CSPPLAZA光热发电网报道：近日，本网发布的一则《美国西南研究院联合GE研发的超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试》的新闻在光热发电行业朋友圈广泛传播。
超临界二氧化碳涡轮机可用于超临界二氧化碳循环光热发电系统，该涡轮机的成功研发对超临界CO2光热发电技术的商业化具有重要意义。
当前，包括美国、中国、法国、日本等多个国家的科研机构和相关企业都在进行超临界二氧化碳发电技术的研究和产业化布局。
表：已展开超临界二氧化碳发电技术研究的国内外部分相关单位
为何要发展超临界二氧化碳发电技术？
超临界二氧化碳(S-CO2)发电技术采用S-CO2布雷顿循环，是一种用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环技术。
目前承担基础负荷的发电形式主要是火力发电（锅炉+汽轮机），该能量转换系统采用的工质是水-水蒸汽。锅炉主要是提供热源（燃煤），水在封闭管路中经升压后到锅炉中去吸热，然后再进入汽轮机膨胀做功，推动汽轮机旋转进而驱动发电机向电网供电。水的临界点为温度T=374℃(647 K)、压力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先进的超超临界火电机组运行参数情况为：温度高于593℃，水蒸汽压力高于31MPa。
而超临界二氧化碳电力循环系统，其主要的核心部件包括压缩机、透平、回热器、冷却装置、吸热装置等。工质CO2的临界温度为 31℃（304K），临界压力为 7.38MPa（73.8bar）。该系统可以实现较高的热电转换效率并超越传统的蒸汽轮机。同时，处于超临界状态下的CO2具有高的流动密度、传热性、粘度低，可以大大减小系统中涡轮机械和换热器的结构尺寸，降低运行维护成本。
此外，二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用作热力循环工质。
超临界二氧化碳+光热发电会产生什么效应？
目前常见的光热电站多用导热油、熔盐或直接用水蒸汽做传热流体，通过上述传热介质将光场收集到的热量传给机组，但流体的性质限制了机组性能。如导热油温度上限为400摄氏度左右，硝酸盐则为590摄氏度左右。
而较高的运行温度意味着较高的循环热效率和能更有效的储热。超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供500到800℃的温度，这是应用目前光热发电技术很容易达到的温度。
NREL主持超临界二氧化碳布雷顿循环10MW级示范项目的高级工程师和主要负责人Craig Turchi曾表示，经过一系列研究，我们认为超临界二氧化碳作为工质的光热发电系统在高达600到700摄氏度的温度范围内运行都可以有良好表现。
超临界二氧化碳发电可以在500摄氏度以上，20兆帕的大气压下实现高效率的热能利用，可以轻松达到45%以上，这将有效提高电力产能。美国能源部之所以支持此项研发，也是看到了此项技术在提高发电效率和降低成本方面的巨大潜力。
此外，超临界CO2透平如果用于地面发电厂，除了体积小、重量轻之外，还可以不用水，适合荒漠缺水地区的应用，是太阳能光热发电的理想选择，使用CO2做工质时，不存在工质冻结的问题，管路上不用电伴热，施工简单，并可显著降低成本。其应用于太阳能光热发电系统可实现效率的显著提升。系统仅需要较低的热量即可启动发电机、其应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，这些优点是普通发电系统无法比拟的。
SolarReserve首席技术官Bill Gould曾表示，此种技术对光热发电站启动过慢的缺陷是一种有益的改善。
作为一种在全球范围内尚处于发展阶段的发电形式，目前光热发电的优势和短板都非常明显，而制约其发展的最大短板是成本问题，而超临界二氧化碳技术的发展无疑可大大提升光热电站的效率，进而大大降低其成本。
研发和商业化应用速度正逐步加快
事实上，超临界二氧化碳布雷顿循环的相关研究，国际上早在20世纪六七十年代就开始了。由于其功率密度高，对轮盘和叶片的性能要求很高，当时的加工工艺难以满足。直到90年代以后，随着高精度数控机床的应用，相关制造工艺得以突破，相关的研制工作才开始进行。
本世纪以来，在能源、环保问题加剧的情况下，超临界二氧化碳布雷顿循环技术更是引起各国的关注。美国在这方面尤其积极，美国能源部（DOE）于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，由美国桑迪亚（Sandia）国家实验室-核能系统实验室（NESL）承担相关的实验研究。
在技术成熟度和应用领域推进规划方面，美国能源部（DOE）已开展实施10MW示范项目时即讨论了市场应用和推进时间表。该计划主要分为以下进程：2015~2020年，实现在工业余热利用领域的应用，效率超过ORC循环机组的方式；2020~2025年，实施光热发电领域的应用，在10~100MW功率等级内效率超过蒸汽轮机；2025年以后研发实施化石燃料SCO2电厂、第四代核电和直燃式SCO2发电装置。
而本文此前发布的新闻《美国西南研究院联合GE研发的超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试》则意味着DOE的上述计划已取得重大进展。
图：超临界二氧化碳涡轮机
中国关注与参与度不断提升
