燃?xì)廨啓C(jī)助力超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展
發(fā)布者：walt | 來(lái)源：中國(guó)航空?qǐng)?bào) | 2評(píng)論 | 31900查看 | 2014-11-28 09:20:00
初聽(tīng)起來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)，太陽(yáng)能發(fā)電，超臨界CO2這些是風(fēng)馬牛不相及的事。其實(shí)不然，科學(xué)的進(jìn)步已將它們緊密的聯(lián)系了起來(lái)。
太陽(yáng)能發(fā)電有二種：光伏發(fā)電和太陽(yáng)熱發(fā)電。前者是利用太陽(yáng)光照射半導(dǎo)體材料，通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生出電流。其技術(shù)成熟，使用方便，現(xiàn)在用的多。但光伏發(fā)電難大規(guī)模儲(chǔ)能，而且煉硅能耗很大。太陽(yáng)熱發(fā)電是利用太陽(yáng)能的輻射能，通過(guò)集熱器和聚熱接收器，將工質(zhì)加熱，再通過(guò)熱機(jī)發(fā)電。太陽(yáng)熱發(fā)電有拋物線槽式，線性Fresnel反射鏡式、塔式、碟式。由于這種發(fā)電需要高溫高壓，太陽(yáng)光的聚焦必須有很大的聚光倍數(shù)。根據(jù)發(fā)電規(guī)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(yáng)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(dòng)跟蹤每時(shí)每刻太陽(yáng)的位置，一般用計(jì)算機(jī)控制。聚熱接收器有空腔式，管式等。以上這幾種太陽(yáng)熱發(fā)電形式，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)國(guó)外都已有試驗(yàn)的，示范的，生產(chǎn)使用的。但成本高，電價(jià)高，還要靠政府補(bǔ)貼，這仍是大規(guī)模推廣的障礙。如美國(guó)現(xiàn)在太陽(yáng)熱發(fā)電廠基建投資為，每千瓦4000~8500美元（上限是包括了儲(chǔ)熱、下限是無(wú)儲(chǔ)熱的槽式，直接蒸汽發(fā)電的塔式或碟式）。在美國(guó)西南部，現(xiàn)太陽(yáng)熱發(fā)電平均發(fā)電成本為12~18美分/度，有30%的投資稅收抵免（ITC）。
利用太陽(yáng)能的革命性計(jì)劃
太陽(yáng)熱發(fā)電包括五個(gè)系統(tǒng)，即太陽(yáng)場(chǎng)系統(tǒng)、傳熱流體系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)。要降低成本和電價(jià)，就要提高動(dòng)力機(jī)械的循環(huán)效率；提高傳熱流體的溫度；把儲(chǔ)熱系統(tǒng)工質(zhì)和傳熱流體一體化等。其中最關(guān)鍵的是需要提高熱機(jī)的循環(huán)效率。2011年美國(guó)能源部制定了一項(xiàng)計(jì)劃，稱之為“利用太陽(yáng)能發(fā)電的創(chuàng)新綱領(lǐng)”（sunShot Initiative）。目標(biāo)是到2020年太陽(yáng)熱發(fā)電電價(jià)降到6美分/度；熱機(jī)采用干冷卻不用水，循環(huán)效率大于50%。在2020年實(shí)現(xiàn)降低75%成本的目標(biāo)，使太陽(yáng)能發(fā)電于2030年占全美電力的14%，2050年占27%。
這是一個(gè)革命的、步子很大的關(guān)于太陽(yáng)能技術(shù)進(jìn)步的計(jì)劃。具體方案是熱機(jī)采用“超臨界CO2（二氧化碳）布雷頓循環(huán)（Brayton）”。超臨界CO2是氣態(tài)和液態(tài)并存的流體，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)約為液體的100倍。超臨界CO2的特點(diǎn)是臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無(wú)色無(wú)味無(wú)毒，安全，價(jià)格便宜，純度高，易獲得。超臨界CO2布雷頓循環(huán)僅需外界提供500~800攝氏度的溫度，這是太陽(yáng)熱集熱器和聚熱接收器，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)即可很容易達(dá)到的的溫度。燃?xì)廨啓C(jī)用的也正是布雷頓循環(huán)，這就使燃?xì)廨啓C(jī)也可以成為太陽(yáng)熱發(fā)電的有力推動(dòng)者。超臨界CO2布雷頓循環(huán)與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的區(qū)別主要是：能源用太陽(yáng)熱不用油氣燃料；循環(huán)工質(zhì)不是空氣是超臨界CO2；循環(huán)是閉式循環(huán)不是開(kāi)式循環(huán)。
