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燃氣輪機助力超臨界二氧化碳布雷頓循環光熱發電技術發展

發布者：walt | 來源：中國航空報 | 2評論 | 30386查看 | 2014-11-28 09:20:00

　　初聽起來，燃氣輪機，太陽能發電，超臨界CO2這些是風馬牛不相及的事。其實不然，科學的進步已將它們緊密的聯系了起來。

　　太陽能發電有二種：光伏發電和太陽熱發電。前者是利用太陽光照射半導體材料，通過光電效應產生出電流。其技術成熟，使用方便，現在用的多。但光伏發電難大規模儲能，而且煉硅能耗很大。太陽熱發電是利用太陽能的輻射能，通過集熱器和聚熱接收器，將工質加熱，再通過熱機發電。太陽熱發電有拋物線槽式，線性Fresnel反射鏡式、塔式、碟式。由于這種發電需要高溫高壓，太陽光的聚焦必須有很大的聚光倍數。根據發電規模大小，把成百上千或更多面反射鏡，在地面合理布置安裝，將反射的太陽光能集中到尺寸不大的聚熱接收器窗口。反射鏡的反光效率要高，而且要能自動跟蹤每時每刻太陽的位置，一般用計算機控制。聚熱接收器有空腔式，管式等。以上這幾種太陽熱發電形式，現在國內國外都已有試驗的，示范的，生產使用的。但成本高，電價高，還要靠政府補貼，這仍是大規模推廣的障礙。如美國現在太陽熱發電廠基建投資為，每千瓦4000~8500美元（上限是包括了儲熱、下限是無儲熱的槽式，直接蒸汽發電的塔式或碟式）。在美國西南部，現太陽熱發電平均發電成本為12~18美分/度，有30%的投資稅收抵免（ITC）。

　　利用太陽能的革命性計劃

　　太陽熱發電包括五個系統，即太陽場系統、傳熱流體系統、儲熱系統、冷卻系統和動力機械系統。要降低成本和電價，就要提高動力機械的循環效率；提高傳熱流體的溫度；把儲熱系統工質和傳熱流體一體化等。其中最關鍵的是需要提高熱機的循環效率。2011年美國能源部制定了一項計劃，稱之為“利用太陽能發電的創新綱領”（sunShot Initiative）。目標是到2020年太陽熱發電電價降到6美分/度；熱機采用干冷卻不用水，循環效率大于50%。在2020年實現降低75%成本的目標，使太陽能發電于2030年占全美電力的14%，2050年占27%。

　　這是一個革命的、步子很大的關于太陽能技術進步的計劃。具體方案是熱機采用“超臨界CO2（二氧化碳）布雷頓循環（Brayton）”。超臨界CO2是氣態和液態并存的流體，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴散系數約為液體的100倍。超臨界CO2的特點是臨界條件容易達到，化學性質不活潑，無色無味無毒，安全，價格便宜，純度高，易獲得。超臨界CO2布雷頓循環僅需外界提供500~800攝氏度的溫度，這是太陽熱集熱器和聚熱接收器，應用現有技術即可很容易達到的的溫度。燃氣輪機用的也正是布雷頓循環，這就使燃氣輪機也可以成為太陽熱發電的有力推動者。超臨界CO2布雷頓循環與常規燃氣輪機的區別主要是：能源用太陽熱不用油氣燃料；循環工質不是空氣是超臨界CO2；循環是閉式循環不是開式循環。

　　現有的太陽熱發電，用油、鹽或蒸汽做傳熱流體，經它將太陽熱接收器得到的熱傳給機組，但流體的性質限制了機組性能。如合成油溫度上限為400攝氏度，硝酸鹽590攝氏度。眾所周知較高的運行溫度一般意味著較高的循環熱效率和能更有效的儲熱。超臨界CO2作為循環工質和傳熱流體，用于太陽熱發電，可做到運行溫度高于蒸汽，在溫度較低條件下效率又比氦氣的布雷頓循環高。由于超臨界CO2密度高，循環簡單，所以機組重量輕，尺寸小（僅為汽輪機的1/10）；安裝維護運行費用都低；可用于冷卻，效率可大于50%；高功率密度和功率范圍大（10MW 到數百MW )可做主力電站。超臨界CO2機組目前已接近商業化，10MW的示范機則已在做。現在用于太陽熱發電的循環，主要是亞臨界朗肯循環和斯特林循環，效率在35%~45%。超臨界CO2布雷頓循環的性能改進，可以明顯高于商業化的蒸汽循環，很可能做為新一代的換代產品，可以用于廉價太陽能熱發電。美國可再生能源實驗室（NREL）分析比較了多種循環的有關數據，如效率、起動、成本、和可靠性等，認為超臨界CO2布雷頓循環很有前途。他們采用的工作辦法是，從簡單超臨界CO2布雷頓循環入手，一步步挖掘潛力，提高系統性能，增加采用能夠大幅提高效率的技術措施。措施主要包括：(1)增加透平進口溫度：從500攝氏度提高到700攝氏度或更高。(2)壓縮過程由兩步完成。即有主壓縮機，還有“再壓”壓縮機。(3)使用壓縮機中間冷卻。(4)透平也分兩級，并對排出的工質再熱。(5)壓縮機和透平為分軸式，使其各在優化的轉速運行。(6)增加底循環，如朗肯循環或串聯的超臨界CO2循環。

