我國首臺自主研制的超臨界二氧化碳發電機組成功交付用戶使用
近日，我國自主研制的國內首臺6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發電機組，已經完成了機械運轉試驗并順利出廠交付用戶。這一結果，標志著設計制造商的核心技術成功應用于又一全新領域，這對于推動我國超臨界二氧化碳發電技術商業化具有里程碑意義。
據悉：這款*新研發成果，是由中國船舶集團所屬重慶江增船舶重工有限公司自主研制的，整機性能達到了國際領先水平。江增重工是目前國內唯一一家取得兆瓦級超臨界二氧化碳透平壓縮發電機組商業合同的廠家，產品從設計到交付使用，整整歷時3年。
目前，隨著能源、環保問題加劇，超臨界二氧化碳發電技術已是全球發電領域*新*熱的研究方向。江增重工研制的這款發電機組，系統熱效率可超過50%，比*先進的蒸汽動力循環高出25%，這將有效提高發電效率，縮短電廠建設周期，并顯著降低成本，同時適用于荒漠缺水地區。這些優點都是普通發電系統無法比擬的。未來可替代傳統蒸汽輪機和氦氣輪機發電機組，應用范圍和前景廣闊。
科普知識：
目前承擔基礎負荷的發電形式主要是 火力發電（鍋爐+汽輪機），其能量轉換系統采用工質為 水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源（燃煤），水在封閉管路中經升壓后到鍋爐中去吸熱，然后進入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機旋轉進而驅動發電機向電網供電。水的臨界溫度為374攝氏度、壓力為22.05兆帕。目前*先進的超臨界火電機組運行參數為溫度高于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系統采用工質CO2的臨界溫度為 31攝氏度，臨界壓力為 7.38兆帕，可實現高效率的熱能利用并超越傳統的蒸汽輪機。
相關技術進展：
我國能源結構將從化石能源主導的時代進入以可再生能源和化石能源長期共存的多元化時代。超臨界二氧化碳循環發電由于其獨特的優勢，是未來高效靈活火電、高溫光熱發電、新一代核電、余熱發電和先進艦船動力系統的研究熱點。
目前，超臨界二氧化碳（SCO2）發電技術裝置已經從國家級科研機構與高校的研究及實驗階段發展到商業化的臨界點。眾多的商業機構如發電公司、零部件供應商、設計研發企業開始形成產業聯合體。世界范圍內已經有多臺1-10MW級別的機組處于商業示范運營階段。更高功率和參數等級的機組正在設計研發階段，各研究及商業機構均試圖搶占*前沿的技術領域和未來產品市場。
從國別來看，美國、日本、韓國、法國均在系統研究、機組設計、零部件加工及系統示范驗證方面開展了較多的工作。美國目前是毋庸置疑的技術領先者，預期其在近年內完成商業示范，在3-5年將形成1-10MW級超臨界二氧化碳機組完整產業鏈和成功商業案例。中國國內目前還處在理論研究和小型示范機組建設規劃籌建階段，少數廠商有試制計劃和生產能力，與美國差距較為明顯。
2018年9月，中國科學院工程熱物理研究所衡水基地傳來喜訊，新工質發電團隊完成了我國首座大型超臨界二氧化碳（SCO2）壓縮機實驗平臺的建設工作。兆瓦級SCO2 壓縮機通用實驗平臺的建成投運，終結了我國相關研究缺乏實驗條件的歷史，為研究所深入開展SCO2循環發電系統的研究打下堅實的基礎，也為國內從事此項研究的其它科研單位提供了實驗支撐。
該實驗平臺是用于測試SCO2壓縮機工作性能和開展SCO2流體壓縮特性相關基礎實驗的通用平臺，還可以用于開展高速轉子測試、軸承測試和密封測試等實驗。該平臺可調制7～9MPa、0～35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機出口壓力可以達到20MPa 以上；轉子轉速*高可達40000r/min以上，流量*大達到30kg/s；可進行百kW到MW級SCO2壓縮機的精密連續測試，是目前我國唯一的兆瓦級SCO2壓縮機實驗平臺，也是世界上規模*大等級*高的同類實驗平臺。
石灰行業相關前沿技術鏈接：
在石灰行業中，生產石灰所用的石灰石中含有44%成分的二氧化碳，煅燒后產生同數量的二氧化碳氣體，目前在工業制備回收二氧化碳方法中石灰石煅燒方法是產生二氧化碳含量*高的方法。在石灰生產中，如果把二氧化碳回收后用于工業應用將產生可能大于石灰經濟效益，如果全部回收用于發電可以代替石灰生產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電并直接用于電燒石灰生產技術只有唐山金泉冶化科技產業集團旗下的“唐山金泉成套設備有限公司”和“唐山市豐南區金泉冶金能源新技術開發有限公司”（以下簡稱唐山金泉公司）擁有的多項自主知識產權的專利和專有技術，該項系列技術已經在2012年11月被“中國石灰產業學會”立項并重點支持的研發課題，命名為“1211工程”。截止目前，唐山金泉公司已經完成了“石灰窯回收二氧化碳電燒石灰系列技術”、“二氧化碳膨脹做功發電系列技術”、“二氧化碳冷能差壓發電系列技術”、“石灰窯爐內產物氣載熱循環富集高濃度CO2系列技術”、“電能無焰燃燒生產石灰技術”等專利技術的中試和工業化應用的工作，多項技術具備了工業化應用的基礎條件，部分關鍵技術中間試驗項目也取得了突破性進展。
從目前測試的各項數據看，石灰窯回收的二氧化碳氣體所發電能只要達到實際煅燒石灰所用電能的50%就可以與煤炭生產石灰的燃料成本持平，所發電能如果達到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二氧化碳發電技術原理看，主要采用的是二氧化碳閉路循環利用的方法，即采用物理法實現的，是采用多級循環儲能做功，嚴格意義講二氧化碳在發電過程中并沒有“燃燒”消失而是多級儲能做功利用進行發電，這個就是利用了二氧化碳的物理特性進行能量轉換的，用一句話來說明就是“質變產生了量變，量變產生了能量”。
中國石灰產業學會與北方爐窯協會專家組通過對該項技術的跟蹤調研后指出：唐山金泉公司率先研發應用的系列二氧化碳發電技術具有環境友好、熱效率高、經濟性好等特點，是未來清潔高效發電技術和能源綜合利用技術的熱點研究方向，是一項將帶來石灰生產變革的新技術。同時，該項技術也是一項復雜的系統工程，需要有計劃地整合各方資源、有意識地組織廣泛的合作才能取得實質性的突破。建議學會統籌好行業內各項資源，鼓勵高校科研機構與企業積極行動，有規劃有分工地加入此項目技術攻關，支持產學研協同合作。同時，我們也期盼唐山金泉公司繼續用自身的努力在二氧化碳資源化科技創新與成果應用轉化、綠色清潔生產技術推廣、傳統制造業綠色工藝技術改造、建立綠色低碳循環發展產業體系中為整個行業帶來表率和示范。
文稿編輯：
中國石灰產業學會
孫菲
2020年06月09日
