高效高靈活性超臨界二氧化碳發電技術
超臨界二氧化碳動力循環(簡稱sCO2循環),采用超臨界CO2為工作介質實現熱功轉換,具有三個優勢:①CO2化學性質穩定,高溫下與金屬材料反應弱,為進一步提高主蒸汽參數奠定了基礎。②當主蒸汽溫度超過550℃ 時,sCO2循環效率高于水蒸汽朗肯循環。③sCO2循環整個系統高壓運行,系統緊湊。在燃煤發電、核能、太陽能、余熱利用等領域具備應用前景。
2017年以來,華北電力大學徐進良教授團隊在國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金委重點基金、國家能源集團重大項目的支持下,對sCO2燃煤發電系統的熱力循環構建、超臨界CO2傳熱特性、sCO2鍋爐及透平等關鍵部件概念設計等開展了研究,取得了重要進展。相關成果獲得中國電力科學技術杰出貢獻獎,基于相關成果獲評全國高校黃大年式教師團隊,接受科技日報專訪:加上高溫高壓二氧化碳也能當發電“能手”,重點論文入選SDG7研究論文精選集,該文集是過去5年Elsevier能源類期刊針對聯合國可持續發展目標的精選論文(中國約20篇),是能源領域發展的關鍵性研究資源。具體成果如下:
1、超臨界二氧環塔燃煤發電循環構建關鍵技術
引入協同學,提出多級壓縮sCO2循環,結合再熱及間冷,構成sCO2循環提升效率的廣義路徑。是國家能源集團sCO2燃煤發電技術路線的基礎。提出能量復疊利用原理解決循環與熱源耦合面臨的煙氣熱量全溫區吸收難題,是國家重點研發計劃項目中sCO2燃煤發電煙氣余熱吸收的關鍵技術。相關技術已授權美國專利1項,中國專利4項。
2、sCO2鍋爐關鍵技術
圍繞sCO2燃煤發電鍋爐面臨的關鍵難點問題,使用分流減阻、模塊化設計鍋爐解決壓降懲罰效應,相關成果獲得國內外廣泛應用。提出受熱面溫度控制技術,形成鍋爐鍋側與爐側協同設計方法。獲得燃煤sCO2循環及全生命周期特性,構建循環側動態響應及尺度標度律,解決機組深度調峰關鍵問題,從效率、經濟性、動態特性等方面全面論證了sCO2燃煤發電優勢。相關技術已授權中國專利3項。
3、sCO2傳熱及換熱器關鍵技術
提出類沸騰理論,建立高溫高壓實驗臺,具備取得數據的能力,能夠對sCO2循環關鍵受熱面的流動阻力、傳熱系數進行精確預測,關聯式精度明顯改善,并在此基礎上提出了sCO2水冷壁設計,對超臨界應用技術開發具有廣義指導意義。相關成果被國家能源集團新能源研究院、西安熱工院等相關研究機構廣泛引用,推動了我國sCO2燃煤發電技術的發展。同時具備回熱器的設計能力,形成了sCO2多臺回熱器傳并聯網絡設計技術。
4、太陽能光熱發電與低品位能源利用技術
科研團隊對中高溫超臨界二氧化碳太陽能發電的系統設計具有豐富經驗,同時在中低溫太陽能與余熱利用領域深耕多年。自主研發了有機朗肯循環ORC發電系統,實現了專利向企業轉讓,推動了ORC在余熱利用、制氫、海水淡化等領域的工程應用,對系統熱力學優化及工質篩選、多目標參數優化及全生命周期評價、膨脹機中多相流理論及實驗等方面具有深厚基礎。相關技術已授權中國專利10項。
超高參數CO2流動傳熱實驗平臺(包括主循環回路系統、冷卻水循環系統、工質充液回收系統以及數據采集系統,最大運行壓力和溫度分別為25MPa和500oC,實現全周均勻加熱和半周非均勻加熱,獲得了豐富的實驗數據,彌補了超高參數傳熱數據的不足,為發展新的超臨界傳熱理論提供數據支撐,為鍋爐設計提供第一手數據資料。)
1000MW級sCO2燃煤發電系統圖(采用了以下創新性成果:鍋爐模塊化設計,消除了壓降懲罰效應;引入協同學原理,構建了三壓縮循環;能量復疊利用原理,實現煙氣熱量全溫區吸收。在透平入口參數為630℃/35 MPa條件下,發電效率達到51%,比現有超超臨界水蒸氣機組提高4個百分點。)
團隊通過原始創新,在該領域具備較強的競爭力,能夠獨立承擔該領域的項目。同時在本領域具有較強的影響力,與國內多家高校團隊、科研院所、重點企業有實質合作。
創新點
1、提出了能量復疊利用原理及設備共享概念,解決了sCO2循環平臺搭建關鍵難題。
2、發明了模塊化二氧化碳鍋爐,消除了由于大流量引起的壓降懲罰效應,為sCO2鍋爐的研發提供可行的技術路徑;
3、提出了超臨界類沸騰理論,建立了超高參數二氧化碳傳熱系統,為sCO2換熱器設計制造提供支撐。
應用案例
本成果是國家重點研發計劃項目:“超高參數高效二氧化碳燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究”的主要支撐,是國家自然科學基金委重點項目的主要研究對象,同時本成果應用于我國國家能源集團~20MW燃煤超臨界二氧化碳平臺設計。
獲獎情
獲得中國電力科學技術杰出貢獻獎。
華北電力大學
2023-07-19