　　選擇方案很重要

　　分析諸方案中，“帶中間冷卻（部分冷卻）的再壓縮和再熱”的方案效果較好，其方案見下圖：

圖：美國(guo)桑迪(di)亞國(guo)家(jia)實驗室的廉價發電方案

　　圖中所示，渦輪排出工質（6）經預冷卻器冷卻后進入預壓縮機（7），流體在預壓縮機出口（8）分為二股，一股進入再壓縮機，另一股經中間冷卻器進入主壓縮機（9）。經預壓縮機后的，再壓縮機的進口壓力是中間壓力，即再壓縮機運行于渦輪壓比的部分壓力，研究發現此循環在高溫時效率最高，而且對壓比的變化不敏感。此循環也適合大的渦輪壓比，和可為再熱式運行提供較好性能。用于太陽能熱發電，中間冷卻的另一個重大好處是其較大的溫差適合于主加熱器，大溫差對太陽能熱發電系統的顯熱熱儲存更經濟，因為溫差大就可少用儲熱介質。

　　參數選擇和一些部件的作用如下：

　　高溫回熱器與低溫回熱器：用低壓渦輪的熱排氣，給主壓縮機后的高壓超臨界CO2流體加熱和再壓縮機后的超臨界CO2流體加熱

　　再壓縮機：增加再壓縮循環的目的是為了減少發生在回熱器內的夾點（pinch point）效應，這是由于高低壓流體間流體容量率（capacitance rate）不同產生的。再壓縮循環用減少質量流率辦法減少流體容量率的差別，分流一股流體進入再壓縮機，將其溫度和壓力增加到與低溫回熱器的出口壓力，二股相合在高溫回熱器得到加熱。

　　中間冷卻器：這是氣體循環普遍使用的方法，可以減少壓縮需用的功。對超臨界CO2布雷頓循環的另一好處是可以消除主壓縮機入口壓力與低壓渦輪出口壓力的相互影響。

　　再熱：在膨脹過程增加“再熱”，是提高動力循環普遍使用的方法，可以提高熱效率1~2個百分點，這足夠補償為此增加的費用。研究結果還表明增加“再熱”對部分冷卻和帶中間冷卻的主壓縮也有較大好處。

　　選擇渦輪入口溫度：研究證明增加渦輪入口溫度可以提高超臨界CO2布雷頓循環的效率。希望太陽熱接收器能提供盡可能高的溫度，這實際是太陽光聚光器光學和太陽熱接收器和渦輪入口管線材料選擇的問題。本方案設渦輪入口溫度為700攝氏度，這與高鎳合金耐溫程度一致，與太陽熱發電的聚光器光學性能和太陽熱接收器的性能一致。

　　選擇壓縮機入口超臨界CO2流體溫度：太陽熱發電廠一般都在干旱地方，當地水資源有限，驅使電廠使用干冷卻而不用蒸發冷卻。但干冷卻有三個主要缺點。第一，干冷卻的溫度是基于干球溫度而非濕球溫度，在干旱地區，年平均干濕溫差常高達10K（絕對溫度）。第二，干冷卻需要的換熱器比濕冷卻需要的換熱器大的多，因為其傳熱率較低；而尺寸大會帶來成本高和熱損失大。第三，空氣的低傳熱率與低熱容，需要空氣和工質之間保持高溫差。據計算，壓縮機入口超臨界CO2流體溫度在45~65攝氏度之間時，超臨界CO2循環的效率都大于49%。在外界干球溫度為40攝氏度，設壓縮機入口超臨界CO2流體溫度為50攝氏度時，本方案循環效率約51%~52%，可比蒸汽循環高4~5個百分點。要注意，有回熱的布雷頓循環對換熱器的效率和壓損很敏感。換熱器的選擇對循環效率及機組成本有重大影響，因為從換熱器獲得的熱比外界加的熱量還大。大換熱器傳熱面積大，新型的印刷回路換熱器工藝可能有用。

