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4月26日，2024第十一屆(jie)中國國際光(guang)熱(re)大會暨(ji)CSPPLAZA年會在內蒙古呼(hu)和(he)浩特盛大召開，西(xi)安熱(re)工(gong)研究院(yuan)(yuan)有限(xian)公司（簡稱：西(xi)安熱(re)工(gong)院(yuan)(yuan)）清(qing)潔能源技(ji)術研究所所長張(zhang)一帆(fan)先生出席(xi)會議并作《超(chao)臨界CO2循環發電及其高效靈活運行調控技(ji)術》的主題(ti)報告(gao)。

圖：張一帆

以下為演講內容。

各位專(zhuan)家、各位同仁，大家下午好！非(fei)常榮幸能夠在這里跟大家進(jin)行一(yi)次技術交流，今天我匯報(bao)的技術題目是《超(chao)臨界CO2循環(huan)發電(dian)及其高效靈(ling)活運行調(diao)控技術》，報(bao)告分(fen)為(wei)四個(ge)部分(fen)。

超臨界CO2光熱發電

一、背景和技術原理

首先給(gei)各位專家介紹一(yi)下超臨界CO2光熱發電背景以(yi)及一(yi)些基本的技術原理(li)。

2020年9月(yue)22日習近平總(zong)書記在第七十五屆聯(lian)合國(guo)大會一(yi)般性辯(bian)論上發表重要講(jiang)話：明確提出中國(guo)將采取更加有力的政策和措施(shi)，CO2排放(fang)力爭于(yu)2030年前(qian)達到峰值，努力爭取2060年前(qian)實現碳(tan)中和。

構建(jian)以新(xin)(xin)能(neng)源(yuan)為主體的(de)(de)(de)新(xin)(xin)型電力系統是實現(xian)雙碳目標的(de)(de)(de)重要途(tu)徑。隨著(zhu)新(xin)(xin)能(neng)源(yuan)比例的(de)(de)(de)不斷(duan)提(ti)升，對(dui)電力系統的(de)(de)(de)靈活(huo)(huo)性(xing)和穩定性(xing)提(ti)出了前所(suo)未(wei)有的(de)(de)(de)挑(tiao)戰。以水蒸氣為工(gong)質的(de)(de)(de)傳統熱力發電技(ji)術(shu)在能(neng)源(yuan)利用(yong)效率提(ti)升和機組靈活(huo)(huo)性(xing)方(fang)面(mian)已不能(neng)滿足當前能(neng)源(yuan)變革的(de)(de)(de)要求。

迫(po)切(qie)需(xu)要發展具有變(bian)革性意義的新型高效靈活熱力發電技術，支(zhi)撐高比(bi)例可再生(sheng)能源并網，對構建新型電力系(xi)統，實現雙碳目標具有重要意義。

二、光熱發電技術特點

光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)是(shi)典(dian)型的綠色(se)發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)(shu)，相比(bi)于其(qi)他新能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)(shu)，具備能(neng)夠實現熱(re)電(dian)(dian)聯供、穩定(ding)電(dian)(dian)網輸出、參與調峰調頻的優勢。但光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)最大的問題就是(shi)效(xiao)率(lv)偏低、度電(dian)(dian)成(cheng)本較高(gao)，要降低發(fa)電(dian)(dian)成(cheng)本，大規模(mo)推廣(guang)太陽(yang)能(neng)熱(re)發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)(shu)，就要提高(gao)電(dian)(dian)站(zhan)效(xiao)率(lv)，一(yi)方面是(shi)裝備的開發(fa)，另(ling)一(yi)方面是(shi)循環發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)(shu)的升級迭代。

