超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)鄧清華;胡樂豪;李軍;豐鎮(zhèn)平【摘要】綜述了超臨界二氧化碳(SCO2)動(dòng)力循環(huán)方案，以爭論機(jī)構(gòu)與項(xiàng)目為主線,總結(jié)了國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)、動(dòng)力部件的爭論進(jìn)展,以及電廠示范項(xiàng)目的相關(guān)研究狀況與存在的問題，分析比較了SCO2動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)與當(dāng)前傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢及需要重點(diǎn)解決的問題,以此為大型發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展供應(yīng)參考.期刊名稱】《熱力透平》年(卷),期】2022(048)003【總頁數(shù)】7頁(P159-165)【關(guān)鍵詞】燃煤火力發(fā)電;超臨界二氧化碳;布雷頓循環(huán);朗肯循環(huán)【作者】鄧清華;胡樂豪;李軍;豐鎮(zhèn)平【作者單位】西安交通高校能源與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械爭論所,西安710049;陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程試驗(yàn)室,西安710049;西安交通高校能源與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械爭論所,西安710049;陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程試驗(yàn)室,西安710049;西安交通高校能源與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械爭論所,西安710049;陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程試驗(yàn)室,西安710049;西安交通高校能源與動(dòng)力工程學(xué)院葉輪機(jī)械爭論所,西安710049;陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程試驗(yàn)室,西安710049【正文語種】中文【中圖分類】TK14從20世紀(jì)40年月第一臺燃煤機(jī)組投入運(yùn)行起，大型發(fā)電技術(shù)始終朝著高參數(shù)、大功率方向進(jìn)展，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低單位功率的建設(shè)與運(yùn)行成本。然而，高參數(shù)和大功率也使得發(fā)電機(jī)組體積浩大，循環(huán)系統(tǒng)簡潔，這對材料強(qiáng)度、設(shè)施制造、運(yùn)行把握等均提出了更高的要求。20世紀(jì)60年月，Angelino［1］留意到燃煤發(fā)電技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)所面臨的問題，主要分析了提高動(dòng)力循環(huán)效率、縮小機(jī)組尺寸和降低結(jié)構(gòu)簡潔性等關(guān)鍵問題Feher［2］在朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上提出了超臨界循環(huán)。兩位學(xué)者均論證了以CO2為工質(zhì)的熱力循環(huán)可以大幅提高循環(huán)效率，減小部件尺寸。但當(dāng)時(shí)受到換熱器和透平設(shè)計(jì)水平的限制，該循環(huán)方案未能得到進(jìn)一步進(jìn)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以超臨界二氧化碳(SCO2)為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)再次受到關(guān)注。爭論人員提出將SC02動(dòng)力循環(huán)應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)電和新能源發(fā)電領(lǐng)域［3-4］，以提高循環(huán)熱效率，縮小發(fā)電機(jī)組尺寸，降低大型電站的投資成本［5］。本文介紹了當(dāng)前SCO2動(dòng)力循環(huán)的循環(huán)方案，以爭論機(jī)構(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目為主線，綜述了國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)、動(dòng)力部件以及電廠示范項(xiàng)目的相關(guān)爭論狀況與存在的問題，比較了SCO2動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)與當(dāng)前傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，分析了當(dāng)前面臨的問題，以此為大型發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展供應(yīng)參考。1SCO2動(dòng)力循環(huán)的類型SCO2動(dòng)力循環(huán)一般可分為間接加熱和直燃加熱兩種，如圖1所示。