘度低等，導致S-CO2發電系統在燃燒、爐內換熱、膨脹機及污染物生成等方面產生本質的差異，如整個發電系統的尺寸可以大大減少，進而提高了機組的靈活性，降低初投資等。

CO2為工質的發電機組早在20世紀六七十年代提出，主要對CO2物理化學性質、S-CO2系統優化、系統參數敏感性等內容開展研究，應用方向以反應堆、艦船為主，但是由于技術的限制，未能在主要設備方面開展實驗研究和研制。如1967年Feher提出S-CO2循環，設計了150kWe的S-CO2循環以研究用于小型核反應堆的可行性，發現該系統具有效率高和機械結構緊湊等優點。

1.2 系統研究進展

近年來在社會需求和科學技術快速發展的背景下，主要針對核能和太陽能為熱源，對S-CO2發電系統進行理論和實驗研究。美國、日本、韓國、法國和中國等科學家開展了相關研究，其中以美國研究較多。研究主要集中在核能和太陽能驅動的S-CO2熱力學能量分析和循環優化、流動傳熱特性規律等。其中，CO2透平是S-CO2系統關鍵技術，也是難點。美國已研究并進行小容量透平性能實驗，但對尺寸引起的“尺度效應”導致的熱功轉換、流道設計及密封等方面研究遠遠的機理尚處于起步階段[3-4]。

美國的多個國家實驗室及高技術企業都參與了相關研究，如美國Sandia國家實驗室于2005—2011年搭建了1MWth的S-CO2實驗平臺。主要對S-CO2系統特性進行實驗研究，以及透平、換熱器等主要設備的性能測試。2011年在Sandia國家實驗室的核能系統實驗室開始進行10MW的S-CO2發電系統研發和測試，為該系統商業化運行進行示范和驗證測試，Echogen Power Systems公司受邀參與該項目的研究。2016年，在美國能源部（DOE）資助下，進行10MW的S-CO2發電系統中試項目研究和測試，參與的企業包括氣體技術研究所、西南研究所和GE公司。目前，NET Power已成功完成5MWth的天然氣燃燒系統測試。

S-CO2燃煤火力發電方面的研究成果相對較少。系統主要優勢體現在：（1）該系統在體積方面更小，體積可縮小到1/10左右，提高了系統靈活性。（2）由于CO2穩定的物理化學性質，對材料腐蝕方面要求更低。2013年，法國電力公司及美國普惠洛克達公司對S-CO2燃煤火力發電提出了概念論證，認為該系統是解決煤炭高效清潔發電的新途徑。2016年，法國EDF公司提出S-CO2系統用于燃煤火力發電系統并耦合二氧化碳捕集的概念發電廠。

國內研究所和企業等的研究處于起步階段，中國核動力研究院、西安熱工研究院等企業進行S-CO2應用于船舶、核反應堆的研究，中國核動力院針對核能領域應用計劃建設1MWe示范試驗平臺，西安熱工研究院搭建了5MW燃氣的研究平臺，中科院設計了兆瓦級SCO2壓縮機實驗臺。清華大學、西安交通大學、華北電力大學等高校近年來在S-CO2應用于核能及太陽能發電應用領域開展相關研究。

華北電力大學依托科技部重點專項支持，聯合國內10余家高校科研院所和企業，在超高壓燃煤S-CO2發電系統方面進行研究，研究內容包括：（1）系統層面：1000MW級系統概念設計，熱力學優化及全生命周期的評價等；（2）部件層面：主要對膨脹機、換熱器、燃燒室等新機理、理論的研究和樣機測試等。具有眾多的科學問題需要解決，為我國煤炭能源發電高效利用提供理論基礎和技術支持。

2 結語

總之，針對核能和太陽能的S-CO2發電系統的研究目前處于實驗室測試階段，而燃煤發電系統處于理論研究階段。隨著基礎研究和關鍵技術的發展，預計在5～10年內S-CO2將從實驗室走向中等規模工程示范甚至規模化應用，發展前景看好。

參考文獻

[1] Pardeep Garg， Pramod Kumar， Kandadai Srinivasan. A trade-off between maxima in efficiency and specific work output of super- and trans-critical CO2 Brayton cycles[J].Journal of Supercritical Fluids，2015（98）：119-126.

[2] 黃彥平，王俊峰.超臨界二氧化碳在核反應堆系統中的應用[J].核動力工程，2012，33（3）：21-27.

[3] 趙新寶，魯金濤，袁勇.超臨界二氧化碳布雷頓循環在發電機組中的應用和關鍵熱端部件選材分析[J].中國電機工程學報，2016（36）：154-162.

[4] 吳毅，王佳瑩，王明坤.基于超臨界CO2布雷頓循環的塔式太陽能集熱發電系統[J].西安交通大學學報，2016（50）：109-113.