超臨界二氧化碳循環(huán)分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超臨界二氧化碳動力循環(huán)1.超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)燃氣輪機 （1）美國桑迪亞國家實驗室研發(fā)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)燃氣輪機 美國桑迪亞國家實驗室研究人員研發(fā)出一種新的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)燃氣輪機，目前正在進行發(fā)電系統(tǒng)的示范階段。這種新輪機可將熱電轉(zhuǎn)換效率提高多達50%，為核電站配備的蒸汽輪機可改善50%，或者一個單獨的燃氣輪機效率可提高40%。該系統(tǒng)十分緊湊，意味著資金成本會相對較低。 研究主要集中在超臨界二氧化碳（S-CO2）布雷頓循環(huán)輪機，這種輪機通常是用于大型熱力和核能發(fā)電方面，包括下一代動力反應堆。目標是最終取代蒸汽驅(qū)動的蘭金循環(huán)輪機（效率較低，高溫條件存

2、在腐蝕性，同時由于需要非常大的輪機和冷凝器來處理多余的蒸汽，占用空間是30倍）。布雷頓循環(huán)每個組合可以產(chǎn)出20 MW的電力，占用空間只有四個立方米。 桑迪亞國家實驗室目前有兩個超臨界二氧化碳測試循環(huán)。第一個發(fā)電循環(huán)位于科羅拉多州Arvada，從2010年3月開始運行，發(fā)展階段的發(fā)電量大約為240 kW，現(xiàn)在正在進行升級。第二個循環(huán)位于Albuquerque桑迪亞國家實驗室，用于研究臨界點附近存在的包括壓縮、軸承、密封、摩擦等問題。 桑迪亞國家實驗室近期計劃繼續(xù)開發(fā)和運行小的測試循環(huán)以確定關(guān)鍵功能和技術(shù)。測試結(jié)果將說明概念容量（尤其是它的緊湊性）、效率和更大系統(tǒng)的可擴展性。未來計劃是進行技術(shù)的商

3、業(yè)化，先在10 MW的工業(yè)示范電廠開展。 桑迪亞還有一種采用氦作為工作流體的布雷頓循環(huán)，設(shè)計運行溫度約為925，預計發(fā)電效率達43%-46%。相比之下，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)作為氦布雷頓系統(tǒng)提供了同樣的效率，但溫度相對較低（250-300）。S-CO2設(shè)備比氦氣循環(huán)緊湊（它又比傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)緊湊小巧）。（2）東芝開發(fā)超臨界二氧化碳循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng) 東芝公司日前針對正在開發(fā)的超臨界二氧化碳循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，在達到目標壓力的狀態(tài)下，成功完成了燃氣輪機燃燒器的燃燒試驗。由此，向?qū)崿F(xiàn)發(fā)電效率高、可回收二氧化碳、環(huán)境負荷低的系統(tǒng)邁進了一大步。這種系統(tǒng)具備與組合利用燃氣和蒸汽的燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電同等水平的效

4、率，同時無需另外設(shè)置分離及捕集設(shè)備就可回收高壓二氧化碳。圖1-1 超臨界二氧化碳循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)示意圖 超臨界指的是氣體和液體的界限消失、性質(zhì)介于氣體和液體之間的狀態(tài)。二氧化碳在溫度和壓力超過31、74個大氣壓時會達到超臨界狀態(tài)。燃燒試驗利用了美國加利福尼亞州試驗機構(gòu)的設(shè)備，于1月開始，分階段提高燃氣輪機燃燒器的壓力，對其燃燒特性進行評估。此次，成功實現(xiàn)了在300個大氣壓的目標壓力下燃燒。 現(xiàn)有燃氣輪機發(fā)電設(shè)備可在20個大氣壓左右的壓力下燃燒，而超臨界二氧化碳循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的目標是300個大氣壓，因此能在高溫高壓條件下工作的燃氣輪機燃燒器成為課題。此次試驗成功意味著完成了第1階段的開發(fā)。在開