現(xiàn)有的太陽(yáng)熱發(fā)電，用油、鹽或蒸汽做傳熱流體，經(jīng)它將太陽(yáng)熱接收器得到的熱傳給機(jī)組，但流體的性質(zhì)限制了機(jī)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(yùn)行溫度一般意味著較高的循環(huán)熱效率和能更有效的儲(chǔ)熱。超臨界CO2作為循環(huán)工質(zhì)和傳熱流體，用于太陽(yáng)熱發(fā)電，可做到運(yùn)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(huán)高。由于超臨界CO2密度高，循環(huán)簡(jiǎn)單，所以機(jī)組重量輕，尺寸小（僅為汽輪機(jī)的1/10）；安裝維護(hù)運(yùn)行費(fèi)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(shù)百M(fèi)W )可做主力電站。超臨界CO2機(jī)組目前已接近商業(yè)化，10MW的示范機(jī)則已在做。 現(xiàn)在用于太陽(yáng)熱發(fā)電的循環(huán)，主要是亞臨界朗肯循環(huán)和斯特林循環(huán)，效率在35%~45%。超臨界CO2布雷頓循環(huán)的性能改進(jìn)，可以明顯高于商業(yè)化的蒸汽循環(huán)，很可能做為新一代的換代產(chǎn)品，可以用于廉價(jià)太陽(yáng)能熱發(fā)電。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）分析比較了多種循環(huán)的有關(guān)數(shù)據(jù)，如效率、起動(dòng)、成本、和可靠性等，認(rèn)為超臨界CO2布雷頓循環(huán)很有前途。他們采用的工作辦法是，從簡(jiǎn)單超臨界CO2布雷頓循環(huán)入手，一步步挖掘潛力，提高系統(tǒng)性能，增加采用能夠大幅提高效率的技術(shù)措施。措施主要包括：(1)增加透平進(jìn)口溫度：從500攝氏度提高到700攝氏度或更高。(2)壓縮過(guò)程由兩步完成。即有主壓縮機(jī)，還有“再壓”壓縮機(jī)。(3)使用壓縮機(jī)中間冷卻。(4)透平也分兩級(jí)，并對(duì)排出的工質(zhì)再熱。(5)壓縮機(jī)和透平為分軸式，使其各在優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。(6)增加底循環(huán)，如朗肯循環(huán)或串聯(lián)的超臨界CO2循環(huán)。
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(jiàn)下圖：
圖：美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的廉價(jià)發(fā)電方案
圖中所示，渦輪排出工質(zhì)（6）經(jīng)預(yù)冷卻器冷卻后進(jìn)入預(yù)壓縮機(jī)（7），流體在預(yù)壓縮機(jī)出口（8）分為二股，一股進(jìn)入再壓縮機(jī)， 另一股經(jīng)中間冷卻器進(jìn)入主壓縮機(jī)（9）。經(jīng)預(yù)壓縮機(jī)后的，再壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力是中間壓力，即再壓縮機(jī)運(yùn)行于渦輪壓比的部分壓力，研究發(fā)現(xiàn)此循環(huán)在高溫時(shí)效率最高，而且對(duì)壓比的變化不敏感。此循環(huán)也適合大的渦輪壓比，和可為再熱式運(yùn)行提供較好性能。用于太陽(yáng)能熱發(fā)電，中間冷卻的另一個(gè)重大好處是其較大的溫差適合于主加熱器，大溫差對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的顯熱熱儲(chǔ)存更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)闇夭畲缶涂缮儆脙?chǔ)熱介質(zhì)。
參數(shù)選擇和一些部件的作用如下：
高溫回?zé)崞髋c低溫回?zé)崞?/strong>：用低壓渦輪的熱排氣，給主壓縮機(jī)后的高壓超臨界CO2流體加熱和再壓縮機(jī)后的超臨界CO2流體加熱
再壓縮機(jī)：增加再壓縮循環(huán)的目的是為了減少發(fā)生在回?zé)崞鲀?nèi)的夾點(diǎn)（pinch point）效應(yīng)，這是由于高低壓流體間流體容量率（capacitance rate）不同產(chǎn)生的。再壓縮循環(huán)用減少質(zhì)量流率辦法減少流體容量率的差別，分流一股流體進(jìn)入再壓縮機(jī)，將其溫度和壓力增加到與低溫回?zé)崞鞯某隹趬毫Γ上嗪显诟邷鼗責(zé)崞鞯玫郊訜帷?/div>
中間冷卻器：這是氣體循環(huán)普遍使用的方法，可以減少壓縮需用的功。對(duì)超臨界CO2布雷頓循環(huán)的另一好處是可以消除主壓縮機(jī)入口壓力與低壓渦輪出口壓力的相互影響。
再熱：在膨脹過(guò)程增加“再熱”，是提高動(dòng)力循環(huán)普遍使用的方法，可以提高熱效率1~2個(gè)百分點(diǎn)，這足夠補(bǔ)償為此增加的費(fèi)用。研究結(jié)果還表明增加“再熱”對(duì)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(huán)的效率。希望太陽(yáng)熱接收器能提供盡可能高的溫度，這實(shí)際是太陽(yáng)光聚光器光學(xué)和太陽(yáng)熱接收器和渦輪入口管線材料選擇的問(wèn)題。本方案設(shè)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(yáng)熱發(fā)電的聚光器光學(xué)性能和太陽(yáng)熱接收器的性能一致。
