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4月26日，2024第十一屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會在內(nèi)蒙古呼和浩特盛大召開，西安熱工研究院有限公司（簡稱：西安熱工院）清潔能源技術(shù)研究所所長張一帆先生出席會議并作《超臨界CO2循環(huán)發(fā)電及其高效靈活運行調(diào)控技術(shù)》的主題報告。

圖：張一帆

以下為演講內(nèi)容。

各位專家、各位同仁，大家下午好！非常榮幸能夠在這里跟大家進行一次技術(shù)交流，今天我匯報的技術(shù)題目是《超臨界CO2循環(huán)發(fā)電及其高效靈活運行調(diào)控技術(shù)》，報告分為四個部分。

超臨界CO2光熱發(fā)電

一、背景和技術(shù)原理

首先給各位專家介紹一下超臨界CO2光熱發(fā)電背景以及一些基本的技術(shù)原理。

2020年9月22日習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話：明確提出中國將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)雙碳目標的重要途徑。隨著新能源比例的不斷提升，對電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。以水蒸氣為工質(zhì)的傳統(tǒng)熱力發(fā)電技術(shù)在能源利用效率提升和機組靈活性方面已不能滿足當前能源變革的要求。

迫切需要發(fā)展具有變革性意義的新型高效靈活熱力發(fā)電技術(shù)，支撐高比例可再生能源并網(wǎng)，對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)雙碳目標具有重要意義。

二、光熱發(fā)電技術(shù)特點

光熱發(fā)電是典型的綠色發(fā)電技術(shù)，相比于其他新能源發(fā)電技術(shù)，具備能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)供、穩(wěn)定電網(wǎng)輸出、參與調(diào)峰調(diào)頻的優(yōu)勢。但光熱發(fā)電最大的問題就是效率偏低、度電成本較高，要降低發(fā)電成本，大規(guī)模推廣太陽能熱發(fā)電技術(shù)，就要提高電站效率，一方面是裝備的開發(fā)，另一方面是循環(huán)發(fā)電技術(shù)的升級迭代。

▲政策支持

三、光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展階段

如下圖，目前，光熱發(fā)電基本處于第二代，光-電轉(zhuǎn)換效率約20%。未來要提高光熱發(fā)電效率、降低度電成本，需要開發(fā)更高溫的儲熱技術(shù)，采用更高效的熱-電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，即第三代光熱發(fā)電技術(shù)。通過效率提升，同發(fā)電功率下，大幅降低鏡場、集熱器、熔鹽的需求量，度電成本將下降50%-70%。

四、新一代光熱發(fā)電技術(shù)的典型特征

第三代光熱發(fā)電系統(tǒng)，儲熱溫度達700℃以上，同時采用熱電轉(zhuǎn)化效率更高的布雷頓循環(huán)做為動力系統(tǒng)。高效、靈活是第三代光熱發(fā)電的典型特征。

1、高效：

1)三元鹽/顆粒商用推廣，集熱溫度提升至700℃以上；

2)動力島采用超臨界CO2布雷頓循環(huán)，循環(huán)效率大幅提升。

采用CO2布雷頓循環(huán)作為動力循環(huán)，有什么好處？

如下圖所示，主汽溫度越高，CO2循環(huán)發(fā)電效率的收益越高，700℃時，CO2循環(huán)發(fā)電比水發(fā)電循環(huán)效率高出6%~8%。

2、靈活：

目前，光熱發(fā)電較燃煤發(fā)電而言更為靈活。為什么采用第三代光熱發(fā)電技術(shù)，調(diào)峰的深度和速度會大幅度提升？

因為整個水循環(huán)發(fā)電工質(zhì)流程中，有兩次相變，技術(shù)流程較長、相對復(fù)雜。CO2布雷頓循環(huán)替代水循環(huán)后，動力轉(zhuǎn)化過程中沒有相變，都是類氣態(tài)的狀態(tài)，靈活性能得到更好的釋放。

因此，采用CO2循環(huán)以后，整個光熱機組的調(diào)峰調(diào)頻能力、深度調(diào)節(jié)范圍都會得到進一步提升。

國內(nèi)外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進展

接下來，給各位專家匯報一下國內(nèi)外超臨界CO2光熱發(fā)展的研究進展。

一、國外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進展

國外光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的研究美國做的相對較多：

2010年，美國桑迪亞國家實驗室SNL：Wright等首次提出將超臨界CO2循環(huán)與太陽能熱發(fā)電結(jié)合；

2011年，美國能源部DOE發(fā)起“Sunshot”計劃以推動太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展；

2012年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO發(fā)起太陽能熱利用研究項目計劃“ASTRI”計劃；

2020年，歐盟：“Horizon 2020”正在建設(shè)歐洲第一個面向光熱應(yīng)用的MW級超臨界CO2循環(huán)機組；

2023年，美國能源部DOE等，“STEP”項目10MW超臨界CO2發(fā)電機組機械竣工。

▍美國10MWe“超臨界變革性發(fā)電”（STEP）示范試點項目

美國能源部（DOE）牽頭，美國西南研究院、GTI Energy公司和GE Vernova公司等聯(lián)合開發(fā)，投資1.69億美元。

2023年3月，成功實現(xiàn)壓縮機部分在超臨界條件下的首次運行；2023年10月，中試機組機械竣工；2024年1月，天然氣鍋爐點火加熱，將透平運行至18000rpm中間轉(zhuǎn)速；預(yù)計2025年完成整體測試。