5、發(fā)的系統(tǒng)以天然氣為燃料，在燃燒時，使用氧替代空氣，因此也不會產(chǎn)生氮氧化物（NOx）。 東芝與美國大型電力企業(yè)愛克斯龍電力公司（Exelon）、工程企業(yè)芝加哥橋梁及鋼鐵公司（Chicago Bridge and Iron Company）等于2012年6月達成合作協(xié)議，共同進行系統(tǒng)開發(fā)，主要負責重要部件高溫高壓渦輪機和燃燒器。今后，各家公司將于2015年在美國建設(shè)試驗成套設(shè)備，實施實證試驗，力爭在2017年實現(xiàn)250兆瓦（25萬千瓦）級設(shè)備的商用化。2. 超臨界二氧化碳在核反應堆中的應用 目前，在役的核電廠主要采用二代和二代改進型壓水堆技術(shù)，隨著第三代核電廠開始進入建設(shè)階段，追求更高安全性和經(jīng)濟

6、性、更少廢物排放和可有效抑制核擴散的第四代先進核能系統(tǒng)的研究工作已逐漸成為世界各核電強國的研發(fā)熱點。在實現(xiàn)第四代核能系統(tǒng)主要技術(shù)指標方面，采用氣體冷卻劑，避免了臨界熱流密度等熱工安全限制，易于實現(xiàn)堆芯出口溫度提升、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化以及快譜堆芯設(shè)計等，具有特殊的優(yōu)勢。 從物理化學穩(wěn)定性的角度考慮，一般氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑。但氦氣低密度帶來的壓縮功耗過大問題降低了氦氣冷堆的凈效率，因此氦氣冷卻的反應堆要求堆芯出口溫度較高（一般要求在 8001000）以保證其經(jīng)濟性，這對目前的材料及工業(yè)制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。 采用超臨界流體作為堆芯冷卻劑，利用超臨界流體擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓縮機運行點設(shè)置在擬臨界

7、溫度附近的大密度區(qū)，將反應堆運行點設(shè)置在擬臨界溫度之后的低密度區(qū)，可以在保證氣體冷卻的前提下，降低壓縮功耗，實現(xiàn)氣冷堆在中等堆芯出口溫度下達到較高效率的目標。超臨界流體的這一性質(zhì)使其在作為核反應堆二回路能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)時同樣具有明顯的優(yōu)勢。二氧化碳（CO2）由于其臨界壓力相對適中（7.38 MPa），具有較好的穩(wěn)定性和核物理性質(zhì)在反應堆堆芯冷卻劑的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出惰性氣體的性質(zhì)，以及其無毒、儲量豐富、天然存在等特性，被認為是核反應堆內(nèi)最具應用前景的能量傳輸和能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)之一。由于超臨界二氧化碳（S-CO2）在核反應堆運行參數(shù)范圍內(nèi)密度較大且無相變，因此以 S-CO2為工質(zhì)的壓縮機、氣輪機等動力系統(tǒng)

8、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小，可降低核電廠的建造成本，實現(xiàn)模塊化建造技術(shù)，縮短核電廠建造周期。（1）S-CO2布雷頓循環(huán)基本原理 S-CO2工質(zhì)用于核反應堆一般采用布雷頓熱力循環(huán)模式。布雷頓循環(huán)一般包括絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹、定壓放熱 4 個基本過程，其基本循環(huán)溫熵圖如圖2- 1 所示。 對于核反應堆內(nèi)的 S-CO2布雷頓循環(huán)，其最簡單、最基本的系統(tǒng)流程如圖 2-2 所示，主要由壓縮機、回熱器、氣輪機、冷卻器和熱源構(gòu)成。直接循環(huán)條件下的熱源是堆芯，間接循環(huán)下的熱源是反應堆一、二回路之間的換熱器。低溫低壓的氣體經(jīng)壓縮機升壓，再經(jīng)回熱器高溫側(cè)流體預熱后進入熱源，吸收熱量后直接進入氣輪機做功，做功后