▲政策支持

三、光熱發電技術的發展階段

如下圖(tu)，目前，光熱(re)發(fa)電(dian)基本處(chu)于(yu)第二代，光-電(dian)轉(zhuan)換(huan)效率約20%。未來要提(ti)(ti)高(gao)光熱(re)發(fa)電(dian)效率、降(jiang)(jiang)低度電(dian)成(cheng)本，需(xu)要開發(fa)更(geng)高(gao)溫的(de)(de)儲熱(re)技術，采用更(geng)高(gao)效的(de)(de)熱(re)-電(dian)轉(zhuan)化系統，即第三代光熱(re)發(fa)電(dian)技術。通(tong)過效率提(ti)(ti)升，同發(fa)電(dian)功(gong)率下，大幅降(jiang)(jiang)低鏡場、集(ji)熱(re)器、熔鹽的(de)(de)需(xu)求量，度電(dian)成(cheng)本將下降(jiang)(jiang)50%-70%。

四、新一代光熱發電技術的典型特征

第三代光熱(re)(re)發(fa)電系統，儲熱(re)(re)溫度達700℃以上，同(tong)時采用熱(re)(re)電轉化效率更高的布雷頓循環做為動力系統。高效、靈活(huo)是第三代光熱(re)(re)發(fa)電的典型特征(zheng)。

1、高效：

1)三元鹽(yan)/顆(ke)粒商(shang)用推(tui)廣，集熱溫度提升至700℃以上；

2)動力島采用超(chao)臨(lin)界CO2布雷頓循(xun)環，循(xun)環效率大(da)幅提升。

采用CO2布雷頓循環(huan)(huan)作(zuo)為動力循環(huan)(huan)，有什么好(hao)處(chu)？

如(ru)下(xia)圖所示，主汽溫度(du)越高(gao)，CO2循環發電效率(lv)的收益(yi)越高(gao)，700℃時，CO2循環發電比水發電循環效率(lv)高(gao)出6%~8%。

2、靈活：

目前，光熱發電(dian)(dian)(dian)較燃(ran)煤發電(dian)(dian)(dian)而言更為靈活。為什么(me)采用第三代光熱發電(dian)(dian)(dian)技術，調峰的深(shen)度和速度會大幅度提升？

因為整個水循(xun)環發電工質流(liu)程(cheng)中，有兩(liang)次相變(bian)，技術流(liu)程(cheng)較長、相對復雜。CO2布雷(lei)頓(dun)循(xun)環替代水循(xun)環后(hou)，動力(li)轉化過(guo)程(cheng)中沒有相變(bian)，都是類氣態的(de)狀態，靈活(huo)性能得到更好的(de)釋(shi)放。

因此，采用CO2循環以后，整個光熱機組的調(diao)峰調(diao)頻(pin)能力、深度調(diao)節范圍都會得到進一步提升。

國內外光熱超臨界CO2發電技術進展

接下來(lai)，給(gei)各位專家匯(hui)報一下國內外(wai)超(chao)臨界CO2光熱發展(zhan)(zhan)的研究進展(zhan)(zhan)。

一、國外光熱超臨界CO2發電技術進展

國(guo)外光熱超臨(lin)界CO2發電技(ji)術的研究美國(guo)做(zuo)的相對較多：

2010年(nian)，美國(guo)(guo)桑迪亞國(guo)(guo)家實驗室(shi)SNL：Wright等首次提出將超臨界CO2循環與太陽能熱發(fa)電(dian)結(jie)合(he)；

2011年，美國能(neng)源部DOE發起“Sunshot”計劃以推動(dong)太陽能(neng)熱(re)發電技術發展；

2012年，澳大利(li)亞聯邦(bang)科學與工業研(yan)究組織CSIRO發起(qi)太陽能熱(re)利(li)用研(yan)究項目計劃“ASTRI”計劃；

2020年，歐盟(meng)：“Horizon 2020”正在建設歐洲第一個(ge)面向光(guang)熱(re)應(ying)用的(de)MW級超臨界(jie)CO2循環機組；

2023年，美國能(neng)源部(bu)DOE等，“STEP”項(xiang)目10MW超臨界CO2發電機(ji)(ji)組機(ji)(ji)械竣工。

▍美國10MWe“超(chao)臨界(jie)變(bian)革性發電”（STEP）示范試點項目

美國(guo)能源部（DOE）牽(qian)頭，美國(guo)西南研究(jiu)院、GTI Energy公(gong)司(si)和GE Vernova公(gong)司(si)等聯合開(kai)發，投資(zi)1.69億(yi)美元。

