超临界二氧化碳发电技术现状及挑战

超临界二氧化碳发电技术现状及挑战邓清华;胡乐豪;李军;丰镇平【摘要】综述了超临界二氧化碳(SCO2)动力循环方案，以争论机构与项目为主线,总结了国内外SCO2动力循环、动力部件的争论进展,以及电厂示范项目的相关研究状况与存在的问题，分析比较了SCO2动力循环发电技术与当前传统发电技术的优势及需要重点解决的问题,以此为大型发电技术的进展供应参考.期刊名称】《热力透平》年(卷),期】2022(048)003【总页数】7页(P159-165)【关键词】燃煤火力发电;超临界二氧化碳;布雷顿循环;朗肯循环【作者】邓清华;胡乐豪;李军;丰镇平【作者单位】西安交通高校能源与动力工程学院叶轮机械争论所,西安710049;陕西省叶轮机械及动力装备工程试验室,西安710049;西安交通高校能源与动力工程学院叶轮机械争论所,西安710049;陕西省叶轮机械及动力装备工程试验室,西安710049;西安交通高校能源与动力工程学院叶轮机械争论所,西安710049;陕西省叶轮机械及动力装备工程试验室,西安710049;西安交通高校能源与动力工程学院叶轮机械争论所,西安710049;陕西省叶轮机械及动力装备工程试验室,西安710049【正文语种】中文【中图分类】TK14从20世纪40年月第一台燃煤机组投入运行起，大型发电技术始终朝着高参数、大功率方向进展，以提高能量转换效率，降低单位功率的建设与运行成本。然而，高参数和大功率也使得发电机组体积浩大，循环系统简洁，这对材料强度、设施制造、运行把握等均提出了更高的要求。20世纪60年月，Angelino［1］留意到燃煤发电技术和燃气轮机发电技术所面临的问题，主要分析了提高动力循环效率、缩小机组尺寸和降低结构简洁性等关键问题Feher［2］在朗肯循环和布雷顿循环的基础上提出了超临界循环。两位学者均论证了以CO2为工质的热力循环可以大幅提高循环效率，减小部件尺寸。但当时受到换热器和透平设计水平的限制，该循环方案未能得到进一步进展。随着技术的进步，以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的动力循环再次受到关注。争论人员提出将SC02动力循环应用于传统发电和新能源发电领域［3-4］，以提高循环热效率，缩小发电机组尺寸，降低大型电站的投资成本［5］。本文介绍了当前SCO2动力循环的循环方案，以争论机构和相关项目为主线，综述了国内外SCO2动力循环、动力部件以及电厂示范项目的相关争论状况与存在的问题，比较了SCO2动力循环发电技术与当前传统发电技术，分析了当前面临的问题，以此为大型发电技术的进展供应参考。1SCO2动力循环的类型SCO2动力循环一般可分为间接加热和直燃加热两种，如图1所示。当前争论最多、公开发表文献最多是SCO2间接加热循环方案，其具有循环系统简洁、运行稳定、应用范围广的特点。直燃加热方案的争论相对较少，该方案包括阿拉姆(Allam)循环以及超临界水蒸煤循环，其燃烧产物(H2O、CO2)直接参与循环，循环效率能突破60%［6］，但由于需要增加分别器等装置，循环系统的长期稳定运行受到影响。⑻间接加热的SCO2动力循环图1SC02动力循环方案(b)直燃加热的SC02动力循环间接加热的SCO2动力循环方案可细分为简洁布雷顿动力循环和再压缩布雷顿循环两种，如图2所示。SCO2简洁布雷顿循环结构简洁，设施体积小，投入成本低。然而，在循环过程中工质比热容变化比较大，回热器中存在“夹点”问题，这严峻影响回热器的换热性能，降低循环效率。为解决回热器“夹点”问题，Angelino［1］提出了分流再压缩布雷顿动力循环，同时该方案削减了冷却器带走的热量，提高了循环效率。需要指出的是，以上所述的SCO2动力循环方案中，透平进口的CO2均为超临界状态，但是各循环差异很大，有的为布雷顿循环，有的为朗肯循环，甚至有的循环接受CO2和水蒸气的混合工质，非纯CO2。⑻SCO2简洁布雷顿循环图2间接加热SCO2布雷顿循环(b)SCO2再压缩布雷顿循环2国内外SCO2动力循环的进呈现状世界范围内，美国、中国、日本、韩国等均开展了SCO2动力循环的相关争论［7-8］，该技术不仅能应用于新能源、核能发电，也能应用于燃煤火力发电等领域。本节以争论机构和相关项目为主线，综述了SCO2动力循环及部件方面的争论进展。