9、的乏氣經(jīng)回熱器低溫側(cè)流體冷卻后，再由冷卻器冷卻至所需的壓縮機入口溫度，進入壓縮機形成閉式循環(huán)。由于這種循環(huán)可以將壓縮機入口溫度控制在流體的擬臨界溫度附近，使流體密度增大，流體壓縮性較好，從而降低了壓縮功耗，提高了熱力系統(tǒng)凈效率。圖2-1 基本布雷頓循環(huán)溫熵圖圖2-2 最簡布雷頓循環(huán)流程圖 現(xiàn)有研究表明，在圖 2-2 所示的 S-CO2熱力循環(huán)方案中，回熱器高、低溫側(cè)工質(zhì)比熱容不同引起回熱器存在“夾點”的問題將對循環(huán)效率造成較大影響；為提高效率，可加入中間冷卻、分流、再壓縮等熱力過程；S-CO2布雷頓循環(huán)用于核反應堆的堆芯最佳出口溫度在 450650之間，最佳堆芯進、出口溫差在150200之間；

10、S-CO2布雷頓循環(huán)設(shè)備簡化、體積小，有利于降低投入成本和實現(xiàn)模塊化建造技術(shù)。（2）S-CO2用于核反應堆的研究現(xiàn)狀 CO2的臨界壓力為7.38 MPa，對應的臨界溫度為31，從這一性質(zhì)并結(jié)合核反應堆的工作溫度可以看出，以 S-CO2為冷卻劑的核反應堆既不同于采用液體冷卻的傳統(tǒng)壓水堆，也不同于液態(tài)和超臨界狀態(tài)共存的超臨界水冷堆，而是一種堆芯整體完全由超臨界低密度冷卻劑冷卻的氣冷堆概念。盡管英國已經(jīng)投入運行的先進氣冷堆（AGR）也采用 CO2作為冷卻劑，且出口運行溫度已達到650，但其運行壓力約為 4.2 MPa，仍屬亞臨界條件，壓縮機功耗相對較大，設(shè)備體積也相對龐大。針對采用 S-CO2作為堆

11、芯冷卻劑的先進氣冷堆，以美國、日本為主的核能發(fā)達國家目前已開展了一些研究，美國能源部下屬幾大國家實驗室及部分高校還開展了 S-CO2用作核反應堆二回路能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)的相關(guān)研究。（a）美國研究現(xiàn)狀 美國對S-CO2工質(zhì)用于核反應堆的研究主要基于 3 個方面的需求：代替現(xiàn)有的氦氣冷卻劑實現(xiàn)氣冷堆在中等出口溫度下保持較高效率的目標，解決氦氣冷堆的高溫材料問題；利用 S-CO2氣冷堆相對較高的出口溫度在中短期內(nèi)實現(xiàn)核能制氫；以 S-CO2布雷頓循環(huán)代替蒸汽蘭金循環(huán)，實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的高效率和小型化，為多功能中小型模塊化反應堆的開發(fā)提供支持。a.S-CO2氣冷堆概念研究 美國早在 20 世紀五、六十年代就

12、研究了 S-CO2用于核反應堆的可行性，并提出了一些初步的概念。S-CO2用于核反應堆系統(tǒng)時，壓縮機入口溫度在擬臨界溫度31附近，堆芯出口溫度在 500以上，回熱器的回熱量約為堆芯釋熱量的 2 倍，回熱器必須足夠高效、緊湊。但受限于當時的工業(yè)技術(shù)和高性能換熱器設(shè)計制造技術(shù)水平，這一方案被迫放棄。隨著 20 世紀 90 年代高性能換熱器設(shè)計制造技術(shù)的突破，美國從 21 世紀初重新開始了S-CO2工質(zhì)用于核反應堆系統(tǒng)的探索研究。 美國開展 S-CO2冷卻的氣冷堆概念研究主要集中在麻省理工學院（MIT）、愛達荷國家實驗室（INL）、阿貢國家實驗室（ANL）、桑迪亞國家實驗室（SAND）等研究機構(gòu)，其

13、中 MIT 的研究比較深入且較有代表性。MIT 針對用于核反應堆的S-CO2循環(huán)，在早期 Feher 循環(huán)的基礎(chǔ)上通過去掉 CO2冷凝過程并以壓縮機代替泵等方面的改進，形成了 S-CO2再壓縮直接循環(huán)模式（圖 2-3）。相比于最簡布雷頓循環(huán)，MIT 提出的循環(huán)模式設(shè)置了高、低溫回熱器并增加了再壓縮壓縮機，以解決由于回熱器高、低溫側(cè)比熱不同導致的換熱器“夾點”問題并降低冷卻器帶走的熱量以提高循環(huán)效率。在該循環(huán)中，高低溫回熱器以及冷卻器均采用 Heatric 公司設(shè)計制造的高效緊湊印刷電路板式換熱器（PCHE）。圖2-3 再壓縮布雷頓循環(huán)流程圖 MIT 在循環(huán)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，提出了 3 種熱力循

