【能源】二氧化碳发电来了!全国产化!

发表时间:2021-12-10 11:48
目前,中国有近60%电力是由燃煤电厂提供的。一般燃煤电厂的主要设备是三大件:锅炉、汽轮机和发电机。

他们是这样“合作”的:锅炉把水“烧开”产生高温高压蒸汽,蒸汽进入汽轮机,经过一系列喷嘴和动叶,将蒸汽热能转化为汽轮机转子旋转的机械能,进而带动发电机进行发电。
以上是传统套路,而只要将二氧化碳好好利用一番,就能不走寻常路
在当前节能减排的大背景下,全球范围内电厂都在致力于提高效率。在蒸汽发电领域,提高蒸汽温度有助于提升发电效率。不过一旦蒸汽温度达到700摄氏度,二氧化碳循环将比现有的水蒸汽循环更有效率。

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具体的做法就是将二氧化碳升压、加热,使其压力和温度超过一定限值,处于“超临界”状态,兼具气体特性和液体特性。此时的二氧化碳体积比常温常压时的气态有明显减小,这样一来,涡轮机的尺寸就可以减小。
昨天(12月8日),我国自主研发建造的国内首座大型二氧化碳循环发电试验机组完成72小时试运行,在西安华能试验基地正式投运。

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刚刚投运的二氧化碳循环发电试验机组,看上去比传统的水蒸气机组小了不少。它身体里流动的不再是水和蒸汽,而是二氧化碳。
循环利用二氧化碳驱动发电机发电,与传统蒸汽发电相比具有三大优势。

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据华能西安热工研究院董事长苏立新介绍,一是体积小,同等装机容量,二氧化碳发电机组体积只有蒸汽机组的1/25;二是效率高,在600℃温度下,发电效率比蒸汽机组高3至5个百分点;三是污染小,采用二氧化碳机组的燃煤电厂,单位发电量碳排放强度可减少10%。

这台由我国华能集团历经7年自主研发制造的二氧化碳循环发电试验机组,攻克了近千项技术难题,核心设备国产化率达到100%,申请专利超过400项。它的成功投运,不仅可以提升火力发电效率,还可以作为调峰电源,促进风电、光伏发电等清洁能源的消纳利用。

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华北电力大学校长、中国工程物理学会副理事长杨勇平说,二氧化碳循环发电在世界上属于前沿领域。它的灵活性好,可以快速启停,快速变负荷,这对于消纳新能源是非常有利的。

专家介绍,未来,二氧化碳循环发电技术还将进一步应用于灵活火电、高效光热、核电、储能等领域,为推动构建以新能源为主体的新型电力系统提供技术支撑。

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超临界二氧化碳简介

      超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,s-co2 )是指温度和压力均在临界点以上的二氧化碳流体。超临界二氧化碳具有超临界流体流动性好传热效果高压缩性小适于热力循环的独特性质,再加上二氧化碳临界温度和压力较低,远远低于水的临界点,化学性质稳定工程可实现性较好,可在接近室温条件下达到超临界状态,使超临界二氧化碳称为理想的热力循环工质。
       二氧化碳的临界点温度约为摄氏31度,压力约为7.8MPa(78个大气压),将二氧化碳加压加温到这个临界点压力和温度之上就能得到超临界二氧化碳 (sco2)。在接近临界点时,sco2具有接近液态的密度和比热容,但其粘性接近于气态。如果将其用来做动力循环的工质,如朗肯循环和布雷顿循环,它能够在很小的体积内传递很大的能量。




超临界二氧化碳发电技术


sco2工质的优异性


      例如同样300MW的额定发电功率,以sco2为工质的膨胀机的体积是以水蒸气为工质的蒸汽轮机的1/100.由于sco2 在传递能量方面的优异特性,将它用于动力循环中能显著提高循效率。2004年,MIT的Dostal等人计算了将sco2用于下一代核反应堆的可行性,结果表明,采用一级再压缩和两级回热的sco2布雷顿循环,在热源温度650度,压比超过3时热功率转换效率>50%。再加上该效率对环境温度不敏感非常适合于无水冷却,这使得超临界二氧化碳布雷顿循环特别适合于太阳能光热和新一代高温冷堆核电站,能够给这两个行业带来颠覆性变化。


sco2循环发展前景


       当前我国环境急剧恶化,究其原因,一次能源中煤炭的比例过大是最重要的因素,因此,能源结构调整迫在眉睫,加大天然气、核能和新能源的比例是解决问题的关键。与此同时,大量的低温余热可回收利用。sco2的布雷顿循环可以用于前者,其大于50%的热电转换效率对太阳能发电和新一代高温气冷堆核电行业极具吸引力。sco2朗肯循环可以用于后者,它的工质无毒无害,是有机朗肯循环无法比拟的而其体积小效率高的优势又有取代传统蒸汽轮机的趋势因此,发展 SCO2动力循环对节能减排和新能源产业(尤其是太阳能热发电和核能)具有颠覆性的意义。




      整体来看,SCO2布雷顿循环发电系统的研发在全球范围内目前仍是一个新课题,但其优良的特性和对发电技术可能带来的颠覆已经受到了越来越广泛的认知,其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快,市场前景十分广阔。
      然而,目前国内电力系统对sco2循环技术的认知还处于十分初级的层面,对该系统进行研发和示范的机构也少之又少。

sco2发电技术前景


       从文献研究来看,超临界二氧化碳的应用在上世纪就有多方面的研究,美国海军上世纪70年代就有人进行超临界二氧化碳循应用于舰船发电方面的研究,这从麻省理工1977年的一篇硕士论文可见一斑。

     本世纪以来,在能源、环保问题加剧的情况下,超临界二氧化碳发电更是引起各国的关注。从2007年以来,美国已经举办了四届(分别在2007、 2009、2011、2014年举行)超临界二氧化碳发电循环的国际会议,除美国外,英、德、日、韩、西班牙等均有研究人员参会。

     从超临界二氧化碳发电循环的发展来看,可应用于核能矿石燃料太阳能地热发电,也可衍生于工业废热回收等,在舰船的应用上,在提高发电效率,节省能源,减小发电系统体积和重量等诸多方面均有优势。

苏州市压铸技术协会转自能源日参公众号


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