2.1美国能源部的SCO2项目桑迪亚我们国家试验室(SNL)自2007年起，SNL联合美国能源部(DOE)在SCO2压缩系统以及循环系统领域开展了细致深化的争论。2022年，SNL搭建了SCO2压缩系统试验台，其中压缩机由50kW的电动机驱动，转速为75000r/min，压比为1.5，工质流量为3.5kg/s。该试验台主要用于争论CO2临界点四周的压缩机运行特性［9］。2022年，SNL搭建了热源功率为780kW、循环最高温度为811K转速为75000r/min的SCO2再压缩布雷顿循环系统试验台，该试验台主要用于对SCO2的再压缩循环系统进行原理性验证。试验结果表明：该循环可以解决回热器中“夹点”问题，提高循环效率；动力部件接受箔片轴承时转速需要高于20000r/min，且需要严格把握轴承处的温度；试验中循环最高温度仅达到672K［10］，转速为59000r/min。此外，发电机的相关损失、压缩机和透平产生的泄漏流以及转子腔室内的摩擦鼓风损失是导致循环效率低的主要缘由。需要说明的是，动力装置接受透平-发电机-压缩机同轴布置方案［11］，可有效抵消两叶轮上的轴向推力，同时在发电机功率和轴向推力不超限的状况下，拆除透平或压缩机中的一个，可以单独开展另一个的气动性能试验。近年来，SNL在原有试验台架的基础上，重点开展了轴承以及循环工质参数把握方面的争论，其试验台输出功率为20kW，转速为52000r/min，压比为1.65，工质流量为2.7kg/s。结果表明，在启动阶段，CO2在主压缩机和再压压缩机进口处的密度不同，需要将2台压缩机维持相同转速，以防止其中之一发生喘振。同时，压缩机进口工质状态对循环效率的影响较大，需要将压缩机进口的CO2控制在临界点四周［12］，这给系统的参数把握带来了确定的挑战。太阳能光热发电SunShot项目2022年，DOE的SunShot方案向美国西南争论院(SwRI)资助490万美元，用于其制造和测试适用于光热发电项目的一种高效、紧凑的SCO2透平和印刷电路板换热器，以大幅降低太阳能光热发电的设施成本。该项目已于2022年结题［13］，为后续太阳能光热发电关键设施的研发积累了阅历。2022年，SwRI联合通用电气(GE)公司完成了10MW等级用于太阳能光热发电的SCO2透平设计。结果发觉，透平气动与结构的设计、优化、制造，以及转子的高周疲乏寿命均是需要重点考虑的问题，同时太阳光照的不稳定性要求透平能够快速适应发电过程中的负荷变化［14］。SwRI和GE公司设计制造的透平和换热器解决了SCO2动力循环的两个关键问题，热电效率可以提高到50%以上，电站建筑成本将低于1200美元/kW，运行成本为0.06美元/(kW・h)。该争论项目为SCO2动力循环在太阳能光热发电领域的应用奠定了坚实的基础。超临界转化电力(STEP)项目SNL等机构开展的SCO2压缩系统、总体循环系统等方面的原理性验证明验，证明白其发电原理不存在问题。2022年，DOE提出超临界转化电力(SupercriticalTransformationElectricPower，STEP)项目，其主要目标之一是设计建设发电功率10MW等级的SCO2太阳能光热电厂，项目总投资约为8000万美元，旨在降低SCO2动力循环在商业应用方面存在的风险，并解决技术难点，为SCO2动力循环进一步大型化进展奠定基础。其循环系统的透平进口温度为700°C,循环效率超过了50%。项目主要由美国燃气技术争论院(GTI)牵头，GE公司负责透平机械的设计和制造,SwRI负责循环系统的设计、实施、运行和评估。2022年10月该项目在美国得克萨斯州开工建设，方案于2022年完工。项目的建成将对SCO2动力循环的商业化应用具有重要意义。SwRI借助于该示范电厂，将进一步优化SCO2动力循环参数、验证动力部件运行性能和稳定性，同时为SCO2动力循环商业化运行供应培训，积累运营阅历，为后续的技术改进提供平台基础。2.1.4燃煤电站项目为进一步推动SCO2动力循环在燃煤电站领域的应用，在DOE的资金支持下，GE公司在SwRI关于10MW透平争论基础上，设计了一套应用于燃煤电站450MW再热-再压缩SCO2布雷顿循环系统以及相应的透平部件［15-16］，循环系统的热效率可达51.9%。高压和低压透平设计转速均为3600r/min。