當(dāng)前爭論最多、公開發(fā)表文獻(xiàn)最多是SCO2間接加熱循環(huán)方案，其具有循環(huán)系統(tǒng)簡潔、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。直燃加熱方案的爭論相對較少，該方案包括阿拉姆(Allam)循環(huán)以及超臨界水蒸煤循環(huán)，其燃燒產(chǎn)物(H2O、CO2)直接參與循環(huán)，循環(huán)效率能突破60%［6］，但由于需要增加分別器等裝置，循環(huán)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。⑻間接加熱的SCO2動(dòng)力循環(huán)圖1SC02動(dòng)力循環(huán)方案(b)直燃加熱的SC02動(dòng)力循環(huán)間接加熱的SCO2動(dòng)力循環(huán)方案可細(xì)分為簡潔布雷頓動(dòng)力循環(huán)和再壓縮布雷頓循環(huán)兩種，如圖2所示。SCO2簡潔布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)簡潔，設(shè)施體積小，投入成本低。然而，在循環(huán)過程中工質(zhì)比熱容變化比較大，回?zé)崞髦写嬖凇皧A點(diǎn)”問題，這嚴(yán)峻影響回?zé)崞鞯膿Q熱性能，降低循環(huán)效率。為解決回?zé)崞鳌皧A點(diǎn)”問題，Angelino［1］提出了分流再壓縮布雷頓動(dòng)力循環(huán)，同時(shí)該方案削減了冷卻器帶走的熱量，提高了循環(huán)效率。需要指出的是，以上所述的SCO2動(dòng)力循環(huán)方案中，透平進(jìn)口的CO2均為超臨界狀態(tài)，但是各循環(huán)差異很大，有的為布雷頓循環(huán)，有的為朗肯循環(huán)，甚至有的循環(huán)接受CO2和水蒸氣的混合工質(zhì)，非純CO2。⑻SCO2簡潔布雷頓循環(huán)圖2間接加熱SCO2布雷頓循環(huán)(b)SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)2國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)的進(jìn)呈現(xiàn)狀世界范圍內(nèi)，美國、中國、日本、韓國等均開展了SCO2動(dòng)力循環(huán)的相關(guān)爭論［7-8］，該技術(shù)不僅能應(yīng)用于新能源、核能發(fā)電，也能應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電等領(lǐng)域。本節(jié)以爭論機(jī)構(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目為主線，綜述了SCO2動(dòng)力循環(huán)及部件方面的爭論進(jìn)展。2.1美國能源部的SCO2項(xiàng)目桑迪亞我們國家試驗(yàn)室(SNL)自2007年起，SNL聯(lián)合美國能源部(DOE)在SCO2壓縮系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)領(lǐng)域開展了細(xì)致深化的爭論。2022年，SNL搭建了SCO2壓縮系統(tǒng)試驗(yàn)臺，其中壓縮機(jī)由50kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為75000r/min，壓比為1.5，工質(zhì)流量為3.5kg/s。該試驗(yàn)臺主要用于爭論CO2臨界點(diǎn)四周的壓縮機(jī)運(yùn)行特性［9］。2022年，SNL搭建了熱源功率為780kW、循環(huán)最高溫度為811K轉(zhuǎn)速為75000r/min的SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺主要用于對SCO2的再壓縮循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行原理性驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該循環(huán)可以解決回?zé)崞髦小皧A點(diǎn)”問題，提高循環(huán)效率；動(dòng)力部件接受箔片軸承時(shí)轉(zhuǎn)速需要高于20000r/min，且需要嚴(yán)格把握軸承處的溫度；試驗(yàn)中循環(huán)最高溫度僅達(dá)到672K［10］，轉(zhuǎn)速為59000r/min。此外，發(fā)電機(jī)的相關(guān)損失、壓縮機(jī)和透平產(chǎn)生的泄漏流以及轉(zhuǎn)子腔室內(nèi)的摩擦鼓風(fēng)損失是導(dǎo)致循環(huán)效率低的主要緣由。需要說明的是，動(dòng)力裝置接受透平-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)同軸布置方案［11］，可有效抵消兩葉輪上的軸向推力，同時(shí)在發(fā)電機(jī)功率和軸向推力不超限的狀況下，拆除透平或壓縮機(jī)中的一個(gè)，可以單獨(dú)開展另一個(gè)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)。近年來，SNL在原有試驗(yàn)臺架的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了軸承以及循環(huán)工質(zhì)參數(shù)把握方面的爭論，其試驗(yàn)臺輸出功率為20kW，轉(zhuǎn)速為52000r/min，壓比為1.65，工質(zhì)流量為2.7kg/s。