14、環(huán)參數(shù)方案：基本設(shè)計方案：最高壓力20 MPa、堆芯出口溫度 550、凈效率達 43%；先進設(shè)計方案：最高壓力 20 MPa、堆芯出口溫度 650、凈效率達 47%；高性能設(shè)計方案：最高壓力 20 MPa、堆芯出口溫度 700、凈效率可達 49%。MIT 分析認為，先進設(shè)計方案既能滿足高效率要求，也與近期的工業(yè)技術(shù)水平相適應，是一種可行的方案。 MIT 針對先進設(shè)計方案，提出了 S-CO2冷卻快堆（GFR）的總體方案。反應堆熱功率為2400 MW，電功率約 1200 MW，采用2環(huán)路或4環(huán)路設(shè)置，設(shè)計壽命 60 a；系統(tǒng)熱效率 51%，凈效率47%；堆芯進、出口溫度分別為 485.5、650，

15、運行壓力 20 MPa。核電廠總體布置簡圖見圖 2-4。圖2-4 MIT GFR整體系統(tǒng)布置圖 在堆芯設(shè)計方面，MIT 采用柱狀堆芯結(jié)構(gòu)，考慮到抑制核擴散問題，去掉了傳統(tǒng)快堆堆芯設(shè)計中的钚增殖層。這種設(shè)計必須增大燃料中可裂變材料的體積份額，因此 MIT 在傳統(tǒng)氣冷堆塊型燃料組件的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了一種 TID（Tube-in-Duct）燃料組件結(jié)構(gòu)，以滿足這方面的要求。這種燃料的元件外形為正六邊形，內(nèi)部圓孔為冷卻劑流道，冷卻劑流道與元件外表面之間填充二氧化鈾/氧化鈹燃料，冷卻劑與燃料之間的包殼材料采用ODSMA956，多個燃料元件叉排構(gòu)成一個燃料組件，如圖 2-5 所示。圖2-5 TID燃

16、料組件橫截面示意圖 MIT 針對這種堆芯結(jié)構(gòu)開展了較為細致的中子物理分析及熱工水力分析，提出了采用在燃料中加氧化鈹并利用高壓 S-CO2作為徑向反射層的方案，基本解決了快堆設(shè)計中正空泡反應性的難題。MIT 還開展了壓縮機、氣輪機、PCHE 等關(guān)鍵設(shè)備的論證設(shè)計以及能動與非能動余熱排出系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面的設(shè)計與分析，特別比較了S-CO2氣輪機與目前使用的蒸汽輪機和氦氣輪機的體積（圖 2-6），進一步證實了 S-CO2氣輪機系統(tǒng)在縮小體積方面的優(yōu)勢。圖2-6 不同汽/氣輪機體積的比較b. S-CO2能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究 美國對S-CO2用作核反應堆二回路能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)的研究主要也集中在 MIT 及 A

17、NL、INL、SAND 等國家實驗室。以 S-CO2作為二回路能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)的核反應堆一般采用液態(tài)金屬或氣體冷卻，以達到較高的堆芯出口溫度。美國對這方面的研究主要是利用 S-CO2動力系統(tǒng)高效率、設(shè)備簡化緊湊等特點開發(fā)多功能模塊化中小型核反應堆。 INL 與 MIT 聯(lián)合開發(fā)了以 S-CO2作為動力轉(zhuǎn)換工質(zhì)的鉛-鉍合金冷卻反應堆，該反應堆堆芯出口溫度為 555，S-CO2動力回路的最高運行壓力為 20 MPa，反應堆凈效率為 41%。ANL 開展了 S-CO2再壓縮循環(huán)用于一種安全可運輸式反應堆液態(tài)金屬冷卻反應堆（Star-LM reactor）的評估工作。該堆堆芯采用液態(tài)鉛作為冷卻劑，運行壓力