其中高压透平进口总温为700C,进口总压为25.06MPa,接受4级结构，设计等熵效率为90.6%；低压透平进口总温为680C,进口总压为12.96MPa，出口压力为6.71MPa，接受3级结构，设计等熵效率为91.6%。高压透平第1级叶片高度仅有71.12mm，高压透平第3级叶片高度仅为137.16mm，远小于相同功率条件下的蒸汽透平尺寸。GE公司在450MW透平设计中重点解决了材料选择、应力计算和转子稳定性分析等问题，为更高功率等级的SCO2透平设计供应了参考。然而，受限于当前干气密封的加工技术，GE公司在450MW透平设计中接受的是迷宫密封，其泄漏量(0.45%)远大于干气密封泄漏量(0.02%)，因此透平中存在的泄漏损失将使得整个循环效率降低0.6%~0.8%。此外，2022年DOE公布了CoalFIRST方案，项目投资1亿美元，目标是开发“灵敏、创新、弹性、小型、变革”的适用于将来能源系统的先进燃煤电厂，方案接受SCO2发电技术，通过创新设计及制造方法的进步，进展新型先进燃煤发电的示范系统。2.2中国的SCO2项目重点研发方案2022年，西安交通高校牵头担当了我们国家重点研发方案“煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产基础争论”项目(2022YFB0600100),主要以煤炭清洁高效转化接受为目标，创建新型煤炭洁净高效制氢发电多联产的科学理论与技术支持，创立从煤炭超临界水气化制氢反应器，高湿/高CO2气氛下氢气燃烧器，到超临界H2O/CO2混合工质透平发电的多联产系统的设计理论，并提出了相关方法，完善了关键技术，完成新型系统的概念设计，并使系统发电效率达到50%以上［17-18］。图3是超临界水煤气化制氢发电工艺流程图，煤与超临界水发生反应，生成H2和CO2,H2在燃烧器中燃烧后生成H2O,与CO2组成超临界混合工质，进入透平做功，驱动发电机。这种工艺流程完全避开了NOx、SOx的排放，实现了CO2的资源化接受，装置大型化后，一次性投资和运行成本将会进一步降低。该发电系统的优势在于接受超临界水煤气化制氢，避开了传统接受煤炭直接燃烧的方式，具有高效、清洁的技术优势。图3超临界水煤气化制氢发电工艺流程图［17］2022年，华北电力高校牵头担当了我们国家重点研发方案“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术争论”项目(2022YFB0601800),该项目旨在解决超高参数CO2燃煤系统能量梯级接受、热力学循环及热学优化理论，以及关键部件能质转换与传递机理的关键科学问题，突破锅炉燃烧及污染物把握、换热器、透平及一体化系统设计等关键技术，研制锅炉、回热器及透平原理样机，完成1000MW级系统概念设计［19］。从总体上来说，华北电力高校徐进良教授提出的发电系统是基于传统技术的燃煤发电系统，将水蒸气介质替换为CO2，接受CO2在超临界状态四周压缩耗功小的特点，接受多次再热等措施，提高循环热效率，大幅缩小叶轮机械尺寸。计算结果表明，1000MW级SC02燃煤电厂CO2透平在进口压力为35MPa，进口温度为630°C,两次再热温度均为630°C时，系统发电效率为51.22%，比当前世界上效率最高的超超临界水蒸气电厂发电效率(48.12%)高出三个百分点，具有特殊大的优势。此外，该SCO2燃煤电厂的透平排气压力在7.8MPa左右，而传统燃煤发电系统透平排气压力在0.005MPa左右，此时水蒸气的质量体积是CO2的1900倍，因此接受CO2为介质，可使发电系统容积流量大幅降低，大幅缩小叶轮机械尺寸。图4给出了1000MWSCO2透平转子的初步方案图，即使接受双流结构，总长也不超过5m。图41000MWSCO2循环发电系统透平转子结构布置方案2022年，中国科学院电工争论所牵头担当了我们国家重点研发方案“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题争论"(2022YFB1501000)，该项目旨在为我们我们国家SCO2动力循环系统在新能源发电领域，尤其为太阳能热发电领域开展相关争论。美国已于2022年开头了SunShot方案，现已完成了10MW等级SCO2太阳能光热电站的系统及部件的工程设计与部分测试，并开头了示范电厂的建设，而我们我们国家目前还在SCO2太阳能光热发电的基础争论阶段。