結(jié)果表明，在啟動(dòng)階段，CO2在主壓縮機(jī)和再壓壓縮機(jī)進(jìn)口處的密度不同，需要將2臺壓縮機(jī)維持相同轉(zhuǎn)速，以防止其中之一發(fā)生喘振。同時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)狀態(tài)對循環(huán)效率的影響較大，需要將壓縮機(jī)進(jìn)口的CO2控制在臨界點(diǎn)四周［12］，這給系統(tǒng)的參數(shù)把握帶來了確定的挑戰(zhàn)。太陽能光熱發(fā)電SunShot項(xiàng)目2022年，DOE的SunShot方案向美國西南爭論院(SwRI)資助490萬美元，用于其制造和測試適用于光熱發(fā)電項(xiàng)目的一種高效、緊湊的SCO2透平和印刷電路板換熱器，以大幅降低太陽能光熱發(fā)電的設(shè)施成本。該項(xiàng)目已于2022年結(jié)題［13］，為后續(xù)太陽能光熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)施的研發(fā)積累了閱歷。2022年，SwRI聯(lián)合通用電氣(GE)公司完成了10MW等級用于太陽能光熱發(fā)電的SCO2透平設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)覺，透平氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制造，以及轉(zhuǎn)子的高周疲乏壽命均是需要重點(diǎn)考慮的問題，同時(shí)太陽光照的不穩(wěn)定性要求透平能夠快速適應(yīng)發(fā)電過程中的負(fù)荷變化［14］。SwRI和GE公司設(shè)計(jì)制造的透平和換熱器解決了SCO2動(dòng)力循環(huán)的兩個(gè)關(guān)鍵問題，熱電效率可以提高到50%以上，電站建筑成本將低于1200美元/kW，運(yùn)行成本為0.06美元/(kW?h)。該爭論項(xiàng)目為SCO2動(dòng)力循環(huán)在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。超臨界轉(zhuǎn)化電力(STEP)項(xiàng)目SNL等機(jī)構(gòu)開展的SCO2壓縮系統(tǒng)、總體循環(huán)系統(tǒng)等方面的原理性驗(yàn)證明驗(yàn)，證明白其發(fā)電原理不存在問題。2022年，DOE提出超臨界轉(zhuǎn)化電力(SupercriticalTransformationElectricPower，STEP)項(xiàng)目，其主要目標(biāo)之一是設(shè)計(jì)建設(shè)發(fā)電功率10MW等級的SCO2太陽能光熱電廠，項(xiàng)目總投資約為8000萬美元，旨在降低SCO2動(dòng)力循環(huán)在商業(yè)應(yīng)用方面存在的風(fēng)險(xiǎn)，并解決技術(shù)難點(diǎn)，為SCO2動(dòng)力循環(huán)進(jìn)一步大型化進(jìn)展奠定基礎(chǔ)。其循環(huán)系統(tǒng)的透平進(jìn)口溫度為700°C,循環(huán)效率超過了50%。項(xiàng)目主要由美國燃?xì)饧夹g(shù)爭論院(GTI)牽頭，GE公司負(fù)責(zé)透平機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造,SwRI負(fù)責(zé)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行和評估。2022年10月該項(xiàng)目在美國得克薩斯州開工建設(shè)，方案于2022年完工。項(xiàng)目的建成將對SCO2動(dòng)力循環(huán)的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。SwRI借助于該示范電廠，將進(jìn)一步優(yōu)化SCO2動(dòng)力循環(huán)參數(shù)、驗(yàn)證動(dòng)力部件運(yùn)行性能和穩(wěn)定性，同時(shí)為SCO2動(dòng)力循環(huán)商業(yè)化運(yùn)行供應(yīng)培訓(xùn)，積累運(yùn)營閱歷，為后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)提供平臺基礎(chǔ)。2.1.4燃煤電站項(xiàng)目為進(jìn)一步推動(dòng)SCO2動(dòng)力循環(huán)在燃煤電站領(lǐng)域的應(yīng)用，在DOE的資金支持下，GE公司在SwRI關(guān)于10MW透平爭論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于燃煤電站450MW再熱-再壓縮SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)以及相應(yīng)的透平部件［15-16］，循環(huán)系統(tǒng)的熱效率可達(dá)51.9%。高壓和低壓透平設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為3600r/min。其中高壓透平進(jìn)口總溫為700C,進(jìn)口總壓為25.06MPa,接受4級結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)等熵效率為90.6%；低壓透平進(jìn)口總溫為680C,進(jìn)口總壓為12.96MPa，出口壓力為6.71MPa，接受3級結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)等熵效率為91.6%。高壓透平第1級葉片高度僅有71.12mm，高壓透平第3級葉片高度僅為137.16mm，遠(yuǎn)小于相同功率條件下的蒸汽透平尺寸。