S-CO₂循环的发展前景
S-CO₂循环技术的兴起源于美国,随后英国、法国、捷克、日本、韩国和中国等多个国家和地区都相继发展该技术。S-CO₂循环发电具有环境友好、热效率高、经济性好等特点,是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向,是一项将带来发电变革的新技术。经过近二十年的发展,至今已接近商业化应用的成熟度水平。
美国是S-CO₂循环技术发展的风向标,代表了当今最先进的技术水平。美国能源部Sunshot计划支持下,西南研究院(SwRI)联合通用电气(GE)、Thar等公司完成了关键部件透平机械和微通道换热器的试验验证。美国能源部STEP项目位于德克萨斯州圣安东尼奥的示范电站于2018年10月破土动工,该项目由西南研究院(SwRI),气体技术研究所(GTI)、通用电气(GE)共同参与。该示范电站耗资1.19亿美金,采用10MWe超临界CO2循环,预计2022年完工。美国NET Power公司与东芝公司合作建设完成50MWth 的直燃加热S-CO₂循环(Allam循环)试验装置,选址在德州La Porte,直接资金投入1.4亿美元,该系统于2018年5月30日点火,并于2019年上半年完成测试。
法国电力公司开展了适合S-CO₂的材料研究、聚光太阳能发电(CSP)动态模拟、S-CO₂换热系统设计;PCHE初步设计完成。在2013年提出二次再热燃煤S-CO₂循环系统概念设计,计算效率达50%。
日本东京工业大学完成了面向核反应堆的S-CO₂布雷顿循环系统设计,采用多级压缩-间冷技术路线,功率600MW,发电效率为45.8%;还设计了用于太阳能光热发电的S-CO₂布雷顿循环发电系统,发电效率达48.2%。
韩国原子能研究院分析了S-CO₂循环与钠冷快中子堆结合的可行性,推出了示范快堆电站KALIMER-600,与美国阿贡国家实验室设计的电站相比,省去了中间回路,S-CO₂和堆芯出来的高温钠直接换热,减少了设备。
西南研究院(SwRI) S-CO₂循环试验装置
STEP项目S-CO₂循环示范电站布置
NET Power公司基于Allam循环原理的S-CO₂电站机组
我国在2012年左右开始基础技术的分析和设计的研究。2016年6月《中国制造2025——能源装备实施方案》中将S-CO₂循环发电列入清洁高效燃煤发电装备。近年来发展迅速,包括西安热工院、中国核动力研究院、中科院等科研单位针对循环系统开展了研究,其中西安热工院正在开展5MWe试验回路建设。华能开展燃煤S-CO₂发电技术研发,目标是实现600MW等级以上的大型S-CO₂火力发电系统及关键部件的工程方案。目前已完成5MW试验系统的设计,该系统最高压力21.5MPa,最高温度600℃,工质流量308t/h,整个系统由锅炉燃烧系统、涡轮发电系统、压缩机、回热器、循环冷却水系统、工质充排系统和热工基础试验系统等组成。另外还进行了300MW S-CO₂发电机组概念设计,其中锅炉的一次工质压力和二次工质压力分别为32MPa和18.4MPa,一次工质温度602℃,工质流量为7150.2 t/h,锅炉热效率达94.3%。