企业自主研发项目2022年，由中国科学院工程热物理争论所研制的我们我们国家首座大型SCO2压缩机试验平台在河北衡水基地正式建成。试验平台可用于测试SCO2压缩机工作性能，开展SCO2流体压缩特性争论，同时也可以开展高速转子、轴承和密封等相关部件的性能试验。其设计的压缩机出口压力可以达到20MPa，最高转速可达40000r/min，最大流量为30kg/s，可进行兆瓦级SCO2压缩机的相关测试试验，为我国后续开展SCO2压缩系统试验争论供应了强有力的支撑。此外，西安热工争论院有限公司设计开发了输出功率为5MW的SCO2循环发电试验平台［20］，其透平进口温度为600°C,透平进口压力为20MPa,系统流量为80.7kg/s，发电效率为25.4%，目前各关键部件已经完成加工制造，正在进行系统管路与关键部件的安装与调试。2.3国外企业自主研发项目2.3.1EchogenPowerSystems(EPS)公司于2007年成立的美国EPS公司致力于余热回收领域的研发工作，并接受CO2作为介质。经过5kW、15kW和200kW样机的设计试制与试验，于2022年成功开发了EPS100机型，主要包括换热器、冷凝器、泵和透平4个部分，是世界上第一台接受CO2为循环介质的商用发电机组，其输出功率为7.5MW，主要用于温度为500~550C、流量为65~70kg/s的气体燃烧产物的余热回收。需要说明的是，EPS100机组接受的是CO2朗肯循环，而非布雷顿循环，由于液态CO2更简洁被压缩，且消耗更少的压缩功，所以CO2朗肯循环比其布雷顿循环的效率更高。EPS100机型能够有效地将工业过程产生的废热转换为电能，可配置为热电联产方案，进一步提高废热回收的接受率。EPS公司在SunShot方案的支持下，对EPS100机型进行了测试。2022年，GE公司将EPS100技术应用于舰船动力领域。NetPower公司美国NetPower公司致力于开发和应用新型动力循环发电技术，实现化石燃料发电的低成本和零排放。该公司提出了阿拉姆(Allam)循环技术，即气化后的煤经过清洁处理后，经压缩机压缩进入燃烧器，燃烧产物(CO2、H2O)和经过空气分别器废热预热的CO2混合后，直接进入透平中做功发电，最终燃烧产物经过分别器分离出H2O和CO2进行循环，对多余的CO2进行捕集和封存。循环主要特点是零排放、100%CO2捕集，发电效率高，占地面积小［21-22］。值得指出的是，该Allam循环技术与西安交通高校郭烈锦院士提出的超临界水煤气化制氢及H2O/CO2混合工质热力发电系统较相像，只是煤炭的气化工艺不同。目前，NetPower公司建成了世界上首座50MW直燃式煤气化Allam循环系统，其中燃烧器和透平关键部件由Toshiba公司设计，印刷电路板换热器由Heatric公司设计。该电站建于美国得克萨斯州拉波特市，已经成功点火，成为全球首座零排放电站。下一步NetPower公司方案建设500MW自然 气Allam循环电站，目前已完成了工程设计。经过分析，Allam循环的高效优势主要是来自两方面：⑴透平进口工质的温度压力较高；(2)将空气分别器的余热整合到SCO2循环中。将Allam循环用于化石燃料的发电领域，可以实现高效率发电和CO2零排放，与整体煤气化联合循环(IGCC)方案形成竞争，为清洁发电供应新的进展方向。3SCO2发电技术面临的挑战与常规大型发电技术相比，大型SCO2布雷顿循环发电技术在叶轮机械尺寸方面具有极大的优势，表1比较了SCO2透平与燃煤电站、核电站的蒸汽轮机的技术指标。表11000MW典型机组性能指标对比机组类型压力/MPa进汽温度/°C再热温度/°C流量/(t・h-1)等熵焓降/(kJ・kg-1)发电效率/%长度/m火电蒸汽透平(一次再热)256006002733191745.429火电蒸汽透平(二次再热)31600610、6102533212847.937核电蒸汽透平7.5280269581092236.633SCO2透平35630630、63022314248>51<5尽管SCO2布雷顿动力循环系统在动力部件尺寸和循环效率方面具有优势，但要使其慢慢走上工程示范和后续的商业应用之路，还需要在以下方面开展广泛和深化的争论：SCO2循环系统的锅炉中介质流量大，是相同功率等级常规燃煤机组的8倍左右，是核电机组的4倍左右，而单纯提高管内介质的流速，必定会增加流淌阻力，而增大受热面又会增加锅炉尺寸，因此需要特殊留意CO2在锅炉内的阻力与受热面的平衡问题。