超临界二氧化碳涡轮机将降低小型光热电站运营成本

　　近日，由美国西南研究院(SwRI)与美国通用电气公司GE联合设计并制造的全球运行温度最高的超临界二氧化碳（sCO2）涡轮机顺利通过了测试。相关研究人员指出，测试结果表明这种sCO2涡轮机兼具降低电站成本和提升电站运行效率的优势，未来可使得小型光热电站更具市场竞争力。
据SwRI机械工程师Jeffrey Moore博士介绍，该10MW涡轮机仅仅只有大约一张普通桌子的尺寸大小，却可以提供全球工业透平范围内最高的功率密度，目前只有用于航天飞机引擎的涡轮泵可与之匹敌。

图：超临界二氧化碳涡轮机
传统光热发电系统的热效率一般为35％至40％，而配备sCO2涡轮机的光热发电系统可实现近50%的热效率。
提高动力循环的热效率是降低CSP装置的平准化能源成本（LCOE）的关键。 美国能源部（DOE）已为CSP设定了到2030年储能12小时的光热发电系统达到50美元/兆瓦时的成本目标，低于2017年估计的103美元/兆瓦时。美国能源部太阳能技术办公室（SETO）光热发电项目经理Avi Shultz表示，实现50%的热效率使得这一成本目标向前迈进了五分之一。
这种尺寸小但功力强大的涡轮机可耐受高达715℃的高温以及近3,600psi（pounds per square inch，1psi=6.895kPa）的高压，且应用范围极广，适用电站装机最高达450MW。GE高级首席工程师Doug Hofer表示，在超过700℃的工况下，基于超临界二氧化碳的动力循环系统会比蒸汽循环系统更高效。
得益于sCO2动力循环所带来的效率提升，光热电站即使在没有规模效益的条件下也可以获得颇具竞争力的电价。
Shultz表示，即使在装机规模低于百兆瓦的光热电站中，sCO2动力循环依然可以保障相对较高的运行效率，其可帮助装机规模较小（≤50MW）且成本较低的小型光热电站实现与传统大型光热电站相同的运行效率，这将为小型光热电站的开发带来新的市场契机。另外，sCO2涡轮机还应具备更优良的快速启动性能，因为其体积较传统大型蒸汽轮机更小，需要更强的爆发力。
Shultz进一步指出，涡轮膨胀机和涡轮机的技术创新与商业化离不开与之相关部件的同步研发。由SETO和DOE资助的一些项目正在研发与该sCO2涡轮机相匹配的其他部件，例如压缩机、换热器、轴承和密封零件，以及热交换器等。
已有研究表明，热交换器才是制约发电系统瞬态运行的部件。对此，一群来自美国大学的研究人员于近期开发出一种由新型金属陶瓷（陶瓷和金属制成的材料）制成的换热器，可用于高温SCO2电站。测试证明，这种金属陶瓷换热器比目前采用钢和镍基设计的换热器更坚固耐用。
GE研究小组将在全球首个10MW的sCO2电站--超临界转化电力（STEP）试验电站中对该sCO2涡轮机的各种版本进行测试，同时，不同版本的其他相关关键部件也会进行测试。
Shultz指出，超高温光热系统实现大规模商业部署还需要几年时间，当下需要通过测试来降低关键部件的风险性，并证明技术的可行性。测试成功后，将sCO2动力循环集成到商业塔式光热电站中是没有问题的，采用先进熔盐塔式技术路线的电站可直接实现超临界二氧化碳循环改造。
目前，北京首航艾启威节能技术股份有限公司与法国电力公司、EDF（中国）投资有限公司正针对首航节能敦煌10MW光热示范电站实施超临界二氧化碳循环改造，整体改造计划于2020年底完工。