　　設計中需要全面權衡循環效率與機組復雜程度及成本，做出優化選擇。因為高流體密度的超臨界CO2渦輪機很緊湊，雖然增加了壓縮機、再熱器等，但比多級軸流燃氣渦輪或蒸汽輪機還是簡單，而且它可以減少太陽能集光器數量和縮小儲熱系統尺寸。現在工業用超臨界CO2布雷頓循環機組已處于或接近商業化應用。

　　技術探索與試驗已經開始

　　超臨界CO2布雷頓循環機組已有些單位在研究。有為出口溫度低的反應堆做能量轉換用于核工業的；現在又在大力研究用于太陽熱發電的。對其中的技術難點，已做過不少試驗，取得了些經驗。如美國桑迪亞國家實驗室在2007~2009年做了大量試驗。實驗項目有：

　　在機組高轉速下(xia)，測量超臨界CO2流(liu)體的(de)進口壓力(li)(li)、出口壓力(li)(li)、溫度(du)、流(liu)量、耗功等(deng)(deng)等(deng)(deng)，積累了(le)大量數據；

　　游隙（windagelosses）損失(shi)試驗：因為軸(zhou)的(de)(de)(de)轉數(shu)很(hen)(hen)高(gao)，流(liu)(liu)體密(mi)(mi)度很(hen)(hen)大(da)（近(jin)似水的(de)(de)(de)密(mi)(mi)度）所以軸(zhou)和(he)流(liu)(liu)體間有(you)很(hen)(hen)大(da)的(de)(de)(de)摩擦力(li)。在超(chao)臨(lin)界(jie)CO2布雷頓循環(huan)中的(de)(de)(de)高(gao)壓和(he)高(gao)密(mi)(mi)度能產生很(hen)(hen)大(da)的(de)(de)(de)推力(li)，還可能有(you)穿過密(mi)(mi)封(feng)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)體滲漏，這(zhe)些必須給予解決；

　　密封(feng)損失試(shi)驗(yan)：曾做了四道(dao)封(feng)嚴的迷宮式封(feng)嚴試(shi)驗(yan)和干提升密封(feng)（dry-liftoffseal）的封(feng)嚴試(shi)驗(yan)，以減少(shao)滲(shen)漏；

　　轉(zhuan)子軸動(dong)力學(xue)試驗(yan)：觀察不同支點布置，使用不同軸承情(qing)況(kuang)下(xia)，轉(zhuan)子振(zhen)動(dong)波形等；

　　軸(zhou)(zhou)承試(shi)驗：做過(guo)球(qiu)軸(zhou)(zhou)承試(shi)驗；也做過(guo)氣體箔(bo)軸(zhou)(zhou)承（gas-foilbearing）試(shi)驗，在75000RPM，用波箔(bo)軸(zhou)(zhou)承（bumpfoilbearing），用inconel墊(dian)支承；

　　推力軸承研究(jiu)：因為超臨界(jie)CO2布雷頓循環，流體壓(ya)力高，軸承前后壓(ya)差大(da)，需很好解決此問題。

　　我國的發展

　　我國(guo)航空(kong)(kong)工業(ye)(ye)(ye)，機械工業(ye)(ye)(ye)都有(you)布(bu)雷頓(dun)循(xun)環燃(ran)氣輪機的(de)(de)研(yan)發和(he)制造能(neng)力(li)，尤其(qi)航空(kong)(kong)工業(ye)(ye)(ye)能(neng)生(sheng)產各種功(gong)率等(deng)(deng)級，大(da)量的(de)(de)布(bu)雷頓(dun)循(xun)環航空(kong)(kong)發動機產品。如能(neng)充分(fen)利用航空(kong)(kong)技術基礎和(he)設備條件(jian)，早日開展(zhan)超臨界CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)環的(de)(de)機組研(yan)發生(sheng)產，則既可(ke)裝備使用清潔能(neng)源(yuan)的(de)(de)基本負(fu)荷電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)廠，也可(ke)裝備中小(xiao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)廠就(jiu)地供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。在太陽能(neng)充分(fen)，當地無水的(de)(de)地區，更可(ke)發揮優勢。由于太陽熱發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)系統能(neng)建(jian)成可(ke)儲能(neng)，可(ke)以將不(bu)穩(wen)(wen)定(ding)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)成為(wei)可(ke)調度的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，使電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網能(neng)容納更多不(bu)穩(wen)(wen)定(ding)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)（如可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)(de)風電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)等(deng)(deng)）。從而為(wei)實現國(guo)家節能(neng)減排，應對氣候變(bian)暖做出重大(da)貢獻，又為(wei)航空(kong)(kong)工業(ye)(ye)(ye)企業(ye)(ye)(ye)開發了巨大(da)的(de)(de)市場(chang)。

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