超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

鄧清華，胡樂豪，李 軍，豐鎮(zhèn)平

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所， 西安 710049；2.陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

從20世紀(jì)40年代第一臺(tái)燃煤機(jī)組投入運(yùn)行起，大型發(fā)電技術(shù)一直朝著高參數(shù)、大功率方向發(fā)展，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低單位功率的建設(shè)與運(yùn)行成本。然而，高參數(shù)和大功率也使得發(fā)電機(jī)組體積龐大，循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜，這對(duì)材料強(qiáng)度、設(shè)備制造、運(yùn)行控制等均提出了更高的要求。

20世紀(jì)60年代，Angelino[1]注意到燃煤發(fā)電技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)所面臨的問題，主要分析了提高動(dòng)力循環(huán)效率、縮小機(jī)組尺寸和降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等關(guān)鍵問題。Feher[2]在朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上提出了超臨界循環(huán)。兩位學(xué)者均論證了以CO2為工質(zhì)的熱力循環(huán)可以大幅提高循環(huán)效率，減小部件尺寸。但當(dāng)時(shí)受到換熱器和透平設(shè)計(jì)水平的限制，該循環(huán)方案未能得到進(jìn)一步發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以超臨界二氧化碳(SCO2)為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)再次受到關(guān)注。研究人員提出將SCO2動(dòng)力循環(huán)應(yīng)用于傳統(tǒng)發(fā)電和新能源發(fā)電領(lǐng)域[3-4]，以提高循環(huán)熱效率，縮小發(fā)電機(jī)組尺寸，降低大型電站的投資成本[5]。

本文介紹了當(dāng)前SCO2動(dòng)力循環(huán)的循環(huán)方案，以研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目為主線，綜述了國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)、動(dòng)力部件以及電廠示范項(xiàng)目的相關(guān)研究狀況與存在的問題，比較了SCO2動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)與當(dāng)前傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，分析了當(dāng)前面臨的問題，以此為大型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 SCO2動(dòng)力循環(huán)的類型

SCO2動(dòng)力循環(huán)一般可分為間接加熱和直燃加熱兩種，如圖1所示。當(dāng)前研究最多、公開發(fā)表文獻(xiàn)最多是SCO2間接加熱循環(huán)方案，其具有循環(huán)系統(tǒng)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。直燃加熱方案的研究相對(duì)較少，該方案包括阿拉姆(Allam)循環(huán)以及超臨界水蒸煤循環(huán)，其燃燒產(chǎn)物(H2O、CO2)直接參與循環(huán)，循環(huán)效率能突破60%[6]，但由于需要增加分離器等裝置，循環(huán)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。

(a) 間接加熱的SCO2動(dòng)力循環(huán)

圖1 SCO2動(dòng)力循環(huán)方案

間接加熱的SCO2動(dòng)力循環(huán)方案可細(xì)分為簡單布雷頓動(dòng)力循環(huán)和再壓縮布雷頓循環(huán)兩種，如圖2所示。SCO2簡單布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備體積小，投入成本低。然而，在循環(huán)過程中工質(zhì)比熱容變化比較大，回?zé)崞髦写嬖凇皧A點(diǎn)”問題，這嚴(yán)重影響回?zé)崞鞯膿Q熱性能，降低循環(huán)效率。為解決回?zé)崞鳌皧A點(diǎn)”問題，Angelino[1]提出了分流再壓縮布雷頓動(dòng)力循環(huán)，同時(shí)該方案減少了冷卻器帶走的熱量，提高了循環(huán)效率。需要指出的是，以上所述的SCO2動(dòng)力循環(huán)方案中，透平進(jìn)口的CO2均為超臨界狀態(tài)，但是各循環(huán)差異很大，有的為布雷頓循環(huán)，有的為朗肯循環(huán)，甚至有的循環(huán)采用CO2和水蒸氣的混合工質(zhì)，非純CO2。

(a) SCO2簡單布雷頓循環(huán)

圖2 間接加熱SCO2布雷頓循環(huán)

2 國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)的發(fā)展現(xiàn)狀

世界范圍內(nèi)，美國、中國、日本、韓國等均開展了SCO2動(dòng)力循環(huán)的相關(guān)研究[7-8]，該技術(shù)不僅能應(yīng)用于新能源、核能發(fā)電，也能應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電等領(lǐng)域。本節(jié)以研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)項(xiàng)目為主線，綜述了SCO2動(dòng)力循環(huán)及部件方面的研究進(jìn)展。

