我國(guó)首臺(tái)自主研制的超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組成功交付用戶使用
近日，我國(guó)自主研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組，已經(jīng)完成了機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)并順利出廠交付用戶。這一結(jié)果，標(biāo)志著設(shè)計(jì)制造商的核心技術(shù)成功應(yīng)用于又一全新領(lǐng)域，這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)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(guó)船舶集團(tuán)所屬重慶江增船舶重工有限公司自主研制的，整機(jī)性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。江增重工是目前國(guó)內(nèi)唯一一家取得兆瓦級(jí)超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組商業(yè)合同的廠家，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到交付使用，整整歷時(shí)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(jī)組，系統(tǒng)熱效率可超過50%，比*先進(jìn)的蒸汽動(dòng)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(shí)適用于荒漠缺水地區(qū)。這些優(yōu)點(diǎn)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(jī)和氦氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，應(yīng)用范圍和前景廣闊。
科普知識(shí)：
目前承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的發(fā)電形式主要是 火力發(fā)電（鍋爐+汽輪機(jī)），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(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jìn)的超臨界火電機(jī)組運(yùn)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(shí)現(xiàn)高效率的熱能利用并超越傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)。
相關(guān)技術(shù)進(jìn)展：
我國(guó)能源結(jié)構(gòu)將從化石能源主導(dǎo)的時(shí)代進(jìn)入以可再生能源和化石能源長(zhǎng)期共存的多元化時(shí)代。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)艦船動(dòng)力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。
目前，超臨界二氧化碳（SCO2）發(fā)電技術(shù)裝置已經(jīng)從國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu)與高校的研究及實(shí)驗(yàn)階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點(diǎn)。眾多的商業(yè)機(jī)構(gòu)如發(fā)電公司、零部件供應(yīng)商、設(shè)計(jì)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(tái)1-10MW級(jí)別的機(jī)組處于商業(yè)示范運(yùn)營(yíng)階段。更高功率和參數(shù)等級(jí)的機(jī)組正在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，各研究及商業(yè)機(jī)構(gòu)均試圖搶占*前沿的技術(shù)領(lǐng)域和未來產(chǎn)品市場(chǎng)。
從國(guó)別來看，美國(guó)、日本、韓國(guó)、法國(guó)均在系統(tǒng)研究、機(jī)組設(shè)計(jì)、零部件加工及系統(tǒng)示范驗(yàn)證方面開展了較多的工作。美國(guó)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(jí)超臨界二氧化碳機(jī)組完整產(chǎn)業(yè)鏈和成功商業(yè)案例。中國(guó)國(guó)內(nèi)目前還處在理論研究和小型示范機(jī)組建設(shè)規(guī)劃籌建階段，少數(shù)廠商有試制計(jì)劃和生產(chǎn)能力，與美國(guó)差距較為明顯。
2018年9月，中國(guó)科學(xué)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(tuán)隊(duì)完成了我國(guó)首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)工作。兆瓦級(jí)SCO2 壓縮機(jī)通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建成投運(yùn)，終結(jié)了我國(guó)相關(guān)研究缺乏實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國(guó)內(nèi)從事此項(xiàng)研究的其它科研單位提供了實(shí)驗(yàn)支撐。
該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是用于測(cè)試SCO2壓縮機(jī)工作性能和開展SCO2流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的通用平臺(tái)，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測(cè)試、軸承測(cè)試和密封測(cè)試等實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可調(diào)制7～9MPa、0～35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到20MPa 以上；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速*高可達(dá)40000r/min以上，流量*大達(dá)到30kg/s；可進(jìn)行百kW到MW級(jí)SCO2壓縮機(jī)的精密連續(xù)測(cè)試，是目前我國(guó)唯一的兆瓦級(jí)SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是世界上規(guī)模*大等級(jí)*高的同類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
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?xì)怏w，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(jì)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(tuán)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(jiǎn)稱唐山金泉公司）擁有的多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利和專有技術(shù)，該項(xiàng)系列技術(shù)已經(jīng)在2012年11月被“中國(guó)石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會(huì)”立項(xiàng)并重點(diǎn)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(xiàng)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(yàn)項(xiàng)目也取得了突破性進(jìn)展。
從目前測(cè)試的各項(xiàng)數(shù)據(jù)看，石灰窯回收的二氧化碳?xì)怏w所發(fā)電能只要達(dá)到實(shí)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(dá)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)的，是采用多級(jí)循環(huán)儲(chǔ)能做功，嚴(yán)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(jí)儲(chǔ)能做功利用進(jìn)行發(fā)電，這個(gè)就是利用了二氧化碳的物理特性進(jìn)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(guó)石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會(huì)與北方爐窯協(xié)會(huì)專家組通過對(duì)該項(xiàng)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(jì)性好等特點(diǎn)，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(diǎn)研究方向，是一項(xiàng)將帶來石灰生產(chǎn)變革的新技術(shù)。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要有計(jì)劃地整合各方資源、有意識(shí)地組織廣泛的合作才能取得實(shí)質(zhì)性的突破。建議學(xué)會(huì)統(tǒng)籌好行業(yè)內(nèi)各項(xiàng)資源，鼓勵(lì)高�？蒲袡C(jī)構(gòu)與企業(yè)積極行動(dòng)，有規(guī)劃有分工地加入此項(xiàng)目技術(shù)攻關(guān)，支持產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作。同時(shí)，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(gè)行業(yè)帶來表率和示范。
文稿編輯：
中國(guó)石灰產(chǎn)業(yè)學(xué)會(huì)
孫菲
2020年06月09日
