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二氧化碳发电
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评审专家石
二氧化碳发电是一种新型发电技术。自第一次工业革命以来，热能利用的主要方式是通过动力系统将热能转化为机械能，为人类活动提供动力。超临界二氧化碳发电系统是一种以超临界二氧化碳为工作介质，将热源的热量转化为机械能的发电系统，其热源可以来自核反应堆、太阳能、地热能、工业余热、化石燃料燃烧等。超临界二氧化碳的优异特性使其系统具有良好的应用前景和研究价值。本文论述了该技术的应用前景和预期效果，介绍了该技术目前在国内外的发展情况，最后提出了今后工作的重点和建议。
中文名称
二氧化碳发电
维尔娜·丽丝
二氧化碳生成
类型
发电技术
例子
超临界二氧化碳发电系统
领域
活力
紧的
航行
发电系统基本原理简介、关键技术应用前景及未来研究方向
研究现状
目前，美国、英国、德国、日本、韩国、西班牙等国家已经开展了超临界二氧化碳发电技术的研究，一些国家已经进行了样机制造和试验。美国贝克特尔船舶推进公司(bmpc)建造了一个100千瓦超临界二氧化碳发电试验系统，该系统是一个具有双轴热回收的闭式布雷顿循环系统。一个变速涡轮驱动压缩机，另一个恒速涡轮驱动电机。该系统验证了该方案的可行性，但由于是一个规模化系统，整体效率不高。世界上第一台兆瓦级商用超临界二氧化碳发电机组eps100的性能参数见表1)，该机组在美国纽约建造，并采用双轴热回收闭式布雷顿循环系统。目前，机组已进入试验阶段，初步试验数据已证实兆瓦级超临界二氧化碳发电机组的可行性。此外，关键部件在偏离设计条件下的性能与模型预测值一致，表明兆瓦级超临界二氧化碳发电技术已经基本掌握。2012年，nrei(美国能源部能源效率和可再生能源办公室下属的国家实验室)提出了基于eps100系统的阳光测试计划，开发了一台10兆瓦超临界二氧化碳涡轮机，总预算为1600万美元，计划分三个阶段完成:2013年设计、2014年制造和2015年运行。超临界二氧化碳涡轮机的功率为10兆瓦，温度为700℃。整个测试系统包括eps100系统、高温透平、高温换热器、改进型压缩机、700℃热源和干式冷却系统。麻省理工学院提出再压缩超临界二氧化碳冷却核反应堆的总体方案(见图1)，并进行了热力学设计。反应堆的额定热功率为2 400兆瓦，汽轮机的进口温度和压力分别为920千帕和20兆帕，系统热效率大于51，净效率大于47。
美国海军反应堆项目组下属的诺尔斯原子能实验室和贝蒂斯实验室正在探索超临界二氧化碳布雷顿循环技术在船舶动力系统领域的应用。2010年，他们建成了一个100千瓦电力的完整测试系统，1000～3000千瓦电力的超临界二氧化碳测试的前期工作也在进行中。美国echogen公司开发了一种用于余热发电的超临界二氧化碳发电系统。该系统通过调节阀门可以满足不同余热温度的工况，保证余热发电效率达到30%以上。该系统可用于船舶发动机余热发电系统，利用柴油机排放的中高温烟气热量，减少能源浪费，提高整个系统效率30%以上。同时，它还可以用于燃气轮机联合循环发电，用超临界二氧化碳代替传统的蒸汽循环，这样不仅可以增加发电量，还可以降低安装成本[2]。
欧盟、日本和韩国也对超临界二氧化碳发电厂进行了研究。1997年，欧洲联盟展示了基于超临界二氧化碳循环的新一代反应堆；东京理工大学已经完成了核反应堆超临界二氧化碳循环系统的设计(见图2)。本设计采用多级压缩中间冷却技术，额定功率600兆瓦，汽轮机入口温度920千，反应堆出口操作压力约7兆帕，系统效率45%以上。8.该大学还完成了太阳能发电超临界二氧化碳循环系统的设计，系统效率高达48.2%；韩国原子能研究所分析了超临界二氧化碳循环与钠冷快中子反应堆相结合的可行性。此外，国外许多学者对超临界二氧化碳发电技术进行了相关研究。根据二氧化碳的物理性质，艾伦等人提出了一种改进的二氧化碳传输特性理论计算方法；布兰登测试了超临界二氧化碳的热特性；拉迪斯拉夫分析了超临界二氧化碳循环回路中的夹点位移效应；jacob等人测试了相关材料在高温超临界二氧化碳环境中的腐蚀性能。