GE公司在450MW透平設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決了材料選擇、應(yīng)力計(jì)算和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析等問題，為更高功率等級的SCO2透平設(shè)計(jì)供應(yīng)了參考。然而，受限于當(dāng)前干氣密封的加工技術(shù)，GE公司在450MW透平設(shè)計(jì)中接受的是迷宮密封，其泄漏量(0.45%)遠(yuǎn)大于干氣密封泄漏量(0.02%)，因此透平中存在的泄漏損失將使得整個(gè)循環(huán)效率降低0.6%~0.8%。此外，2022年DOE公布了CoalFIRST方案，項(xiàng)目投資1億美元，目標(biāo)是開發(fā)“靈敏、創(chuàng)新、彈性、小型、變革”的適用于將來能源系統(tǒng)的先進(jìn)燃煤電廠，方案接受SCO2發(fā)電技術(shù)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)及制造方法的進(jìn)步，進(jìn)展新型先進(jìn)燃煤發(fā)電的示范系統(tǒng)。2.2中國的SCO2項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)方案2022年，西安交通高校牽頭擔(dān)當(dāng)了我們國家重點(diǎn)研發(fā)方案“煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/CO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)爭論”項(xiàng)目(2022YFB0600100),主要以煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化接受為目標(biāo)，創(chuàng)建新型煤炭潔凈高效制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)的科學(xué)理論與技術(shù)支持，創(chuàng)立從煤炭超臨界水氣化制氫反應(yīng)器，高濕/高CO2氣氛下氫氣燃燒器，到超臨界H2O/CO2混合工質(zhì)透平發(fā)電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，并提出了相關(guān)方法，完善了關(guān)鍵技術(shù)，完成新型系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，并使系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到50%以上［17-18］。圖3是超臨界水煤氣化制氫發(fā)電工藝流程圖，煤與超臨界水發(fā)生反應(yīng)，生成H2和CO2,H2在燃燒器中燃燒后生成H2O,與CO2組成超臨界混合工質(zhì)，進(jìn)入透平做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。這種工藝流程完全避開了NOx、SOx的排放，實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化接受，裝置大型化后，一次性投資和運(yùn)行成本將會(huì)進(jìn)一步降低。該發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于接受超臨界水煤氣化制氫，避開了傳統(tǒng)接受煤炭直接燃燒的方式，具有高效、清潔的技術(shù)優(yōu)勢。圖3超臨界水煤氣化制氫發(fā)電工藝流程圖［17］2022年，華北電力高校牽頭擔(dān)當(dāng)了我們國家重點(diǎn)研發(fā)方案“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)爭論”項(xiàng)目(2022YFB0601800),該項(xiàng)目旨在解決超高參數(shù)CO2燃煤系統(tǒng)能量梯級接受、熱力學(xué)循環(huán)及熱學(xué)優(yōu)化理論，以及關(guān)鍵部件能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳遞機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問題，突破鍋爐燃燒及污染物把握、換熱器、透平及一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制鍋爐、回?zé)崞骷巴钙皆順訖C(jī)，完成1000MW級系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)［19］。從總體上來說，華北電力高校徐進(jìn)良教授提出的發(fā)電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)技術(shù)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)，將水蒸氣介質(zhì)替換為CO2，接受CO2在超臨界狀態(tài)四周壓縮耗功小的特點(diǎn)，接受多次再熱等措施，提高循環(huán)熱效率，大幅縮小葉輪機(jī)械尺寸。計(jì)算結(jié)果表明，1000MW級SC02燃煤電廠CO2透平在進(jìn)口壓力為35MPa，進(jìn)口溫度為630°C,兩次再熱溫度均為630°C時(shí)，系統(tǒng)發(fā)電效率為51.22%，比當(dāng)前世界上效率最高的超超臨界水蒸氣電廠發(fā)電效率(48.12%)高出三個(gè)百分點(diǎn)，具有特殊大的優(yōu)勢。