我國首臺自主研制的超臨界二氧化碳發(fā)電機組成功交付用戶使用
近日，我國自主研制的國內(nèi)首臺6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機組，已經(jīng)完成了機械運轉(zhuǎn)試驗并順利出廠交付用戶。這一結(jié)果，標志著設(shè)計制造商的核心技術(shù)成功應(yīng)用于又一全新領(lǐng)域，這對于推動我國超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)商業(yè)化具有里程碑意義。
據(jù)悉：這款*新研發(fā)成果，是由中國船舶集團所屬重慶江增船舶重工有限公司自主研制的，整機性能達到了國際領(lǐng)先水平。江增重工是目前國內(nèi)唯一一家取得兆瓦級超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機組商業(yè)合同的廠家，產(chǎn)品從設(shè)計到交付使用，整整歷時3年。
目前，隨著能源、環(huán)保問題加劇，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)已是全球發(fā)電領(lǐng)域*新*熱的研究方向。江增重工研制的這款發(fā)電機組，系統(tǒng)熱效率可超過50%，比*先進的蒸汽動力循環(huán)高出25%，這將有效提高發(fā)電效率，縮短電廠建設(shè)周期，并顯著降低成本，同時適用于荒漠缺水地區(qū)。這些優(yōu)點都是普通發(fā)電系統(tǒng)無法比擬的。未來可替代傳統(tǒng)蒸汽輪機和氦氣輪機發(fā)電機組，應(yīng)用范圍和前景廣闊。
科普知識：
目前承擔基礎(chǔ)負荷的發(fā)電形式主要是 火力發(fā)電（鍋爐+汽輪機），其能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用工質(zhì)為 水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源（燃煤），水在封閉管路中經(jīng)升壓后到鍋爐中去吸熱，然后進入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)進而驅(qū)動發(fā)電機向電網(wǎng)供電。水的臨界溫度為374攝氏度、壓力為22.05兆帕。目前*先進的超臨界火電機組運行參數(shù)為溫度高于593攝氏度，水蒸汽壓力高于31兆帕。而超臨界二氧化碳電力循環(huán)系統(tǒng)采用工質(zhì)CO2的臨界溫度為 31攝氏度，臨界壓力為 7.38兆帕，可實現(xiàn)高效率的熱能利用并超越傳統(tǒng)的蒸汽輪機。
相關(guān)技術(shù)進展：
我國能源結(jié)構(gòu)將從化石能源主導的時代進入以可再生能源和化石能源長期共存的多元化時代。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電由于其獨特的優(yōu)勢，是未來高效靈活火電、高溫光熱發(fā)電、新一代核電、余熱發(fā)電和先進艦船動力系統(tǒng)的研究熱點。
目前，超臨界二氧化碳（SCO2）發(fā)電技術(shù)裝置已經(jīng)從國家級科研機構(gòu)與高校的研究及實驗階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點。眾多的商業(yè)機構(gòu)如發(fā)電公司、零部件供應(yīng)商、設(shè)計研發(fā)企業(yè)開始形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多臺1-10MW級別的機組處于商業(yè)示范運營階段。更高功率和參數(shù)等級的機組正在設(shè)計研發(fā)階段，各研究及商業(yè)機構(gòu)均試圖搶占*前沿的技術(shù)領(lǐng)域和未來產(chǎn)品市場。
從國別來看，美國、日本、韓國、法國均在系統(tǒng)研究、機組設(shè)計、零部件加工及系統(tǒng)示范驗證方面開展了較多的工作。美國目前是毋庸置疑的技術(shù)領(lǐng)先者，預(yù)期其在近年內(nèi)完成商業(yè)示范，在3-5年將形成1-10MW級超臨界二氧化碳機組完整產(chǎn)業(yè)鏈和成功商業(yè)案例。中國國內(nèi)目前還處在理論研究和小型示范機組建設(shè)規(guī)劃籌建階段，少數(shù)廠商有試制計劃和生產(chǎn)能力，與美國差距較為明顯。
2018年9月，中國科學院工程熱物理研究所衡水基地傳來喜訊，新工質(zhì)發(fā)電團隊完成了我國首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機實驗平臺的建設(shè)工作。兆瓦級SCO2 壓縮機通用實驗平臺的建成投運，終結(jié)了我國相關(guān)研究缺乏實驗條件的歷史，為研究所深入開展SCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究打下堅實的基礎(chǔ)，也為國內(nèi)從事此項研究的其它科研單位提供了實驗支撐。