2023年(nian)(nian)3月，成(cheng)功(gong)實現壓(ya)縮(suo)機部分在超臨(lin)界(jie)條件下(xia)的首次運(yun)行(xing)；2023年(nian)(nian)10月，中試(shi)機組機械竣工；2024年(nian)(nian)1月，天然氣鍋(guo)爐點(dian)火(huo)加(jia)熱(re)，將(jiang)透平運(yun)行(xing)至(zhi)18000rpm中間轉速；預計(ji)2025年(nian)(nian)完成(cheng)整體測(ce)試(shi)。

二、國內光熱超臨界CO2發電技術進展

實際(ji)上，國(guo)內光熱超臨(lin)界CO2發電技術的研究歷經近10年，從(cong)高校(xiao)到(dao)研究機構(gou)到(dao)企業(ye)已投入了(le)大(da)量精力(li)。

2015年，西安交通(tong)大學啟(qi)動國(guo)家(jia)重點(dian)研(yan)發項目（十三五），光(guang)熱超臨界(jie)CO2循環系統理論研(yan)究；

2021年，西安熱工研(yan)究院(yuan)：成功投運(yun)5MW超臨界CO2循環發電機(ji)組；

2021年，中科院工熱(re)所：MW級超臨界CO2壓縮機測(ce)試成(cheng)功；

2023年(nian)，中(zhong)國科學院電工研究(jiu)所(suo)&西(xi)安熱工院：依托國家重點研發項目（十(shi)三(san)五(wu)）建(jian)成200kW光(guang)熱超臨界(jie)CO2機組(zu)；同年(nian)，西(xi)安熱工院完成青海50MW光(guang)熱超臨界(jie)CO2項目可行(xing)性研究(jiu)。

▍國家(jia)重點研發計劃-200kW光熱超(chao)臨界CO2循環系統試驗機組(zu)

中(zhong)國科學院(yuan)電工研究所王(wang)志峰老師牽頭，西安熱工院(yuan)負責超臨界(jie)CO2機組研發。

2022年，建成超(chao)(chao)臨界(jie)CO2機(ji)組、集熱(re)系統(tong)、顆(ke)粒(li)/超(chao)(chao)臨界(jie)CO2換熱(re)器；2023年，超(chao)(chao)臨界(jie)CO2機(ji)組通過第三方(fang)調試；2024年，延慶基地光(guang)熱(re)-超(chao)(chao)臨界(jie)CO2機(ji)組聯調。

西安熱工院前期研究成果

一、西安熱工院超臨界CO2發電技術研發歷程

接下來介紹一下西(xi)安熱(re)工院在超(chao)臨界(jie)CO2發電(dian)，尤其是(shi)光熱(re)超(chao)臨界(jie)CO2發電(dian)領域的研究(jiu)工作。

2014年6月，西安熱(re)工(gong)院成立超臨(lin)界(jie)流體先(xian)進動力系統初(chu)創團隊(dui)；8月，在國家自然科學基(ji)金支持(chi)下(xia)，開始探索性研究；

2015年(nian)6月，華(hua)能集(ji)團重(zhong)大(da)科技項目(mu)正式(shi)揭開序幕；12月，發改委創(chuang)新能力(li)建設項目(mu)獲批，加大(da)投(tou)資(zi)力(li)度(du)；

歷時5年，2020年8月，整(zheng)個(ge)裝置研制完成，完成在閻良基地的整(zheng)機(ji)安裝；12月，超臨界CO2鍋爐(lu)點火成功(gong)。

機組調試運行近一(yi)年后(hou)，2021年11月，完成了(le)72小時滿功(gong)率、長周期試運。

在此基礎，我們希望把(ba)超臨界CO2發(fa)電技術向潛在應(ying)用方(fang)向推(tui)廣，包括新一(yi)代高(gao)效靈活火電、第四代核電、大(da)規模電熱儲能以(yi)及高(gao)溫光熱發(fa)電。