此外，該SCO2燃煤電廠的透平排氣壓力在7.8MPa左右，而傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)透平排氣壓力在0.005MPa左右，此時(shí)水蒸氣的質(zhì)量體積是CO2的1900倍，因此接受CO2為介質(zhì)，可使發(fā)電系統(tǒng)容積流量大幅降低，大幅縮小葉輪機(jī)械尺寸。圖4給出了1000MWSCO2透平轉(zhuǎn)子的初步方案圖，即使接受雙流結(jié)構(gòu)，總長也不超過5m。圖41000MWSCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布置方案2022年，中國科學(xué)院電工爭論所牽頭擔(dān)當(dāng)了我們國家重點(diǎn)研發(fā)方案“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問題爭論"(2022YFB1501000)，該項(xiàng)目旨在為我們我們國家SCO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)在新能源發(fā)電領(lǐng)域，尤其為太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域開展相關(guān)爭論。美國已于2022年開頭了SunShot方案，現(xiàn)已完成了10MW等級SCO2太陽能光熱電站的系統(tǒng)及部件的工程設(shè)計(jì)與部分測試，并開頭了示范電廠的建設(shè)，而我們我們國家目前還在SCO2太陽能光熱發(fā)電的基礎(chǔ)爭論階段。企業(yè)自主研發(fā)項(xiàng)目2022年，由中國科學(xué)院工程熱物理爭論所研制的我們我們國家首座大型SCO2壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺在河北衡水基地正式建成。試驗(yàn)平臺可用于測試SCO2壓縮機(jī)工作性能，開展SCO2流體壓縮特性爭論，同時(shí)也可以開展高速轉(zhuǎn)子、軸承和密封等相關(guān)部件的性能試驗(yàn)。其設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到20MPa，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40000r/min，最大流量為30kg/s，可進(jìn)行兆瓦級SCO2壓縮機(jī)的相關(guān)測試試驗(yàn)，為我國后續(xù)開展SCO2壓縮系統(tǒng)試驗(yàn)爭論供應(yīng)了強(qiáng)有力的支撐。此外，西安熱工爭論院有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)了輸出功率為5MW的SCO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)平臺［20］，其透平進(jìn)口溫度為600°C,透平進(jìn)口壓力為20MPa,系統(tǒng)流量為80.7kg/s，發(fā)電效率為25.4%，目前各關(guān)鍵部件已經(jīng)完成加工制造，正在進(jìn)行系統(tǒng)管路與關(guān)鍵部件的安裝與調(diào)試。2.3國外企業(yè)自主研發(fā)項(xiàng)目2.3.1EchogenPowerSystems(EPS)公司于2007年成立的美國EPS公司致力于余熱回收領(lǐng)域的研發(fā)工作，并接受CO2作為介質(zhì)。經(jīng)過5kW、15kW和200kW樣機(jī)的設(shè)計(jì)試制與試驗(yàn)，于2022年成功開發(fā)了EPS100機(jī)型，主要包括換熱器、冷凝器、泵和透平4個(gè)部分，是世界上第一臺接受CO2為循環(huán)介質(zhì)的商用發(fā)電機(jī)組，其輸出功率為7.5MW，主要用于溫度為500~550C、流量為65~70kg/s的氣體燃燒產(chǎn)物的余熱回收。需要說明的是，EPS100機(jī)組接受的是CO2朗肯循環(huán)，而非布雷頓循環(huán)，由于液態(tài)CO2更簡潔被壓縮，且消耗更少的壓縮功，所以CO2朗肯循環(huán)比其布雷頓循環(huán)的效率更高。EPS100機(jī)型能夠有效地將工業(yè)過程產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)換為電能，可配置為熱電聯(lián)產(chǎn)方案，進(jìn)一步提高廢熱回收的接受率。EPS公司在SunShot方案的支持下，對EPS100機(jī)型進(jìn)行了測試。2022年，GE公司將EPS100技術(shù)應(yīng)用于艦船動(dòng)力領(lǐng)域。NetPower公司美國NetPower公司致力于開發(fā)和應(yīng)用新型動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化石燃料發(fā)電的低成本和零排放。該公司提出了阿拉姆(Allam)循環(huán)技術(shù)，即氣化后的煤經(jīng)過清潔處理后，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入燃燒器，燃燒產(chǎn)物(CO2、H2O)和經(jīng)過空氣分別器廢熱預(yù)熱的CO2混合后，直接進(jìn)入透平中做功發(fā)電，最終燃燒產(chǎn)物經(jīng)過分別器分離出H2O和CO2進(jìn)行循環(huán)，對多余的CO2進(jìn)行捕集和封存。循環(huán)主要特點(diǎn)是零排放、100%CO2捕集，發(fā)電效率高，占地面積?。?1-22］。