二、國內(nèi)光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)進展

實際上，國內(nèi)光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的研究歷經(jīng)近10年，從高校到研究機構(gòu)到企業(yè)已投入了大量精力。

2015年，西安交通大學(xué)啟動國家重點研發(fā)項目（十三五），光熱超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)理論研究；

2021年，西安熱工研究院：成功投運5MW超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機組；

2021年，中科院工熱所：MW級超臨界CO2壓縮機測試成功；

2023年，中國科學(xué)院電工研究所&西安熱工院：依托國家重點研發(fā)項目（十三五）建成200kW光熱超臨界CO2機組；同年，西安熱工院完成青海50MW光熱超臨界CO2項目可行性研究。

▍國家重點研發(fā)計劃-200kW光熱超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)試驗機組

中國科學(xué)院電工研究所王志峰老師牽頭，西安熱工院負責超臨界CO2機組研發(fā)。

2022年，建成超臨界CO2機組、集熱系統(tǒng)、顆粒/超臨界CO2換熱器；2023年，超臨界CO2機組通過第三方調(diào)試；2024年，延慶基地光熱-超臨界CO2機組聯(lián)調(diào)。

西安熱工院前期研究成果

一、西安熱工院超臨界CO2發(fā)電技術(shù)研發(fā)歷程

接下來介紹一下西安熱工院在超臨界CO2發(fā)電，尤其是光熱超臨界CO2發(fā)電領(lǐng)域的研究工作。

2014年6月，西安熱工院成立超臨界流體先進動力系統(tǒng)初創(chuàng)團隊；8月，在國家自然科學(xué)基金支持下，開始探索性研究；

2015年6月，華能集團重大科技項目正式揭開序幕；12月，發(fā)改委創(chuàng)新能力建設(shè)項目獲批，加大投資力度；

歷時5年，2020年8月，整個裝置研制完成，完成在閻良基地的整機安裝；12月，超臨界CO2鍋爐點火成功。

機組調(diào)試運行近一年后，2021年11月，完成了72小時滿功率、長周期試運。

在此基礎(chǔ)，我們希望把超臨界CO2發(fā)電技術(shù)向潛在應(yīng)用方向推廣，包括新一代高效靈活火電、第四代核電、大規(guī)模電熱儲能以及高溫光熱發(fā)電。

二、西安熱工院光熱超臨界CO2發(fā)電技術(shù)研發(fā)規(guī)劃

1、國家重點研發(fā)計劃項目提供理論基礎(chǔ)：國家重點研發(fā)計劃項目——200kWe光熱發(fā)電試驗機組已完成整機第三方測試，運往延慶光熱基地。

2、華能青海50MW光熱/光伏一體化：完成華能青海50MW超臨界CO2光熱發(fā)電機組可研。

三、200kW光熱超臨界CO2發(fā)電機組

1、整體情況

接下來給大家匯報下200kW光熱超臨界CO2發(fā)電機組的整體情況，項目于2018年立項，包括整套聚光集熱及動力系統(tǒng)，聚光集熱系統(tǒng)由中國科學(xué)院和清華大學(xué)研制，CO2動力系統(tǒng)由西安熱工院研制。

透平熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究技術(shù)路線：

1)光熱與熱力循環(huán)協(xié)同優(yōu)化

2)透平壓縮機高效寬負荷熱功轉(zhuǎn)換特性

3)開發(fā)高效緊湊換熱器樣機

4)適用光熱頻繁啟停氣動-結(jié)構(gòu)-傳熱一體化設(shè)計

5)研制200kW超臨界CO2發(fā)電裝置

6)利用5MW及200kW試驗平臺研究系統(tǒng)動態(tài)特性

2、壓縮機設(shè)計：掌握了高效寬工況超臨界CO2壓縮機設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

揭示了超臨界CO2壓縮機與傳統(tǒng)空氣壓縮機不同的流動損失機理和失穩(wěn)機制，提出基于葉輪輪蓋處理的超臨界CO2壓縮機擴穩(wěn)流動控制方法，完成了200kW超臨界CO2透平發(fā)電系統(tǒng)的兩級壓縮機設(shè)計。

3、透平設(shè)計：掌握了高能量密度超臨界CO2壓縮機透平設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

闡明了不純超臨界CO2對透平輸出功的影響，揭示了超臨界CO2透平有別于傳統(tǒng)燃氣透平的通道渦與泄漏渦相互作用機制，建立了考慮通道渦與泄漏渦相互作用的超臨界CO2透平葉輪通道流動損失模型，完成了200kW超臨界CO2透平發(fā)電系統(tǒng)的四級軸流透平設(shè)計。