選擇壓縮機(jī)入口超臨界CO2流體溫度：太陽(yáng)熱發(fā)電廠一般都在干旱地方，當(dāng)?shù)厮Y源有限，驅(qū)使電廠使用干冷卻而不用蒸發(fā)冷卻。但干冷卻有三個(gè)主要缺點(diǎn)。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(qū)，年平均干濕溫差常高達(dá)10K（絕對(duì)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?yàn)槠鋫鳠崧瘦^低；而尺寸大會(huì)帶來(lái)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(zhì)之間保持高溫差。據(jù)計(jì)算，壓縮機(jī)入口超臨界CO2流體溫度在45~65攝氏度之間時(shí)，超臨界CO2循環(huán)的效率都大于49%。在外界干球溫度為40攝氏度，設(shè)壓縮機(jī)入口超臨界CO2流體溫度為50攝氏度時(shí)，本方案循環(huán)效率約51%~52%，可比蒸汽循環(huán)高4~5個(gè)百分點(diǎn)。要注意，有回?zé)岬牟祭最D循環(huán)對(duì)換熱器的效率和壓損很敏感。換熱器的選擇對(duì)循環(huán)效率及機(jī)組成本有重大影響，因?yàn)閺膿Q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(shè)計(jì)中需要全面權(quán)衡循環(huán)效率與機(jī)組復(fù)雜程度及成本，做出優(yōu)化選擇。因?yàn)楦吡黧w密度的超臨界CO2渦輪機(jī)很緊湊，雖然增加了壓縮機(jī)、再熱器等，但比多級(jí)軸流燃?xì)鉁u輪或蒸汽輪機(jī)還是簡(jiǎn)單，而且它可以減少太陽(yáng)能集光器數(shù)量和縮小儲(chǔ)熱系統(tǒng)尺寸?，F(xiàn)在工業(yè)用超臨界CO2布雷頓循環(huán)機(jī)組已處于或接近商業(yè)化應(yīng)用。
技術(shù)探索與試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始
超臨界CO2布雷頓循環(huán)機(jī)組已有些單位在研究。有為出口溫度低的反應(yīng)堆做能量轉(zhuǎn)換用于核工業(yè)的；現(xiàn)在又在大力研究用于太陽(yáng)熱發(fā)電的。對(duì)其中的技術(shù)難點(diǎn)，已做過(guò)不少試驗(yàn)，取得了些經(jīng)驗(yàn)。如美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2007~2009年做了大量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：
在機(jī)組高轉(zhuǎn)速下，測(cè)量超臨界CO2流體的進(jìn)口壓力、出口壓力、溫度、流量、耗功等等，積累了大量數(shù)據(jù)；
游隙（windagelosses）損失試驗(yàn)：因?yàn)檩S的轉(zhuǎn)數(shù)很高，流體密度很大（近似水的密度）所以軸和流體間有很大的摩擦力。在超臨界CO2布雷頓循環(huán)中的高壓和高密度能產(chǎn)生很大的推力，還可能有穿過(guò)密封的流體滲漏，這些必須給予解決；
密封損失試驗(yàn)：曾做了四道封嚴(yán)的迷宮式封嚴(yán)試驗(yàn)和干提升密封（dry-liftoffseal）的封嚴(yán)試驗(yàn)，以減少滲漏；
轉(zhuǎn)子軸動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)：觀察不同支點(diǎn)布置，使用不同軸承情況下，轉(zhuǎn)子振動(dòng)波形等；
軸承試驗(yàn)：做過(guò)球軸承試驗(yàn)；也做過(guò)氣體箔軸承（gas-foilbearing）試驗(yàn)，在75000RPM，用波箔軸承（bumpfoilbearing），用inconel墊支承；
推力軸承研究：因?yàn)槌R界CO2布雷頓循環(huán)，流體壓力高，軸承前后壓差大，需很好解決此問(wèn)題。
我國(guó)的發(fā)展
我國(guó)航空工業(yè)，機(jī)械工業(yè)都有布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)和制造能力，尤其航空工業(yè)能生產(chǎn)各種功率等級(jí)，大量的布雷頓循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。如能充分利用航空技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)備條件，早日開(kāi)展超臨界CO2布雷頓循環(huán)的機(jī)組研發(fā)生產(chǎn)，則既可裝備使用清潔能源的基本負(fù)荷電廠，也可裝備中小電廠就地供電。在太陽(yáng)能充分，當(dāng)?shù)責(zé)o水的地區(qū)，更可發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。由于太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)能建成可儲(chǔ)能，可以將不穩(wěn)定的電變成為可調(diào)度的電，使電網(wǎng)能容納更多不穩(wěn)定的電源（如可再生能源的風(fēng)電等）。從而為實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排，應(yīng)對(duì)氣候變暖做出重大貢獻(xiàn)，又為航空工業(yè)企業(yè)開(kāi)發(fā)了巨大的市場(chǎng)。
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最新評(píng)論
2人參與
hngsfd
好文！
2015-01-05 09:18:50
0
機(jī)電太陽(yáng)能發(fā)電
專利呢？誰(shuí)的專利？到時(shí)候又要交多少專利費(fèi)？
2014-12-15 22:22:11
0
馬上參與
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