值得指出的是，該Allam循環(huán)技術(shù)與西安交通高校郭烈錦院士提出的超臨界水煤氣化制氫及H2O/CO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電系統(tǒng)較相像，只是煤炭的氣化工藝不同。目前，NetPower公司建成了世界上首座50MW直燃式煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)，其中燃燒器和透平關(guān)鍵部件由Toshiba公司設(shè)計(jì)，印刷電路板換熱器由Heatric公司設(shè)計(jì)。該電站建于美國得克薩斯州拉波特市，已經(jīng)成功點(diǎn)火，成為全球首座零排放電站。下一步NetPower公司方案建設(shè)500MW自然?氣Allam循環(huán)電站，目前已完成了工程設(shè)計(jì)。經(jīng)過分析，Allam循環(huán)的高效優(yōu)勢主要是來自兩方面：⑴透平進(jìn)口工質(zhì)的溫度壓力較高；(2)將空氣分別器的余熱整合到SCO2循環(huán)中。將Allam循環(huán)用于化石燃料的發(fā)電領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電和CO2零排放，與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)方案形成競爭，為清潔發(fā)電供應(yīng)新的進(jìn)展方向。3SCO2發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與常規(guī)大型發(fā)電技術(shù)相比，大型SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)在葉輪機(jī)械尺寸方面具有極大的優(yōu)勢，表1比較了SCO2透平與燃煤電站、核電站的蒸汽輪機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。表11000MW典型機(jī)組性能指標(biāo)對比機(jī)組類型壓力/MPa進(jìn)汽溫度/°C再熱溫度/°C流量/(t?h-1)等熵焓降/(kJ?kg-1)發(fā)電效率/%長度/m火電蒸汽透平(一次再熱)256006002733191745.429火電蒸汽透平(二次再熱)31600610、6102533212847.937核電蒸汽透平7.5280269581092236.633SCO2透平35630630、63022314248>51<5盡管SCO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)在動(dòng)力部件尺寸和循環(huán)效率方面具有優(yōu)勢，但要使其慢慢走上工程示范和后續(xù)的商業(yè)應(yīng)用之路，還需要在以下方面開展廣泛和深化的爭論：SCO2循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐中介質(zhì)流量大，是相同功率等級常規(guī)燃煤機(jī)組的8倍左右，是核電機(jī)組的4倍左右，而單純提高管內(nèi)介質(zhì)的流速，必定會(huì)增加流淌阻力，而增大受熱面又會(huì)增加鍋爐尺寸，因此需要特殊留意CO2在鍋爐內(nèi)的阻力與受熱面的平衡問題。壓縮機(jī)進(jìn)口處CO2在其臨界點(diǎn)四周，物性參數(shù)變化猛烈，同時(shí)伴隨分散問題，這對壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和工作穩(wěn)定性有較大影響。此外，介質(zhì)密度大，CO2壓縮機(jī)和透平葉片受力較大，其流體激振以及軸系結(jié)構(gòu)布置問題也需要特殊考慮。SCO2介質(zhì)密度大，壓縮機(jī)和透平葉片高度低，葉片展弦比低，端部次流損失大，泄漏損失大，需要開發(fā)高效的新葉型。而且，為空氣或燃?xì)獾瘸Ｒ?guī)介質(zhì)建立的葉片流淌損失模型能否適用于CO2介質(zhì)，需要進(jìn)一步論證。SCO2循環(huán)系統(tǒng)的最低壓力為7.9MPa左右，這給CO2壓縮機(jī)和透平的軸端密封技術(shù)帶來了特殊大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)輸出功率為1000MW的SCO2透平的初步設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，其輪轂直徑為1000mm，軸徑約為450mm，然而當(dāng)前干氣密封加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的最大的密封面直徑為350mm左右，不能滿足要求。SCO2壓縮機(jī)進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)對其循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性具有特殊重要的影響，如何將其控制在臨界點(diǎn)四周，是系統(tǒng)把握需要解決的重點(diǎn)問題。4結(jié)論本文綜述了國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)、關(guān)鍵部件、示范項(xiàng)目等方面的進(jìn)展?fàn)顩r，分析了傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)與SC02發(fā)電系統(tǒng)的不同，以及SC02發(fā)電系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。