4、換熱器設(shè)計：開發(fā)了PCHE流動換熱性能優(yōu)化設(shè)計方法

開發(fā)了高效低阻類菱形翅片印刷電路板換熱器流道，提出了印刷電路板換熱器結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化設(shè)計方法，提出了大型超臨界CO2印刷電路板換熱器數(shù)據(jù)處理方法，揭示了交叉流換熱對PCHE性能影響規(guī)律。

5、樣機研發(fā)：研發(fā)了200kW超臨界CO2機組樣機

2023年初，所有設(shè)備完成加工制造，運到西安熱工院實驗基地現(xiàn)場安裝；2023年底，西安熱工院委托中國特種設(shè)備檢測研究院開展機組的第三方測試、運行調(diào)試相關(guān)工作。

機組組建完成，這套系統(tǒng)如何控制？如何運行？如何與前面聚光集熱系統(tǒng)的控制要求協(xié)調(diào)工作？是當時困擾我們的難題。

6、動態(tài)仿真：搭建了通用型動態(tài)特性及控制策略開發(fā)邏輯框架

因為200kW光熱超臨界CO2發(fā)電機組的動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)水循環(huán)動力系統(tǒng)及燃機布雷頓循環(huán)動力系統(tǒng)差距較大。

結(jié)合前期火電5MW項目的研究經(jīng)驗，在通用模塊庫的基礎(chǔ)上，開發(fā)了動態(tài)仿真模型，進行了各個動態(tài)控制模塊的性能分析，最終完成控制策略的開發(fā)。通過動態(tài)仿真初步提出深度調(diào)峰和快速調(diào)峰控制策略。

7、控制策略開發(fā)

將運行控制策略在5MW試驗機組上進行深度調(diào)峰試驗驗證，下圖為0到100%供電功率全負荷調(diào)節(jié)的實測情況。

通過快速調(diào)峰試驗，驗證了控制模塊和控制策略；另外，進行了典型的控制工況，包括定溫運行、定壓運行等不同控制策略的評估。

最終在上述經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對200kW的光熱超臨界CO2發(fā)電機組開發(fā)了專屬的控制邏輯和策略。動態(tài)響應(yīng)、冷罐熱罐的溫變速率都是制約動態(tài)控制開發(fā)的關(guān)鍵因素。

在光熱發(fā)電典型邊界條件的要求下，我們分別進行了加熱功率控制、工質(zhì)存量控制、質(zhì)量流量控制、轉(zhuǎn)速控制等一系列控制策略評估。

8、運行測試

200kW光熱機組測試分析和國重任務(wù)對標分析：

在上述控制策略的支撐下，2023年年底，我們請中國特種設(shè)備檢測研究院在實驗基地進行了200kW超臨界CO2裝置的性能測試。性能監(jiān)測分析結(jié)果表明，我們圓滿完成了國家重點研發(fā)計劃項目的指標要求。

9、延慶聯(lián)調(diào)

200kW光熱機組裝置通過第三方檢測后，已運至北京延慶和聚光系統(tǒng)進行對接，預(yù)計今年夏季集中驗收。

典型應(yīng)用推廣案例

最后，“十四五”期間推廣應(yīng)用的項目，在5MW試驗機組研究的基礎(chǔ)上，幾個方向同步開展工作，其他領(lǐng)域不再贅述，主要介紹下青海海西地區(qū)50MW的超臨界CO2示范項目。

▍青海50MW光熱超臨界CO2機組

1、前期科技項目：

考慮是首臺套，難度系數(shù)較大，沒有采用700℃的儲熱溫度，沿用現(xiàn)階段成熟太陽鹽565℃的溫度；

“青海海西地區(qū)50MW光熱超臨界CO2循環(huán)發(fā)電項目可行性研究”，該項目為期一年，已于2023年7月結(jié)題驗收。

2、工程可行性研究：

“華能青海公司格爾木50萬超臨界CO2光熱融合示范項目可行性研究”，該項目主辦單位為青海分公司，由西安熱工院和西北電力設(shè)計院聯(lián)合承擔。

3、發(fā)展規(guī)劃：

青海海西地區(qū)50MW超臨界CO2光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟性及工程示范研究；

華能青海公司格爾木45萬光伏+5萬超臨界CO2項目。

4、技術(shù)特點

光熱和光伏結(jié)合，強化電源側(cè)靈活調(diào)節(jié)作用；

優(yōu)化電源規(guī)模配比，多能互補后打捆送出，5萬千瓦超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機組擬采用發(fā)電、調(diào)相兩用模式，白天空載運行主要作為調(diào)相機使用，夜間大負荷運行支撐晚高峰用電需求，有效解決用電高峰期和低谷期電力輸出的不平衡問題和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

提供轉(zhuǎn)動慣量，保障機組安全；

助力風(fēng)光基地一體化發(fā)展。

2024第十一屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會4月25-26日在內(nèi)蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召開，大會由CSPPLAZA光熱發(fā)電平臺聯(lián)合常州龍騰光熱科技股份有限公司共同主辦，大會主題為“在多變的形勢下實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展”，共有來自海內(nèi)外約800名代表出席本屆大會。