2.1 美國能源部的SCO2項(xiàng)目

2.1.1 桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)

自2007年起，SNL聯(lián)合美國能源部(DOE)在SCO2壓縮系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)領(lǐng)域開展了細(xì)致深入的研究。2010年，SNL搭建了SCO2壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其中壓縮機(jī)由50 kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為75 000 r/min，壓比為1.5，工質(zhì)流量為3.5 kg/s。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于研究CO2臨界點(diǎn)附近的壓縮機(jī)運(yùn)行特性[9]。2012年，SNL搭建了熱源功率為780 kW、循環(huán)最高溫度為811 K、轉(zhuǎn)速為75 000 r/min的SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于對(duì)SCO2的再壓縮循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行原理性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該循環(huán)可以解決回?zé)崞髦小皧A點(diǎn)”問題，提高循環(huán)效率；動(dòng)力部件采用箔片軸承時(shí)轉(zhuǎn)速需要高于20 000 r/min，且需要嚴(yán)格控制軸承處的溫度；實(shí)驗(yàn)中循環(huán)最高溫度僅達(dá)到672 K[10]，轉(zhuǎn)速為59 000 r/min。另外，發(fā)電機(jī)的相關(guān)損失、壓縮機(jī)和透平產(chǎn)生的泄漏流以及轉(zhuǎn)子腔室內(nèi)的摩擦鼓風(fēng)損失是導(dǎo)致循環(huán)效率低的主要原因。需要說明的是，動(dòng)力裝置采用透平-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)同軸布置方案[11]，可有效抵消兩葉輪上的軸向推力，同時(shí)在發(fā)電機(jī)功率和軸向推力不超限的情況下，拆除透平或壓縮機(jī)中的一個(gè)，可以單獨(dú)開展另一個(gè)的氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)。

近年來，SNL在原有實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了軸承以及循環(huán)工質(zhì)參數(shù)控制方面的研究，其實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出功率為20 kW，轉(zhuǎn)速為52 000 r/min，壓比為1.65，工質(zhì)流量為2.7 kg/s。結(jié)果表明，在啟動(dòng)階段，CO2在主壓縮機(jī)和再壓壓縮機(jī)進(jìn)口處的密度不同，需要將2臺(tái)壓縮機(jī)維持相同轉(zhuǎn)速，以防止其中之一發(fā)生喘振。同時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)狀態(tài)對(duì)循環(huán)效率的影響較大，需要將壓縮機(jī)進(jìn)口的CO2控制在臨界點(diǎn)附近[12]，這給系統(tǒng)的參數(shù)控制帶來了一定的挑戰(zhàn)。

2.1.2 太陽能光熱發(fā)電SunShot項(xiàng)目

2011年，DOE的SunShot計(jì)劃向美國西南研究院(SwRI)資助490萬美元，用于其制造和測(cè)試適用于光熱發(fā)電項(xiàng)目的一種高效、緊湊的SCO2透平和印刷電路板換熱器，以大幅降低太陽能光熱發(fā)電的設(shè)備成本。該項(xiàng)目已于2017年結(jié)題[13]，為后續(xù)太陽能光熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

2014年，SwRI聯(lián)合通用電氣(GE)公司完成了10 MW等級(jí)用于太陽能光熱發(fā)電的SCO2透平設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，透平氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制造，以及轉(zhuǎn)子的高周疲勞壽命均是需要重點(diǎn)考慮的問題，同時(shí)太陽光照的不穩(wěn)定性要求透平能夠快速適應(yīng)發(fā)電過程中的負(fù)荷變化[14]。

SwRI和GE公司設(shè)計(jì)制造的透平和換熱器解決了SCO2動(dòng)力循環(huán)的兩個(gè)關(guān)鍵問題，熱電效率可以提高到50%以上，電站建造成本將低于1 200美元/kW，運(yùn)行成本為0.06美元/(kW·h)。該研究項(xiàng)目為SCO2動(dòng)力循環(huán)在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1.3 超臨界轉(zhuǎn)化電力(STEP)項(xiàng)目