18、為 0.1 MPa，冷卻劑以完全自然循環(huán)的方式帶走堆芯熱量并在中間換熱器（IHX）進行熱量交換。二回路工質(zhì)為 S-CO2，最高運行壓力為20MPa。 MIT 在研究 S-CO2氣冷快堆的同時，對S-CO2布雷頓循環(huán)用于先進核反應堆動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也進行了研究，對 300 MW 電功率的直接循環(huán)和間接循環(huán)核反應堆系統(tǒng)的經(jīng)濟性、核電廠總體布置以及動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計進行了分析研究，對20 MW 電功率的簡單循環(huán)模式進行了初步設(shè)計。(b).日本研究現(xiàn)狀 日本開展 S-CO2氣冷堆概念研究主要是基于中短期內(nèi)可實現(xiàn)的先進氣冷快堆發(fā)電和制氫技術(shù)。日本針對 S-CO2冷卻的氣冷堆研究主要集中在東京工業(yè)學（TIT）。

19、TIT 在熱力循環(huán)分析與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了 S-CO2部分預先冷卻直接循環(huán)（Partial pre-cooling direct cycle）模式，該模式主要是在圖 2 所示的最簡模式上增加了分流、中間壓縮和中間冷卻過程，以降低冷卻器帶走的熱量，提高循環(huán)效率，其流程如圖 2-7 所示。圖2-7部分預先冷卻直接循環(huán)流程圖 TIT 經(jīng)過綜合分析與論證，確定反應堆熱功率為600 MW，堆芯出口溫度為 650，反應堆出口運行壓力約為7 MPa，系統(tǒng)效率為45.8%，并初步給出了核反應堆系統(tǒng)的總體布置圖（圖2-8）。TIT 初步分析認為，目前在傳統(tǒng)氣冷堆中使用的球形燃料和塊型燃料均能在 S-CO2冷卻

20、的堆芯中使用，若采用傳統(tǒng)的棒型燃料，316 不銹鋼可作為包殼材料。TIT 對堆內(nèi)隔熱材料也進行了相應的分析與論證。圖2-8 TIT提出的反應堆系統(tǒng)布置圖1-控制棒；2-堆芯；3-發(fā)電機；4-回熱器；5-氣輪機；6-中間冷卻器；7-預先冷卻器；8-氣輪機壓力容器；9-壓縮機；10-反應堆腔；11-反應堆壓力容器；12-回熱壓力容器 PCHE 是 S-CO2循環(huán)中最大的設(shè)備，其熱工水力性能對整個反應堆系統(tǒng)的效率及體積有著直接的影響。TIT 在 PCHE 的設(shè)計、改進方面開展了大量的工作，對 PCHE 通道結(jié)構(gòu)、通道內(nèi)擴展表面的設(shè)置等方面進行了大量的設(shè)計優(yōu)化。為獲得可用于 S-CO2氣冷堆內(nèi)運行環(huán)境

21、的堆內(nèi)材料，TIT 最近還建成了 S-CO2腐蝕考驗回路，并正在開展候選材料的篩選驗證試驗。(c).其余各國研究概況 除美國和日本外，許多國家也開展了 S-CO2工質(zhì)用于核反應堆相關(guān)的研究工作，但這些研究主要是針對一些局部問題，缺乏整體概念的支撐。 歐盟的捷克技術(shù)大學（CTU）早在1997年就開展了 S-CO2循環(huán)用于新一代反應堆的相關(guān)研究，并對循環(huán)中的渦輪系統(tǒng)進行了論證。韓國原子能研究院（KAERI）分析了 S-CO2循環(huán)與鈉冷快堆結(jié)合的可行性，并對 S-CO2循環(huán)中使用的 PCHE 進行了優(yōu)化設(shè)計和分析，計劃進一步開展 PCHE 熱工水力性能的實驗研究。最近，國內(nèi)清華大學核能與新能源技術(shù)研