二、西安熱工院光熱超臨界CO2發電技術研發規劃

1、國(guo)(guo)家(jia)重點研發(fa)計劃項目提供(gong)理論(lun)基礎：國(guo)(guo)家(jia)重點研發(fa)計劃項目——200kWe光熱發(fa)電試(shi)驗(yan)機組(zu)已完成整機第三方測(ce)試(shi)，運往延(yan)慶光熱基地。

2、華能青(qing)海50MW光(guang)熱(re)(re)/光(guang)伏一體化：完成(cheng)華能青(qing)海50MW超臨界(jie)CO2光(guang)熱(re)(re)發電(dian)機(ji)組可研。

三、200kW光熱超臨界CO2發電機組

1、整體情況

接下來給大家匯報下200kW光(guang)熱(re)(re)超臨界CO2發電機組(zu)的整體情況，項目于2018年(nian)立項，包(bao)括整套聚(ju)光(guang)集熱(re)(re)及動力系統(tong)，聚(ju)光(guang)集熱(re)(re)系統(tong)由(you)中國科(ke)學(xue)院和清(qing)華大學(xue)研制，CO2動力系統(tong)由(you)西安熱(re)(re)工院研制。

透平(ping)熱功轉換系統(tong)研究技術路線(xian)：

1)光(guang)熱與熱力循環(huan)協(xie)同優(you)化

2)透平壓(ya)縮機(ji)高(gao)效寬(kuan)負荷熱功(gong)轉換特性

3)開(kai)發高效緊湊換(huan)熱器樣機

4)適用光熱頻繁啟停(ting)氣動-結構-傳熱一體化設計

5)研制200kW超(chao)臨界(jie)CO2發電裝置

6)利用(yong)5MW及200kW試(shi)驗平臺研究系統(tong)動態特性(xing)

2、壓縮機設計(ji)：掌(zhang)握了高效寬(kuan)工況超臨界(jie)CO2壓縮機設計(ji)關(guan)鍵技(ji)術(shu)

揭示了超臨(lin)界CO2壓(ya)(ya)縮機(ji)(ji)與傳統(tong)空(kong)氣壓(ya)(ya)縮機(ji)(ji)不同的流(liu)(liu)動(dong)(dong)損失機(ji)(ji)理和失穩機(ji)(ji)制，提出基于(yu)葉輪(lun)輪(lun)蓋處(chu)理的超臨(lin)界CO2壓(ya)(ya)縮機(ji)(ji)擴穩流(liu)(liu)動(dong)(dong)控(kong)制方法，完成(cheng)了200kW超臨(lin)界CO2透平(ping)發電(dian)系統(tong)的兩級壓(ya)(ya)縮機(ji)(ji)設(she)計。

3、透平設計(ji)：掌握了高能(neng)量密度(du)超臨界CO2壓縮機透平設計(ji)關鍵技術(shu)

闡明(ming)了不純超(chao)臨(lin)界(jie)CO2對(dui)透(tou)(tou)平(ping)輸(shu)出功的(de)影響(xiang)，揭示了超(chao)臨(lin)界(jie)CO2透(tou)(tou)平(ping)有別于傳統(tong)燃氣(qi)透(tou)(tou)平(ping)的(de)通(tong)道(dao)渦(wo)(wo)(wo)與泄漏(lou)渦(wo)(wo)(wo)相互作用機制，建立了考(kao)慮通(tong)道(dao)渦(wo)(wo)(wo)與泄漏(lou)渦(wo)(wo)(wo)相互作用的(de)超(chao)臨(lin)界(jie)CO2透(tou)(tou)平(ping)葉輪通(tong)道(dao)流動損失(shi)模型，完成(cheng)了200kW超(chao)臨(lin)界(jie)CO2透(tou)(tou)平(ping)發電系統(tong)的(de)四級(ji)軸流透(tou)(tou)平(ping)設計。