除了领跑者美国以外，其他各国也在此领域加快研发步伐，尤其是中国也开始愈发重视该技术的发展，相关企业也在积极参与并已取得一定进展。
国内从2012年左右开始针对此领域进行研究，中国核动力研究设计院、西安热工院、中船重工 711 研究所等企业机构联合相关高校和研究所开始在系统理论、零部件加工等方面进行探索。
本网针对近年来国内相关单位在该领域的动态进行了如下汇总：
2015年9月，上市公司金通灵公告根据市场需求分析结合自身资源能力，自主开发S-CO2布雷顿循环发电系统与技术。委托中科热物理所提供S-CO2技术咨询服务，期限为36月。该公司计划从关键技术研发到小规模系统示范，再到与太阳能聚光和储热系统联调中试，为S-CO2布雷顿循环发电系统的产业化奠定基础，从而占领市场制高点，引领太阳能热发电和高温核能的技术创新。
2017年3月，哈电集团哈尔滨锅炉厂有限责任公司与西安热工研究院签订了5兆瓦超临界二氧化碳循环发电试验平台项目锅炉设备合同，参与建设二氧化碳循环发电试验台。
2018年2月，由中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台MW级超临界二氧化碳压缩机，在中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司燃气轮机分公司完成加工装配，成功交付工程热物理研究所衡水基地。压缩机是超临界二氧化碳布雷顿循环系统的核心部件之一，它的研制成功，是我国在超临界二氧化碳布雷顿循环系统研究领域的一次重大突破。
图：国内首台兆瓦级的超临界二氧化碳压缩机（图片来自中国科学院工程热物理研究所网站）
2018年5月，超临界CO2太阳能热发电技术入选了中国电机工程学会学术工作委员会主任委员周孝信院士、中国电机工程学会副秘书长陈小良发布的《能源动力领域十项重大工程技术难题》。
2018年6月15日，首航节能与法国电力在北京举行S-CO2循环光热发电技术研发项目启动仪式。双方将凭借各自在光热领域的技术积累，共同开发高效率的光热发电技术，旨在降低光热发电成本。同时，这项技术将用于改造首航节能敦煌10MW塔式，这将成为中国乃至全球范围内首个超临界二氧化碳光热发电技术的实际案例。
图：正在利用超临界二氧化碳技术改造的首航节能敦煌10MW熔盐塔式光热电站
2018年8月，科技部发布了《科技部关于发布国家重点研发计划“智能机器人”等重点专项2018年度项目申报指南的通知》，其中“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究（基础研究类）”被列入“可再生能源与氢能技术”，是“太阳能”创新链（技术方向）的重点研究任务。
2018年9月21日，我国首座大型超临界二氧化碳压缩机实验平台在衡水基地正式建成。实验平台是用于测试超临界二氧化碳压缩机工作性能和开展超临界二氧化碳流体压缩特性相关基础实验的通用平台，还可以用于开展高速转子测试、轴承测试和密封测试等实验。
图：超临界二氧化碳压缩机实验平台（测试系统）（图片来自中国科学院工程热物理研究所网站）
2018年11月，我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳（S-CO2）换热器综合试验测试平台”在中国科学院工程热物理研究所廊坊中试基地建成。
2019年4月，中科衡发公司与广州同益公司和华电同德公司在中科衡水创新动力研发基地，举行超临界二氧化碳发电装备产业化签约仪式，此次合作将推进超临界二氧化碳换热器和压缩机等产品的生产与销售。
需要攻克哪些技术难点？
超临界二氧化碳机组目前已接近商业化，按照NREL的工作思路，先从简单的超临界CO2布雷顿循环入手，一步步挖掘潜力，提高系统性能，增加采用能够大幅提高效率的技术措施，具体如下：
1）增加透平进口温度：从500摄氏度提高到700摄氏度或更高。
2）压缩过程由两步完成。即有主压缩机，还有“再压”压缩机。
3）使用压缩机中间冷却。
4）透平也分两级，并对排出的工质再热。
5）压缩机和透平为分轴式，使其各在优化的转速运行。
6）增加底循环，如朗肯循环或串联的超临界CO2循环。
但在具体工程实施过程中，需要解决的技术难点如下：
1）高温高压的超临界二氧化碳对金属材料的腐蚀特性；
2）回热器、吸热器等装置中的流动传热特性；
3）高速轻型转子的制造及平衡、高压密封、高速轴承系统。
综上，超临界二氧化碳发电技术及装置已经逐步从实验阶段发展到商业化的临界点。众多商业机构如发电公司、零部件供应商、设计研发企业开始形成产业联合体。世界范围内已经有多台1-10MW级别的机组处于商业示范运营阶段。更高功率和参数等级的机组正在设计研发阶段，各研究及商业机构均试图抢占最前沿的技术领域和未来产品市场。
同时，虽然超临界二氧化碳光热发电技术研究尚处于起步阶段，在中国甚至全球范围内对该项技术的研究也属于新课题。但是，其优良的特性和对发电技术可能带来的颠覆已经得到了大众越来越广泛的认知，其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快。
按照美国能源部此前制定的计划，希望通过该技术的研发，到2020年将太阳热发电电价降到6美分/kWh；热机采用干冷不用水，循环效率大于50%。在2020年实现降低75%成本的目标，使太阳能发电于2030年占全美电力的14%，2050年占27%。
随着超临界二氧化碳循环技术的不断发展完善，超临界二氧化碳光热发电技术开始跨入商业化应用临界点，光热发电技术有望籍此弥补其成本过高的缺陷，获得跨越式发展，这将为太阳能光热发电产业开创更光明的未来。