然而，对换热器的研究并不少见。目前，超临界二氧化碳试验回路中的大部分换热器采用印刷电路板换热器(pche)，该换热器适用于较高的工作温度和压力，具有良好的膨胀能力。一些学者对印刷电路板换热器(pche)进行了数值分析，并对高效换热器的设计提出了指导性意见。蒂莫西对不同传热表的换热器进行了对比研究，结果表明，线网传热表的进一步发展是可行的。
汽轮机是影响机组效率的核心部件，许多学者也致力于提高汽轮机效率。蒂莫西对超临界二氧化碳涡轮的第一级叶片进行了空气动分析，并得出了相应的结论。亚伦测试了压叶密封的性能，肯定了它的商业价值。郝敏研究了不同形状迷宫密封的泄漏率，得出了指导性意见。jekyoung研究了超临界二氧化碳压缩机在临界点附近性能测量的不确定度，其研究表明超临界二氧化碳压缩机的性能难以测量。诺亚对小型和全尺寸超临界二氧化碳压缩系统进行了对比试验，研究表明全尺寸压缩效率远远高于缩比压缩效率。
基本的
超临界二氧化碳发电系统是以超临界二氧化碳为工作介质的布雷顿循环系统。其循环过程如下:一是压缩机增压超临界二氧化碳；然后，工作介质由热交换器在等压下加热；其次，工作介质进入涡轮驱动涡轮做功，涡轮驱动电机发电；最后，工作介质进入冷却器，回到初始状态，然后进入压缩机，形成一个封闭的循环。工作介质的压力和体积的变化如点1-2-3-4-1循环[3]所示。
为了提高换热效率，通常采用中间热回收的方法，利用涡轮出口处工作流体的残余温度来预热压缩机出口处的工作流体。多级压缩中冷技术可用于进一步提高循环效率。
发电系统介绍
1.超临界二氧化碳的特性。当二氧化碳的温度达到31。10c和压力达到7。38兆帕，它将变成超临界的。由于其特殊的低气体粘度和高液体密度的物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优点，适用于热力循环。与同类型热力循环的其他工作流体相比，它具有以下特点:①二氧化碳的临界温度和临界压力远低于水的临界点，容易达到超临界状态，有利于工程应用；②超临界二氧化碳是一种非常稠密的流体，具有液体特性，密度高，传热效率高，功能强；③具有气体特性，粘度小，流动性强，系统循环损耗小；①超临界二氧化碳循环没有相变，压缩过程中压缩功有效减少，仅占涡轮输出功的30%以上，而常规氦气循环占45%以上，燃气轮机更高，占50-60%以上。
2.超临界二氧化碳发电系统的特点。由于超临界二氧化碳的特殊优势，使用这种工质的发电系统的优势主要表现在以下几个方面。
第一，高效率。根据国外研究图表的分析，当超临界二氧化碳的温度达到550℃时，超临界二氧化碳发电系统将热能转化为输出电能的效率一般可以达到45%左右。随着温度的升高，效率也提高了3。可见，在相同条件下，超临界二氧化碳循环发电系统的效率高于氦循环发电系统。
其次，它体积小，重量轻。超临界二氧化碳发电系统的体积和重量约为传统蒸汽发电系统的50%。超临界二氧化碳发电系统中的循环介质是二氧化碳。在整个循环过程中，二氧化碳处于超临界状态，没有相变，密度高，动能高，冷却器和管道附件尺寸小。根据国外资料，通过对不同工作流体的典型透平产品尺寸的调查，可以看出超临界二氧化碳由于其密度高、动能大，对透平级的要求较少，透平的轴向尺寸减小，冷却器和管道附件的尺寸也相应减小；当汽轮机入口压力为15 ^- 20 mpa，转速约为10万转/分钟时，比传统的蒸汽发电系统小50多倍。图7显示了不同类型单元的大小和功率的比较。
第三，噪音低。对于旋转机械设备，振动特征频率通常集中在轴向频率以上。超临界二氧化碳发电系统一般采用高速汽轮发电机组，具有高速和高频振动线谱，有利于隔振和降噪[4]。
关键技术
超临界二氧化碳发电是未来能源综合利用的发展方向。为了全面掌握和利用这项技术，有必要在以下几个方面进行研究[5]。