22、究院基于MIT提出的再壓縮循環(huán)模式對S-CO2熱力循環(huán)進行了初步分析，并對 INL 提出的柱狀堆芯結(jié)構(gòu)開展了初步的物理計算分析。（3）S-CO2布雷頓循環(huán)的潛在應用對象 從國外對S-CO2工質(zhì)用于核反應堆系統(tǒng)的相關(guān)研究可以看出，S-CO2作為目前氦氣冷堆的替代冷卻工質(zhì)，在當前及中短期內(nèi)的工業(yè)水平條件下具有比較突出的優(yōu)勢，作為動力轉(zhuǎn)換工質(zhì)更容易實現(xiàn)動力系統(tǒng)效率高、系統(tǒng)簡化、體積小以及模塊化建造等目標。結(jié)合我國先進核能系統(tǒng)的發(fā)展情況，筆者認為S-CO2工質(zhì)的應用將為我國未來在氣冷堆、鈉冷快堆、熔鹽堆等先進反應堆技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)攻關(guān)提供思路和方案。（a）高溫氣冷堆 CO2工質(zhì)用作高溫氣冷堆堆芯冷

23、卻劑在英國早期的Magnox氣冷堆及以此為基礎(chǔ)改良的AGR上已有大量的運行經(jīng)驗，且AGR的運行溫度已超過650。采用S-CO2作為冷卻劑可解決傳統(tǒng)氣冷堆冷卻劑密度低、壓縮功耗大的缺點，使其在中等堆芯出口溫度下可獲得與第四代堆同等的效率，降低了對反應堆材料及相關(guān)高溫技術(shù)的要求；同時其密度相對較大的特點可進一步縮小動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的體積，降低投入成本，在保證高溫氣冷堆固有安全性的同時，進一步提高其經(jīng)濟競爭力。（b）鈉冷快堆 鈉水反應是鈉冷快堆中最主要的安全問題之一。雖然目前的鈉冷快堆一般設(shè)置一個中間鈉回路以防止蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂時鈉水反應危及堆芯，但鈉水反應產(chǎn)生氫氣仍然是鈉冷快堆主要的安全隱

24、患，而增加中間鈉回路也會削弱鈉冷快堆的熱效率。以S-CO2作為動力轉(zhuǎn)換工質(zhì)則可在原理上避免鈉水反應。已有研究表明，CO2與鈉發(fā)生作用的主要產(chǎn)物是氧化鈉、碳酸鈉、碳等固體物質(zhì)，基本不會產(chǎn)生爆炸性氣體。同時，S-CO2動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相比于蒸汽動力系統(tǒng)在體積、效率上的優(yōu)勢可進一步提高鈉冷快堆的經(jīng)濟性。（c）熔鹽堆 現(xiàn)有研究表明，S-CO2布雷頓循環(huán)熱源最高溫度在450650之間時其循環(huán)效率具有明顯優(yōu)勢，高于同等條件的蒸汽蘭金循環(huán)和氦氣布雷頓循環(huán)，且動力系統(tǒng)設(shè)備簡化、體積小，可降低投入成本。因此，針對我國目前已開展的釷基熔鹽堆研發(fā)工作，采用S-CO2布雷頓循環(huán)的動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可能是一種具有較強競爭力的方案

25、。3.超臨界二氧化碳光熱發(fā)電 美國能源部針對SunShot計劃中的太陽能光熱發(fā)電的規(guī)劃是到2020年使光熱發(fā)電的成本降至6美分每千瓦時，這無疑需要技術(shù)上的巨大進步。美國CSP聯(lián)盟創(chuàng)始人Tex Wilkins說道，從技術(shù)上來降低成本是必須要進行的。CSP行業(yè)正在不斷的進行創(chuàng)新，能源部的規(guī)劃目標如果想要實現(xiàn)，CSP技術(shù)上必將出現(xiàn)巨大突破。圖3-1 槽式超臨界二氧化碳光熱發(fā)電示意圖 超臨界二氧化碳作為工質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn)或?qū)⒋蠓凸鉄岚l(fā)電的成本。超臨界二氧化碳優(yōu)良的傳熱和流動性能具有提供發(fā)電效率的巨大潛力。而此項研究也被列入美國能源部的支持范圍之中。美國能源部針對SunShot計劃中的太陽