SCO2動(dòng)力循環(huán)具有循環(huán)效率高、葉輪機(jī)械尺寸緊湊等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于大型發(fā)電領(lǐng)域具有很寬敞的前景。世界范圍內(nèi)，SCO2動(dòng)力循環(huán)和相關(guān)部件的設(shè)計(jì)制造進(jìn)展快速，美國在10MW以下的動(dòng)力循環(huán)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展，現(xiàn)已基本完成了小型試驗(yàn)裝置的原理性驗(yàn)證工作，這為后續(xù)SCO2動(dòng)力循環(huán)進(jìn)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，由DOE支持的STEP方案取得了進(jìn)展，10MWSCO2動(dòng)力循環(huán)太陽能光熱發(fā)電電廠已啟動(dòng)建設(shè)國內(nèi)方面，我們我們國家對SCO2試驗(yàn)裝置的爭論還在起步階段，目前國內(nèi)只有西安熱工爭論院有限公司和中國科學(xué)院工程熱物理爭論所等建成了兆瓦級SCO2系統(tǒng)及部件試驗(yàn)平臺，在基本理論和試驗(yàn)驗(yàn)證方面還需要進(jìn)一步的爭論。我們我們國家現(xiàn)階段相繼啟動(dòng)了3項(xiàng)關(guān)于SCO2動(dòng)力循環(huán)在大型發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的爭論，這對我們我們國家能源結(jié)構(gòu)的進(jìn)展與調(diào)整具有重要的意義。目前相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了系統(tǒng)原理性驗(yàn)證、部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)等大量爭論工作，但是在CO2鍋爐、壓縮機(jī)與透平、干氣密封以及系統(tǒng)把握等關(guān)鍵問題上，仍需要開展更深化的爭論。參考文獻(xiàn)：相關(guān)文獻(xiàn)】ANGELINOG.Carbondioxidecondensationcyclesforpowerproduction[J].JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower,1968,90(3)：287-295.FEHEREG.Thesupercriticalthermodynamicpowercycle[J].EnergyConversion,1968,8(2)：85-90.WANGXH,LIUQ,BAIZ,etal.ThermodynamicinvestigationsofthesupercriticalCO2systemwithsolarenergyandbiomass[J].AppliedEnergy,2022,227：108-118.AHNYH,SEONGJB,KIMM,etal.ReviewofsupercriticalCO2powercycletechnologyandcurrentstatusofresearchanddevelopment[J].NuclearEngineeringandTechnology,2022,47(6)：647-661.包金剛.1000MW超臨界二氧化碳火電機(jī)組的熱力性與經(jīng)濟(jì)性爭論[D].西安：西安交通高校，2022.鄭開云?超臨界二氧化碳循環(huán)應(yīng)用于火力發(fā)電的爭論現(xiàn)狀[J].南方能源建設(shè)，2022,4(3):39-47.鄧清華，蔣宇，李軍，等.超臨界C02動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)爭論:循環(huán)方案[J].熱力透平,2022,47(2)：92-98,144.鄧清華，蔣宇，李軍,等.超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)爭論:動(dòng)力部件[J].熱力透平,2022,47(2)：99-104.WRIGHTSA.SummaryoftheSandiasupercriticalCO2developmentprogram[C]//SupercriticalCarbonDioxidePowerCycleSymposium.Boulder,Colorado：SandiaNationalLab,2022：1-16.CONBOYT,PASCHJ,FLEMINGD.ControlofasupercriticalCO2recompressionBraytoncycledemonstrationloop[C]//ASMETurboExpo2022.SanAntonio,Texas,USA：ASME,2022：GT2022-94512.WRIGHTSA,RADELRF,VERNONEM,etal.OperationandanalysisofasupercriticalCO2Braytoncycle[R].California,USA：SandiaNationalLaboratories,2022.CONBOYT,WRIGHTSA,PASCHJ,etal.PerformancecharacteristicsofanoperatingsupercriticalCO2Braytoncycle[C]//ASMETurboExpo2022.Copenhagen,Denmark：ASME,2022：GT2022-68415.MOOREJ.Developmentofahighefficiencyhotgasturbo-ex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