1.超临界二氧化碳的物理性质和传热规律复杂，需要系统研究。超临界流体不同于传统的液体或气体，在热力学变化过程中，特别是在近临界区和过临界点时，会偏离理想气体，其独特的物理性质带来流体流动和传热规律的特殊性，使得系统难以在非设计工况下运行和负荷调控。因此，有必要充分掌握超临界二氧化碳的物理性质和传热规律。
2.超临界二氧化碳发电系统的运行状态难以控制，因此有必要进行控制研究。系统循环的高效率是基于冷凝器出口，即压缩机吸入口(循环起点)的二氧化碳仍处于320℃和7.4兆帕的超临界状态的临界点。当系统的输出需求发生变化时，整个系统的热量采集、冷却供应、高速汽轮发电机和高速压缩机的转速都需要相应地进行调整，这就需要进行精确的调整和控制，以保证系统仍然处于超临界状态以上，从而达到最佳的系统效率。
3.有必要突破超临界二氧化碳高速汽轮发电机组的设计制造技术，提高发电效率。汽轮发电机组的效率和可靠性是保证超临界二氧化碳发电技术优势的关键，保证汽轮发电机组的高速运行是减少设备体积和重量、提高效率的重要途径。在汽轮发电机组的设计过程中，在保证高速的前提下，既要考虑高速精密轴承，又要考虑转子运行的稳定性，同时要充分考虑超临界二氧化碳工质的温度、压力、密度等参数，以及发电机电磁和温升等参数的影响。因此，高速汽轮发电机组的设计和制造是系统高效率的保证。
4.高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数在临界点附近，以减小传热端差，同时对于临界点附近传热性能的突变，应充分考虑运行裕度。为了实现这些目标，需要紧凑、高效和可靠的热交换器来进行快速热交换，从而在低温差下实现高效热交换。
5.系统材料对耐压、耐高温和耐腐蚀性能有很高的要求，因此有必要研究高性能材料。为了达到高效率，必须提高系统热力循环的温度和压力，超临界二氧化碳热力循环的压力应达到15^-32兆帕，温度应达到550℃以上。为了满足高温高压参数的要求，加热器、汽轮机和发电机的材料必须具有高强度、耐高温和耐腐蚀的特点，设备的加工、生产、热处理、检验和探伤需要技术突破。
应用前景
超临界二氧化碳布雷顿循环因其效率高、系统体积小、噪声低而在许多领域具有良好的应用前景，主要可用于以下几个方面。
1.用于核反应堆。目前，国外对超临界氧化碳纤维布莱顿循环的研究主要集中在核反应堆上，包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆。超临界二氧化碳布雷顿循环具有效率高、体积小的优点，其安全性比蒸汽系统有了很大提高。根据美国能源部的规划，超临界二氧化碳发电可能在未来10年内实现。
2.用于太阳能发电。美国能源部认为，超临界二氧化碳的布雷顿循环可用于太阳能发电，可将太阳能光热发电效率提高8%以上，大大降低太阳能光热发电成本，提高其竞争力。
3.用于工业余热发电。虽然工业余热是一种低品位的能源，但它的储量是巨大的，即使它的一小部分被利用，它也是相当可观的。与类似的热电系统相比，超临界二氧化碳发电系统在较低温度下具有较高的效率，并且体积小，易于安装。
4.对于船只。由于船上空房间有限，对船上设备的体积限制要求很严格。超临界二氧化碳发电系统在提高发电效率、节约能源、减小发电系统体积和重量方面具有优势。因此，该系统在船舶上具有很大的应用价值。表2显示了不同热源的适用参数。
未来研究方向
超临界二氧化碳发电技术的特点决定了它在许多领域有着良好的应用前景。建议今后的工作重点应放在以下几个方面:①超临界二氧化碳流体特性的基础研究，如超临界二氧化碳的密度、热容、粘度和热导率等热物理特性的实验测试和研究；②超临界二氧化碳发电系统运行控制策略研究。包括热源控制、热力循环控制、整流调压控制、系统安全保护等。；③高速涡轮和发电机的设计与研究。本文主要研究高速下的轴承和密封问题。①高效换热器的设计与制造。一方面，我们必须保证换热器的效率；另一方面，有必要考虑材料的耐腐蚀性；⑤系统关键部件和管道材料研究。所选材料不仅要满足系统的要求，还要充分研究其在高温高压下的生命周期，以保证机组的安全性和可靠性。
有什么事吗我们可以一起讨论。
文章来源：www.atolchina.com