SNL等機(jī)構(gòu)開展的SCO2壓縮系統(tǒng)、總體循環(huán)系統(tǒng)等方面的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明了其發(fā)電原理不存在問題。2016年，DOE提出超臨界轉(zhuǎn)化電力(Supercritical Transformation Electric Power，STEP)項(xiàng)目，其主要目標(biāo)之一是設(shè)計(jì)建設(shè)發(fā)電功率10 MW等級(jí)的SCO2太陽能光熱電廠，項(xiàng)目總投資約為8 000萬美元，旨在降低SCO2動(dòng)力循環(huán)在商業(yè)應(yīng)用方面存在的風(fēng)險(xiǎn)，并解決技術(shù)難點(diǎn)，為SCO2動(dòng)力循環(huán)進(jìn)一步大型化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。其循環(huán)系統(tǒng)的透平進(jìn)口溫度為700 ℃，循環(huán)效率超過了50%。項(xiàng)目主要由美國燃?xì)饧夹g(shù)研究院(GTI)牽頭，GE公司負(fù)責(zé)透平機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造，SwRI負(fù)責(zé)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行和評(píng)估。2018年10月該項(xiàng)目在美國得克薩斯州開工建設(shè)，計(jì)劃于2020年完工。

項(xiàng)目的建成將對(duì)SCO2動(dòng)力循環(huán)的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。SwRI借助于該示范電廠，將進(jìn)一步優(yōu)化SCO2動(dòng)力循環(huán)參數(shù)、驗(yàn)證動(dòng)力部件運(yùn)行性能和穩(wěn)定性，同時(shí)為SCO2動(dòng)力循環(huán)商業(yè)化運(yùn)行提供培訓(xùn)，積累運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)提供平臺(tái)基礎(chǔ)。

2.1.4 燃煤電站項(xiàng)目

為進(jìn)一步推動(dòng)SCO2動(dòng)力循環(huán)在燃煤電站領(lǐng)域的應(yīng)用，在DOE的資金支持下，GE公司在SwRI關(guān)于10 MW透平研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于燃煤電站450 MW再熱-再壓縮SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)以及相應(yīng)的透平部件[15-16]，循環(huán)系統(tǒng)的熱效率可達(dá)51.9%。高壓和低壓透平設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為3 600 r/min。其中高壓透平進(jìn)口總溫為700 ℃，進(jìn)口總壓為25.06 MPa，采用4級(jí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)等熵效率為90.6%；低壓透平進(jìn)口總溫為680 ℃，進(jìn)口總壓為12.96 MPa，出口壓力為6.71 MPa，采用3級(jí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)等熵效率為91.6%。高壓透平第1級(jí)葉片高度僅有71.12 mm，高壓透平第3級(jí)葉片高度僅為137.16 mm，遠(yuǎn)小于相同功率條件下的蒸汽透平尺寸。

GE公司在450 MW透平設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決了材料選擇、應(yīng)力計(jì)算和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析等問題，為更高功率等級(jí)的SCO2透平設(shè)計(jì)提供了參考。然而，受限于當(dāng)前干氣密封的加工技術(shù)，GE公司在450 MW透平設(shè)計(jì)中采用的是迷宮密封，其泄漏量(0.45%)遠(yuǎn)大于干氣密封泄漏量(0.02%)，因此透平中存在的泄漏損失將使得整個(gè)循環(huán)效率降低0.6%～0.8%。

另外，2018年DOE公布了Coal FIRST計(jì)劃，項(xiàng)目投資1 億美元，目標(biāo)是開發(fā)“靈活、創(chuàng)新、彈性、小型、變革”的適用于未來能源系統(tǒng)的先進(jìn)燃煤電廠，計(jì)劃采用SCO2發(fā)電技術(shù)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)及制造方法的進(jìn)步，發(fā)展新型先進(jìn)燃煤發(fā)電的示范系統(tǒng)。

2.2 中國的SCO2項(xiàng)目

2.2.1 重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃

2016年，西安交通大學(xué)牽頭承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/CO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目(2016YFB0600100)，主要以煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用為目標(biāo)，創(chuàng)建新型煤炭潔凈高效制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)的科學(xué)理論與技術(shù)支持，創(chuàng)立從煤炭超臨界水氣化制氫反應(yīng)器，高濕/高CO2氣氛下氫氣燃燒器，到超臨界H2O/CO2混合工質(zhì)透平發(fā)電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，并提出了相關(guān)方法，完善了關(guān)鍵技術(shù)，完成新型系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，并使系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到50%以上[17-18]。

