浅谈超临界二氧化碳发电系统

刘广林 孙淑红 王丽

摘 要：电能是保证社会正常运转和驱动社会前进的高品质能源，我国电能供应以火电为主，但社会环境等问题的日益严重，迫切需要具有低污染、高效率等特征的新型发电系统。二氧化碳为工质的发电系统，是一种新型高效低污染排放的发电系统，适用于太阳能、核能等高温热源发电且建立实验及示范平台。而近年超高参数燃煤火力二氧化碳发电系统被广泛关注，由于二氧化碳在高温区相对稳定的物理化学性质，被认为是可替代水机组发电的新型高效发电系统。

关键词：发电系统 二氧化碳 超高参数

中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0045-02

电能的广泛应用引起社会深刻变革，是当今社会发展的直接驱动力。当前我国电力供应以燃煤火力发电为主，技术成熟的水电为辅。太阳能发电、核能发电、风能发电及地热、朝夕能等处于快速发展阶段。在2017年底，我国发电装机容量达到17.8亿kW，其中火电份额占到61.8%。目前我国不仅具备超高参数发电装备制造技术，而且发电机组的效率、污染排放等方面达到了世界先进水平。

但是随着人民生活水平提高和各类高科技产品的出现，对电能需求日益增加，也出现了较严重的电网波峰波谷的问题。当前的超超临界燃煤水机组的主蒸汽温度为600℃，发电效率在45%左右。近年来，研究人员提出700℃先进超超临界发电技术，预计发电效率达到50%[1]。但是由于火电机组相对庞大，满足调峰需求反应较慢，而太阳能、风电等可再生能源发电方式本身收到外界因素影响较大，并网后对电网冲击较大。因此，需要提出新一代发电系统，以满足电网波峰波谷的需求。

1 新型发电系统

1.1 系统特点

超临界二氧化碳（Supercritical-CO2， S-CO2）为工质的发电循环系统，是近年来国内外学者研究的热点，系统主要设备部件包括压缩机、透平、冷却器、加热器等。CO2的临界温度为31℃，临界压力为7.38MPa，而水的临界温度为374℃，临界压22.1MPa，该新型发电系统可以实现较高的发电效率并有望超越传统的火电机组[2]。

与常规火力发电机组相比，最大的特点是以CO2替代水工质，由于两种工质在物理化学性质差异，如流动密度、传热性、粘度低等，导致S-CO2发电系统在燃烧、炉内换热、膨胀机及污染物生成等方面产生本质的差异，如整个发电系统的尺寸可以大大减少，进而提高了机组的灵活性，降低初投资等。

CO2为工质的发电机组早在20世纪六七十年代提出，主要对CO2物理化学性质、S-CO2系统优化、系统参数敏感性等内容开展研究，应用方向以反应堆、舰船为主，但是由于技术的限制，未能在主要设备方面开展实验研究和研制。如1967年Feher提出S-CO2循环，设计了150kWe的S-CO2循环以研究用于小型核反应堆的可行性，发现该系统具有效率高和机械结构紧凑等优点。

1.2 系统研究进展

近年来在社会需求和科学技术快速发展的背景下，主要针对核能和太阳能为热源，对S-CO2发电系统进行理论和实验研究。美国、日本、韩国、法国和中国等科学家开展了相关研究，其中以美国研究较多。研究主要集中在核能和太阳能驱动的S-CO2热力学能量分析和循环优化、流动传热特性规律等。其中，CO2透平是S-CO2系统关键技术，也是难点。美国已研究并进行小容量透平性能实验，但对尺寸引起的“尺度效应”导致的热功转换、流道设计及密封等方面研究远远的机理尚处于起步阶段[3-4]。

美国的多个国家实验室及高技术企业都参与了相关研究，如美国Sandia国家实验室于2005—2011年搭建了1MWth的S-CO2实验平台。主要对S-CO2系统特性进行实验研究，以及透平、换热器等主要设备的性能测试。2011年在Sandia国家实验室的核能系统实验室开始进行10MW的S-CO2发电系统研发和测试，为该系统商业化运行进行示范和验证测试，Echogen Power Systems公司受邀参与该项目的研究。2016年，在美国能源部（DOE）资助下，进行10MW的S-CO2发电系统中试项目研究和测试，参与的企业包括气体技术研究所、西南研究所和GE公司。目前，NET Power已成功完成5MWth的天然气燃烧系统测试。

S-CO2燃煤火力发电方面的研究成果相对较少。系统主要优势体现在：（1）该系统在体积方面更小，体积可缩小到1/10左右，提高了系统灵活性。（2）由于CO2稳定的物理化学性质，对材料腐蚀方面要求更低。2013年，法国电力公司及美国普惠洛克达公司对S-CO2燃煤火力发电提出了概念论证，认为该系统是解决煤炭高效清洁发电的新途径。2016年，法国EDF公司提出S-CO2系统用于燃煤火力发电系统并耦合二氧化碳捕集的概念发电厂。

国内研究所和企业等的研究处于起步阶段，中国核动力研究院、西安热工研究院等企业进行S-CO2应用于船舶、核反应堆的研究，中国核动力院针对核能领域应用计划建设1MWe示范试验平台，西安热工研究院搭建了5MW燃气的研究平台，中科院设计了兆瓦级SCO2压缩机实验台。清华大学、西安交通大学、华北电力大学等高校近年来在S-CO2应用于核能及太阳能发电应用领域开展相关研究。

华北电力大学依托科技部重点专项支持，联合国内10余家高校科研院所和企业，在超高压燃煤S-CO2发电系统方面进行研究，研究内容包括：（1）系统层面：1000MW级系统概念设计，热力学优化及全生命周期的评价等；（2）部件层面：主要对膨胀机、换热器、燃烧室等新机理、理论的研究和样机测试等。具有众多的科学问题需要解决，为我国煤炭能源发电高效利用提供理论基础和技术支持。

2 结语

总之，针对核能和太阳能的S-CO2发电系统的研究目前处于实验室测试阶段，而燃煤发电系统处于理论研究阶段。随着基础研究和关键技术的发展，预计在5～10年内S-CO2将从实验室走向中等规模工程示范甚至规模化应用，发展前景看好。

参考文献

[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] 黄彦平，王俊峰.超临界二氧化碳在核反应堆系统中的应用[J].核动力工程，2012，33（3）：21-27.

[3] 赵新宝，鲁金涛，袁勇.超临界二氧化碳布雷顿循环在发电机组中的应用和关键热端部件选材分析[J].中国电机工程学报，2016（36）：154-162.

[4] 吴毅，王佳莹，王明坤.基于超临界CO2布雷頓循环的塔式太阳能集热发电系统[J].西安交通大学学报，2016（50）：109-113.