4、換熱器設計：開發了PCHE流動換熱性能優化設計方法

開發了(le)(le)高(gao)效低阻類菱形翅片印刷(shua)電(dian)路板(ban)換(huan)熱(re)(re)(re)器流道，提出了(le)(le)印刷(shua)電(dian)路板(ban)換(huan)熱(re)(re)(re)器結構多目標優化(hua)設計(ji)方法，提出了(le)(le)大(da)型(xing)超臨界CO2印刷(shua)電(dian)路板(ban)換(huan)熱(re)(re)(re)器數據處理(li)方法，揭示了(le)(le)交叉流換(huan)熱(re)(re)(re)對PCHE性能(neng)影(ying)響(xiang)規律。

5、樣機(ji)研發：研發了200kW超臨界CO2機(ji)組樣機(ji)

2023年(nian)初，所有設備(bei)完成加工(gong)制造，運(yun)(yun)到西安(an)熱工(gong)院實驗基地現場安(an)裝；2023年(nian)底，西安(an)熱工(gong)院委托(tuo)中(zhong)國特種設備(bei)檢測研究院開(kai)展機組(zu)的(de)第三方測試、運(yun)(yun)行調試相關工(gong)作。

機(ji)組組建完成，這套(tao)系統如何控(kong)制(zhi)？如何運行？如何與前面聚光(guang)集熱(re)系統的控(kong)制(zhi)要(yao)求(qiu)協調工(gong)作？是當時困(kun)擾(rao)我們的難題。

6、動態仿真：搭建了通用型動態特(te)性(xing)及(ji)控(kong)制策略(lve)開發邏(luo)輯框架(jia)

因為200kW光熱超臨界CO2發電機(ji)組的動力系統(tong)與傳(chuan)統(tong)水循環(huan)動力系統(tong)及燃機(ji)布雷頓循環(huan)動力系統(tong)差(cha)距較(jiao)大(da)。

結合前期火電5MW項目(mu)的(de)(de)研究經驗(yan)，在通用模(mo)塊庫的(de)(de)基礎上，開發了動(dong)態(tai)仿(fang)真模(mo)型，進行了各個動(dong)態(tai)控(kong)制(zhi)模(mo)塊的(de)(de)性(xing)能分析(xi)，最終(zhong)完成控(kong)制(zhi)策略的(de)(de)開發。通過(guo)動(dong)態(tai)仿(fang)真初步提出深度調峰和快(kuai)速調峰控(kong)制(zhi)策略。

7、控制策略開發

將運行控制策略(lve)在5MW試驗(yan)機(ji)組(zu)上(shang)進行深(shen)度調(diao)(diao)峰(feng)試驗(yan)驗(yan)證，下圖為0到100%供電功率(lv)全負荷調(diao)(diao)節(jie)的(de)實測情(qing)況。

通過快速調峰試驗，驗證(zheng)了控(kong)制模塊和控(kong)制策略；另外，進(jin)行(xing)了典型的控(kong)制工況，包括定(ding)溫運(yun)行(xing)、定(ding)壓(ya)運(yun)行(xing)等(deng)不同控(kong)制策略的評(ping)估。

最終在上述經驗(yan)的基(ji)礎(chu)上，針對200kW的光熱(re)超臨界CO2發電機(ji)組(zu)開(kai)發了專屬的控(kong)制(zhi)邏(luo)輯和(he)策略。動(dong)態響應(ying)、冷(leng)罐熱(re)罐的溫變速(su)率(lv)都(dou)是制(zhi)約(yue)動(dong)態控(kong)制(zhi)開(kai)發的關鍵因素(su)。

在光熱發電典(dian)型邊界(jie)條件的要(yao)求下，我們分別進行(xing)了加(jia)熱功率控制、工質存量控制、質量流量控制、轉速控制等(deng)一系(xi)列控制策略(lve)評估。