圖3是超臨界水煤氣化制氫發(fā)電工藝流程圖，煤與超臨界水發(fā)生反應(yīng)，生成H2和CO2，H2在燃燒器中燃燒后生成H2O，與CO2組成超臨界混合工質(zhì)，進(jìn)入透平做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。這種工藝流程完全避免了NOx、SOx的排放，實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化利用，裝置大型化后，一次性投資和運(yùn)行成本將會(huì)進(jìn)一步降低。該發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于采用超臨界水煤氣化制氫，避免了傳統(tǒng)采用煤炭直接燃燒的方式，具有高效、清潔的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖3 超臨界水煤氣化制氫發(fā)電工藝流程圖[17]

2017年，華北電力大學(xué)牽頭承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目(2017YFB0601800)，該項(xiàng)目旨在解決超高參數(shù)CO2燃煤系統(tǒng)能量梯級(jí)利用、熱力學(xué)循環(huán)及熱學(xué)優(yōu)化理論，以及關(guān)鍵部件能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳遞機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問題，突破鍋爐燃燒及污染物控制、換熱器、透平及一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制鍋爐、回?zé)崞骷巴钙皆順訖C(jī)，完成1 000 MW級(jí)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)[19]。

從總體上來說，華北電力大學(xué)徐進(jìn)良教授提出的發(fā)電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)技術(shù)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)，將水蒸氣介質(zhì)替換為CO2，利用CO2在超臨界狀態(tài)附近壓縮耗功小的特點(diǎn)，采用多次再熱等措施，提高循環(huán)熱效率，大幅縮小葉輪機(jī)械尺寸。計(jì)算結(jié)果表明，1 000 MW級(jí)SCO2燃煤電廠CO2透平在進(jìn)口壓力為35 MPa，進(jìn)口溫度為630 ℃，兩次再熱溫度均為630 ℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)電效率為51.22%，比當(dāng)前世界上效率最高的超超臨界水蒸氣電廠發(fā)電效率(48.12%)高出三個(gè)百分點(diǎn)，具有非常大的優(yōu)勢(shì)。另外，該SCO2燃煤電廠的透平排氣壓力在7.8 MPa左右，而傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)透平排氣壓力在0.005 MPa左右，此時(shí)水蒸氣的質(zhì)量體積是CO2的1 900倍，因此采用CO2為介質(zhì)，可使發(fā)電系統(tǒng)容積流量大幅降低，大幅縮小葉輪機(jī)械尺寸。圖4給出了1 000 MW SCO2透平轉(zhuǎn)子的初步方案圖，即使采用雙流結(jié)構(gòu)，總長也不超過5 m。

圖4 1 000 MW SCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布置方案

2018年，中國科學(xué)院電工研究所牽頭承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”(2018YFB1501000)，該項(xiàng)目旨在為我國SCO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)在新能源發(fā)電領(lǐng)域，尤其為太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域開展相關(guān)研究。美國已于2011年開始了SunShot計(jì)劃，現(xiàn)已完成了10 MW等級(jí)SCO2太陽能光熱電站的系統(tǒng)及部件的工程設(shè)計(jì)與部分測(cè)試，并開始了示范電廠的建設(shè)，而我國目前還在SCO2太陽能光熱發(fā)電的基礎(chǔ)研究階段。

2.2.2 企業(yè)自主研發(fā)項(xiàng)目

2018年，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的我國首座大型SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在河北衡水基地正式建成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于測(cè)試SCO2壓縮機(jī)工作性能，開展SCO2流體壓縮特性研究，同時(shí)也可以開展高速轉(zhuǎn)子、軸承和密封等相關(guān)部件的性能實(shí)驗(yàn)。其設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到20 MPa，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40 000 r/min，最大流量為30 kg/s，可進(jìn)行兆瓦級(jí)SCO2壓縮機(jī)的相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為我國后續(xù)開展SCO2壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究提供了強(qiáng)有力的支撐。