該實驗平臺是用于測試SCO2壓縮機工作性能和開展SCO2流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實驗的通用平臺，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試、軸承測試和密封測試等實驗。該平臺可調(diào)制7～9MPa、0～35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機出口壓力可以達到20MPa 以上；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速*高可達40000r/min以上，流量*大達到30kg/s；可進行百kW到MW級SCO2壓縮機的精密連續(xù)測試，是目前我國唯一的兆瓦級SCO2壓縮機實驗平臺，也是世界上規(guī)模*大等級*高的同類實驗平臺。
石灰行業(yè)相關(guān)前沿技術(shù)鏈接：
在石灰行業(yè)中，生產(chǎn)石灰所用的石灰石中含有44%成分的二氧化碳，煅燒后產(chǎn)生同數(shù)量的二氧化碳氣體，目前在工業(yè)制備回收二氧化碳方法中石灰石煅燒方法是產(chǎn)生二氧化碳含量*高的方法。在石灰生產(chǎn)中，如果把二氧化碳回收后用于工業(yè)應(yīng)用將產(chǎn)生可能大于石灰經(jīng)濟效益，如果全部回收用于發(fā)電可以代替石灰生產(chǎn)中的煤炭或氣體等燃料成本。
目前，采用石灰窯窯氣回收二氧化碳發(fā)電并直接用于電燒石灰生產(chǎn)技術(shù)只有唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團旗下的“唐山金泉成套設(shè)備有限公司”和“唐山市豐南區(qū)金泉冶金能源新技術(shù)開發(fā)有限公司”（以下簡稱唐山金泉公司）擁有的多項自主知識產(chǎn)權(quán)的專利和專有技術(shù)，該項系列技術(shù)已經(jīng)在2012年11月被“中國石灰產(chǎn)業(yè)學會”立項并重點支持的研發(fā)課題，命名為“1211工程”。截止目前，唐山金泉公司已經(jīng)完成了“石灰窯回收二氧化碳電燒石灰系列技術(shù)”、“二氧化碳膨脹做功發(fā)電系列技術(shù)”、“二氧化碳冷能差壓發(fā)電系列技術(shù)”、“石灰窯爐內(nèi)產(chǎn)物氣載熱循環(huán)富集高濃度CO2系列技術(shù)”、“電能無焰燃燒生產(chǎn)石灰技術(shù)”等專利技術(shù)的中試和工業(yè)化應(yīng)用的工作，多項技術(shù)具備了工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，部分關(guān)鍵技術(shù)中間試驗項目也取得了突破性進展。
從目前測試的各項數(shù)據(jù)看，石灰窯回收的二氧化碳氣體所發(fā)電能只要達到實際煅燒石灰所用電能的50%就可以與煤炭生產(chǎn)石灰的燃料成本持平，所發(fā)電能如果達到100%就可以完全替代燃煤能耗成本。從目前唐山金泉公司的多項二氧化碳發(fā)電技術(shù)原理看，主要采用的是二氧化碳閉路循環(huán)利用的方法，即采用物理法實現(xiàn)的，是采用多級循環(huán)儲能做功，嚴格意義講二氧化碳在發(fā)電過程中并沒有“燃燒”消失而是多級儲能做功利用進行發(fā)電，這個就是利用了二氧化碳的物理特性進行能量轉(zhuǎn)換的，用一句話來說明就是“質(zhì)變產(chǎn)生了量變，量變產(chǎn)生了能量”。
中國石灰產(chǎn)業(yè)學會與北方爐窯協(xié)會專家組通過對該項技術(shù)的跟蹤調(diào)研后指出：唐山金泉公司率先研發(fā)應(yīng)用的系列二氧化碳發(fā)電技術(shù)具有環(huán)境友好、熱效率高、經(jīng)濟性好等特點，是未來清潔高效發(fā)電技術(shù)和能源綜合利用技術(shù)的熱點研究方向，是一項將帶來石灰生產(chǎn)變革的新技術(shù)。同時，該項技術(shù)也是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要有計劃地整合各方資源、有意識地組織廣泛的合作才能取得實質(zhì)性的突破。建議學會統(tǒng)籌好行業(yè)內(nèi)各項資源，鼓勵高校科研機構(gòu)與企業(yè)積極行動，有規(guī)劃有分工地加入此項目技術(shù)攻關(guān)，支持產(chǎn)學研協(xié)同合作。同時，我們也期盼唐山金泉公司繼續(xù)用自身的努力在二氧化碳資源化科技創(chuàng)新與成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化、綠色清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣、傳統(tǒng)制造業(yè)綠色工藝技術(shù)改造、建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展產(chǎn)業(yè)體系中為整個行業(yè)帶來表率和示范。
文稿編輯：
中國石灰產(chǎn)業(yè)學會
孫菲
2020年06月09日