压缩机进口处CO2在其临界点四周，物性参数变化猛烈，同时伴随分散问题，这对压缩机气动性能和工作稳定性有较大影响。此外，介质密度大，CO2压缩机和透平叶片受力较大，其流体激振以及轴系结构布置问题也需要特殊考虑。SCO2介质密度大，压缩机和透平叶片高度低，叶片展弦比低，端部次流损失大，泄漏损失大，需要开发高效的新叶型。而且，为空气或燃气等常规介质建立的叶片流淌损失模型能否适用于CO2介质，需要进一步论证。SCO2循环系统的最低压力为7.9MPa左右，这给CO2压缩机和透平的轴端密封技术带来了特殊大的挑战。系统输出功率为1000MW的SCO2透平的初步设计结果显示，其轮毂直径为1000mm，轴径约为450mm，然而当前干气密封加工工艺能够实现的最大的密封面直径为350mm左右，不能满足要求。SCO2压缩机进口状态点对其循环系统经济性具有特殊重要的影响，如何将其控制在临界点四周，是系统把握需要解决的重点问题。4结论本文综述了国内外SCO2动力循环系统、关键部件、示范项目等方面的进展状况，分析了传统发电系统与SC02发电系统的不同，以及SC02发电系统面临的技术挑战。SCO2动力循环具有循环效率高、叶轮机械尺寸紧凑等优势，将其应用于大型发电领域具有很宽敞的前景。世界范围内，SCO2动力循环和相关部件的设计制造进展快速，美国在10MW以下的动力循环领域取得了较大的进展，现已基本完成了小型试验装置的原理性验证工作，这为后续SCO2动力循环进展打下了坚实的基础。现阶段，由DOE支持的STEP方案取得了进展，10MWSCO2动力循环太阳能光热发电电厂已启动建设国内方面，我们我们国家对SCO2试验装置的争论还在起步阶段，目前国内只有西安热工争论院有限公司和中国科学院工程热物理争论所等建成了兆瓦级SCO2系统及部件试验平台，在基本理论和试验验证方面还需要进一步的争论。我们我们国家现阶段相继启动了3项关于SCO2动力循环在大型发电领域应用的争论，这对我们我们国家能源结构的进展与调整具有重要的意义。目前相关机构已开展了系统原理性验证、部件设计与试验等大量争论工作，但是在CO2锅炉、压缩机与透平、干气密封以及系统把握等关键问题上，仍需要开展更深化的争论。参考文献：相关文献】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.包金刚.1000MW超临界二氧化碳火电机组的热力性与经济性争论[D].西安：西安交通高校，2022.郑开云•超临界二氧化碳循环应用于火力发电的争论现状[J].南方能源建设，2022,4(3):39-47.邓清华，蒋宇，李军，等.超临界C02动力循环试验关键技术争论:循环方案[J].热力透平,2022,47(2)：92-98,144.邓清华，蒋宇，李军,等.超临界CO2动力循环试验关键技术争论:动力部件[J].热力透平,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-expanderandlowcostheatexchangersforoptimizedCSPsupercriticalCO2operation[R].SanAntonio,US：SouthwestResearchInstitute,2022.KALRAC,HOFERD,SEVINCERE,etal.Developmentofhigh-efficiencyhotgasturboexpanderforoptimizedCSPsupercriticalCO2powerblockoperation[C]//The4thInternationalSymposium-SupercriticalCO2PowerCycles.Pittsburgh,Pennsylvania：SouthwestResearchInstitute,2022：1-11.RAHUALAB,ANDREWM,RAJKESHARS,etal.Conc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