另外，西安熱工研究院有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)了輸出功率為5 MW的SCO2循環(huán)發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[20]，其透平進(jìn)口溫度為600 ℃，透平進(jìn)口壓力為20 MPa，系統(tǒng)流量為80.7 kg/s，發(fā)電效率為25.4%，目前各關(guān)鍵部件已經(jīng)完成加工制造，正在進(jìn)行系統(tǒng)管路與關(guān)鍵部件的安裝與調(diào)試。

2.3 國外企業(yè)自主研發(fā)項(xiàng)目

2.3.1 Echogen Power Systems(EPS)公司

于2007年成立的美國EPS公司致力于余熱回收領(lǐng)域的研發(fā)工作，并采用CO2作為介質(zhì)。經(jīng)過5 kW、15 kW和200 kW樣機(jī)的設(shè)計(jì)試制與實(shí)驗(yàn)，于2012年成功開發(fā)了EPS100機(jī)型，主要包括換熱器、冷凝器、泵和透平4個(gè)部分，是世界上第一臺(tái)采用CO2為循環(huán)介質(zhì)的商用發(fā)電機(jī)組，其輸出功率為7.5 MW，主要用于溫度為500 ～ 550 ℃、流量為65 ～ 70 kg/s的氣體燃燒產(chǎn)物的余熱回收。需要說明的是，EPS100機(jī)組采用的是CO2朗肯循環(huán)，而非布雷頓循環(huán)，因?yàn)橐簯B(tài)CO2更容易被壓縮，且消耗更少的壓縮功，所以CO2朗肯循環(huán)比其布雷頓循環(huán)的效率更高。

EPS100機(jī)型能夠有效地將工業(yè)過程產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)換為電能，可配置為熱電聯(lián)產(chǎn)方案，進(jìn)一步提高廢熱回收的利用率。EPS公司在SunShot計(jì)劃的支持下，對(duì)EPS100機(jī)型進(jìn)行了測(cè)試。2013年，GE公司將EPS100技術(shù)應(yīng)用于艦船動(dòng)力領(lǐng)域。

2.3.2 Net Power公司

美國Net Power公司致力于開發(fā)和應(yīng)用新型動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化石燃料發(fā)電的低成本和零排放。該公司提出了阿拉姆(Allam)循環(huán)技術(shù)，即氣化后的煤經(jīng)過清潔處理后，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入燃燒器，燃燒產(chǎn)物(CO2、H2O)和經(jīng)過空氣分離器廢熱預(yù)熱的CO2混合后，直接進(jìn)入透平中做功發(fā)電，最后燃燒產(chǎn)物經(jīng)過分離器分離出H2O和CO2進(jìn)行循環(huán)，對(duì)多余的CO2進(jìn)行捕集和封存。循環(huán)主要特點(diǎn)是零排放、100% CO2捕集，發(fā)電效率高，占地面積小[21-22]。值得指出的是，該Allam循環(huán)技術(shù)與西安交通大學(xué)郭烈錦院士提出的超臨界水煤氣化制氫及H2O/CO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電系統(tǒng)較相似，只是煤炭的氣化工藝不同。

目前，Net Power公司建成了世界上首座50 MW直燃式煤氣化Allam循環(huán)系統(tǒng)，其中燃燒器和透平關(guān)鍵部件由Toshiba公司設(shè)計(jì)，印刷電路板換熱器由Heatric公司設(shè)計(jì)。該電站建于美國得克薩斯州拉波特市，已經(jīng)成功點(diǎn)火，成為全球首座零排放電站。下一步Net Power公司計(jì)劃建設(shè)500 MW天然氣Allam循環(huán)電站，目前已完成了工程設(shè)計(jì)。

經(jīng)過分析，Allam循環(huán)的高效優(yōu)勢(shì)主要是來自兩方面：(1)透平進(jìn)口工質(zhì)的溫度壓力較高；(2)將空氣分離器的余熱整合到SCO2循環(huán)中。將Allam循環(huán)用于化石燃料的發(fā)電領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電和CO2零排放，與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)方案形成競(jìng)爭(zhēng)，為清潔發(fā)電提供新的發(fā)展方向。

3 SCO2發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

與常規(guī)大型發(fā)電技術(shù)相比，大型SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)在葉輪機(jī)械尺寸方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，表1比較了SCO2透平與燃煤電站、核電站的蒸汽輪機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