8、運行測試

200kW光(guang)熱機組(zu)測試(shi)分(fen)析和國重任務對(dui)標(biao)分(fen)析：

在上(shang)述控制策略的支撐下(xia)，2023年年底，我們請(qing)中國特(te)種(zhong)設備(bei)檢測(ce)(ce)研究院在實(shi)驗基地進行了200kW超(chao)臨(lin)界CO2裝置的性(xing)能測(ce)(ce)試。性(xing)能監測(ce)(ce)分析結果(guo)表明，我們圓滿完(wan)成了國家重點研發計劃項目的指標要求。

9、延慶聯調

200kW光熱機(ji)組裝置通過第三方檢測(ce)后(hou)，已運至北京延慶和聚光系統進行對(dui)接，預計今年(nian)夏季集中驗收。

典型應用推廣案例

最(zui)后(hou)，“十四五”期(qi)間推廣應用的項目，在(zai)5MW試驗機組研(yan)究的基礎上，幾個方向同(tong)步開展工作，其他領域(yu)不再(zai)贅述，主要介紹下青(qing)海(hai)海(hai)西地區50MW的超臨界CO2示(shi)范項目。

▍青海(hai)50MW光(guang)熱(re)超臨界CO2機組

1、前期科技項目：

考慮是首臺套，難度(du)系(xi)數較(jiao)大，沒有采用700℃的儲熱溫(wen)度(du)，沿用現(xian)階段成熟太陽鹽565℃的溫(wen)度(du)；

“青(qing)海(hai)海(hai)西地區50MW光熱超(chao)臨界(jie)CO2循環(huan)發電項(xiang)目(mu)可行性研究”，該項(xiang)目(mu)為(wei)期一年(nian)，已(yi)于(yu)2023年(nian)7月結(jie)題(ti)驗(yan)收。

2、工程可行性研(yan)究：

“華(hua)能青海公司格爾木50萬超臨界(jie)CO2光熱融合示范項目可(ke)行性(xing)研究”，該項目主辦單位(wei)為青海分公司，由西(xi)安(an)熱工院和西(xi)北(bei)電力設(she)計院聯合承擔(dan)。

3、發展規劃：

青海(hai)海(hai)西地區50MW超(chao)臨界CO2光熱發(fa)電技術(shu)經濟性及工程示范研究(jiu)；

華能青海公(gong)司格(ge)爾木45萬光伏+5萬超臨(lin)界CO2項目(mu)。

4、技術特點

光熱和(he)光伏結合，強(qiang)化電(dian)源(yuan)側靈活調節作(zuo)用；

優化電源規模配(pei)比(bi)，多能互補(bu)后打捆送(song)出，5萬千(qian)瓦超臨界CO2循(xun)環發(fa)電機組擬采用(yong)(yong)發(fa)電、調相兩用(yong)(yong)模式，白天空載運(yun)行(xing)主要作(zuo)為調相機使用(yong)(yong)，夜間大負荷運(yun)行(xing)支撐晚高(gao)峰用(yong)(yong)電需求，有效解決用(yong)(yong)電高(gao)峰期和低谷期電力(li)輸出的(de)(de)不(bu)平衡(heng)問題和提高(gao)電網的(de)(de)穩定(ding)性(xing)；

提供轉動慣量，保障(zhang)機組安全；

助力(li)風光(guang)基地一(yi)體化發展。

2024第十(shi)一(yi)屆中國國際光(guang)熱大(da)(da)會(hui)暨CSPPLAZA年會(hui)4月(yue)25-26日在內蒙古呼和浩(hao)特香格里拉大(da)(da)酒店盛大(da)(da)召開，大(da)(da)會(hui)由CSPPLAZA光(guang)熱發電(dian)平臺聯合常州(zhou)龍(long)騰光(guang)熱科(ke)技(ji)股(gu)份有(you)限公司共同主(zhu)辦，大(da)(da)會(hui)主(zhu)題為“在多變的形勢下實現規模化發展”，共有(you)來自海內外約(yue)800名代(dai)表出(chu)席(xi)本屆大(da)(da)會(hui)。