26、能光熱發(fā)電的總額度達5600萬美元的科研支持計劃中，共有21個項目受益其中。國家可再生能源實驗室NREL獲得的800萬美元資助是用來示范一個采用超臨界二氧化碳作為工作介質(zhì)的多元的兆瓦級發(fā)電循環(huán)。 NREL光熱發(fā)電項目領(lǐng)導者Craig Turchi表示，經(jīng)過此前的一系列研究，他們認為超臨界二氧化碳作為工質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)在高達600到700攝氏度的溫度范圍內(nèi)運行都可以有良好表現(xiàn)。超臨界二氧化碳發(fā)電可以在500攝氏度以上，20兆帕的大氣壓下實現(xiàn)高效率的熱能利用，大約可以達到45%，這將有效提高電力產(chǎn)能。美國能源部之所以支持此項研發(fā)，也是看到了此項技術(shù)在提高發(fā)電效率和降低成本方面的巨大潛力。 超臨界二

27、氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的體積更小、重量更輕、熱損更小。其應用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)效率的顯著提升。系統(tǒng)僅需要較低的熱量即可啟動發(fā)電機、其應對負荷變化調(diào)整迅速、支持快速啟停，這些優(yōu)點是普通發(fā)電系統(tǒng)所無法比擬的。SolarReserve首席技術(shù)官Bill Gould表示，此種技術(shù)對光熱發(fā)電站啟動過慢的缺陷是一種有益的改善。 NREL預期將通過兩個階段完成相關(guān)測試。首先，建立一個布雷頓循環(huán)，與熔融鹽為傳熱介質(zhì)的光熱電站耦合；然后，超臨界二氧化碳將被用作傳熱和工作介質(zhì)，類同于一個直接的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。此項試驗將會在一個10MW的光熱電站上進行測試，總耗費預計達1600萬美元，美國能源部提供其中800萬美元支

28、持。 用二氧化碳這種常見的氣體作為光熱發(fā)電循環(huán)工質(zhì)的想法已被理論驗證是可行的。和常規(guī)蒸汽發(fā)電相比，此種系統(tǒng)具有明顯高的轉(zhuǎn)換效率，同時還可以節(jié)約大量水資源，這在陽光資源好但水資源緊缺的地區(qū)是十分有益的。（1）超臨界CO布雷頓循環(huán)可使光熱發(fā)電降低10%的LCOE（平準化能源成本） LCOE依然是光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的最重要影響因子，新技術(shù)的革新可以幫助我們找到更具成本效益的CSP解決方案。美國能源部通過SunShot計劃的實施以推動使太陽能熱發(fā)電的LCOE在2020年降低75%，達到6美分/千瓦時，其于去年6月份批準了最大規(guī)模的光熱發(fā)電科研支持計劃，共計撥款5600萬美元支持21個CSP相關(guān)項目。在一個

29、布雷頓循環(huán)中，加熱并壓縮二氧化碳產(chǎn)生超臨界狀態(tài)的二氧化碳（簡稱S-CO）并利用其作為傳熱介質(zhì)可顯著提高CSP電站的效率。這種技術(shù)也成為了Sunshot計劃重點支持的方向。包括Brayton能源公司、國家可再生能源實驗室、西南研究所等多家單位都獲得了資金支持研究與此相關(guān)的技術(shù)。S-CO對光熱發(fā)電的LCOE到底將造成何種影響？為此，進行了相關(guān)分析。美國能源部認為，太陽能發(fā)電的成本下降應從三個方面著手：降低技術(shù)成本、降低并網(wǎng)成本、促進規(guī)?；蚧瘧?。如果再加上一點，應歸于提升電站效率。S-CO的應用即可達到此目標。在最樂觀的情景分析下，S-CO可幫助提高8%左右的發(fā)電效率。（a）超臨界CO系統(tǒng)S-