表1 1 000 MW典型機(jī)組性能指標(biāo)對(duì)比

盡管SCO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)在動(dòng)力部件尺寸和循環(huán)效率方面具有優(yōu)勢(shì)，但要使其逐漸走上工程示范和后續(xù)的商業(yè)應(yīng)用之路，還需要在以下方面開展廣泛和深入的研究：

1) SCO2循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐中介質(zhì)流量大，是相同功率等級(jí)常規(guī)燃煤機(jī)組的8倍左右，是核電機(jī)組的4倍左右，而單純提高管內(nèi)介質(zhì)的流速，必然會(huì)增加流動(dòng)阻力，而增大受熱面又會(huì)增加鍋爐尺寸，因此需要特別注意CO2在鍋爐內(nèi)的阻力與受熱面的平衡問題。

2)壓縮機(jī)進(jìn)口處CO2在其臨界點(diǎn)附近，物性參數(shù)變化劇烈，同時(shí)伴隨凝結(jié)問題，這對(duì)壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和工作穩(wěn)定性有較大影響。另外，介質(zhì)密度大，CO2壓縮機(jī)和透平葉片受力較大，其流體激振以及軸系結(jié)構(gòu)布置問題也需要特別考慮。

3)SCO2介質(zhì)密度大，壓縮機(jī)和透平葉片高度低，葉片展弦比低，端部次流損失大，泄漏損失大，需要開發(fā)高效的新葉型。而且，為空氣或燃?xì)獾瘸Ｒ?guī)介質(zhì)建立的葉片流動(dòng)損失模型能否適用于CO2介質(zhì)，需要進(jìn)一步論證。

4)SCO2循環(huán)系統(tǒng)的最低壓力為7.9 MPa左右，這給CO2壓縮機(jī)和透平的軸端密封技術(shù)帶來了非常大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)輸出功率為1 000 MW的SCO2透平的初步設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，其輪轂直徑為1 000 mm，軸徑約為450 mm，然而當(dāng)前干氣密封加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的最大的密封面直徑為350 mm左右，不能滿足要求。

5)SCO2壓縮機(jī)進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)對(duì)其循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的影響，如何將其控制在臨界點(diǎn)附近，是系統(tǒng)控制需要解決的重點(diǎn)問題。

4 結(jié) 論

本文綜述了國內(nèi)外SCO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)、關(guān)鍵部件、示范項(xiàng)目等方面的進(jìn)展?fàn)顩r，分析了傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)與SCO2發(fā)電系統(tǒng)的不同，以及SCO2發(fā)電系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。SCO2動(dòng)力循環(huán)具有循環(huán)效率高、葉輪機(jī)械尺寸緊湊等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于大型發(fā)電領(lǐng)域具有很廣闊的前景。

世界范圍內(nèi)，SCO2動(dòng)力循環(huán)和相關(guān)部件的設(shè)計(jì)制造發(fā)展迅速，美國在10 MW以下的動(dòng)力循環(huán)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展，現(xiàn)已基本完成了小型試驗(yàn)裝置的原理性驗(yàn)證工作，這為后續(xù)SCO2動(dòng)力循環(huán)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，由DOE支持的STEP計(jì)劃取得了進(jìn)展，10 MW SCO2動(dòng)力循環(huán)太陽能光熱發(fā)電電廠已啟動(dòng)建設(shè)。

國內(nèi)方面，我國對(duì)SCO2試驗(yàn)裝置的研究還在起步階段，目前國內(nèi)只有西安熱工研究院有限公司和中國科學(xué)院工程熱物理研究所等建成了兆瓦級(jí)SCO2系統(tǒng)及部件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在基本理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面還需要進(jìn)一步的研究。我國現(xiàn)階段相繼啟動(dòng)了3項(xiàng)關(guān)于SCO2動(dòng)力循環(huán)在大型發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的研究，這對(duì)我國能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展與調(diào)整具有重要的意義。

目前相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了系統(tǒng)原理性驗(yàn)證、部件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等大量研究工作，但是在CO2鍋爐、壓縮機(jī)與透平、干氣密封以及系統(tǒng)控制等關(guān)鍵問題上，仍需要開展更深入的研究。