30、CO系統(tǒng)是一種高級電力循環(huán)系統(tǒng)，其采用二氧化碳作為工作介質(zhì)、在封閉的布雷頓熱力循環(huán)中循環(huán)做功，熱電轉(zhuǎn)換效率遠高于以蒸汽作為工作介質(zhì)的傳統(tǒng)蒸汽輪機和以燃氣為介質(zhì)的燃氣輪機。美國桑迪亞實驗室和NREL正在研究S-CO應用于塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的潛在影響，這是因為塔式技術(shù)可實現(xiàn)更高的工作溫度，能更好的驗證S-CO的效能。但同時，這并不意味著S-CO不能應用于槽式系統(tǒng)。a.削減CAPEX(資本性支出)S-CO對光熱發(fā)電CAPEX的影響還在研究之中，尚未形成十分權(quán)威的研究成果。根據(jù)2006年有人做過的一份相關(guān)研究，相較傳統(tǒng)的郎肯循環(huán)，S-CO布雷頓循環(huán)可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)20%25%的成本下降。NREL已經(jīng)將20

31、%作為其研發(fā)目標，對于整個電站的CAPEX而言，電力系統(tǒng)的投資成本占總成本的11%左右，這意味著20%的電力系統(tǒng)投資削減將帶來2.2%的CAPEX削減。但同時，S-CO電力循環(huán)系統(tǒng)的應用可能將增加儲熱的成本。這些研究目前還未能得到驗證，為彌補這種不確定性，本文所應用的敏感性分析模型對S-CO對光熱發(fā)電CAPEX的影響采取1.65%2.75%的寬泛數(shù)據(jù)進行分析。b. OPEX影響從目前的研究來看， S-CO的應用對光熱發(fā)電的OPEX沒有直接的影響。c.效率和性能目前在各方面綜合表現(xiàn)最為優(yōu)秀的太陽能熱電技術(shù)應為塔式配空冷的技術(shù)路線，其熱電轉(zhuǎn)換效率為41%42%。據(jù)NREL的分析，S-CO電力循環(huán)可

32、將這種電站的效率提升至44%50%。所應用的敏感性分析模型采取7.5%的提高比例進行分析。 以一個100MW、配置6小時儲熱的塔式光熱電站為例進行分析，下表是該電站的各項參數(shù)。在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，來研究采用超臨界二氧化碳循環(huán)后對各項參數(shù)的影響。 根據(jù)LCOE的計算公式，我們來計算當采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)后，按照上文采取的設(shè)定數(shù)據(jù)來計算對LCOE造成的影響。（式中r:貼現(xiàn)率，n：電站壽命期，CAPEX=總的項目初始投資；OPEX=運維總支出；Electricity Generated=發(fā)電量。） 圖3-2顯示的是，CAPEX削減和LCOE降低的對應關(guān)系、性能即效率提升和LCOE降低的

33、對應關(guān)系。參照電站的LCOE是14.42歐分/kwh，CAPEX從參考電站的成本降低2.75%后，實現(xiàn)LCOE降至14.07歐分/kwh，降幅1.5%。而如果提高7.5%的運行效率，則可以使LCOE降低至13.41歐分/kwh左右，降幅6.98%。圖3-2 CAPEX削減以及性能效率提升和LCOE降低的對應關(guān)系 更有意義的結(jié)果是，如果將CAPEX降低和效率提升兩個方面綜合起來進行分析，如圖3-3，提升1.5%的效率，降低1.65%的CAPEX，可以實現(xiàn)LCOE降低2.91%，達到14歐分/kwh。如果提升4.5%的效率，降低2.2的CAPEX，可以實現(xiàn)LCOE降低6.16%，達到13.53歐分

34、/kwh左右。圖3-3 CAPEX降低和效率提升綜合曲線圖 從此可以看出，邊際變化越大，結(jié)果也越理想。最為理想的情景是實現(xiàn)CAPEX降低2.75%，效率增加7.5%。這將可以幫助光熱發(fā)電實現(xiàn)9.23%的LCOE削減，達到13.1歐分/kwh。 在實現(xiàn)CSP成本降低75%的SunShot規(guī)劃目標下，S-CO的應用預期可以幫助實現(xiàn)10%左右的成本削減。 如果期待太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)在LCOE削減方面一夜之間實現(xiàn)重大突破，結(jié)果一定是失望的。LCOE削減不是一朝之功，采取二氧化碳超臨界布雷頓循環(huán)發(fā)電等類似的變革性技術(shù)將大大助力光熱發(fā)電及早邁向平價上網(wǎng)。目前需要做的，就是將此類新技術(shù)盡快實現(xiàn)工業(yè)化應用。4. 超臨界二氧化碳在余熱方面的應用