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高效高靈活性超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)

超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)（簡(jiǎn)稱sCO2循環(huán)），采用超臨界CO2為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：①CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下與金屬材料反應(yīng)弱，為進(jìn)一步提高主蒸汽參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。②當(dāng)主蒸汽溫度超過(guò)550℃ 時(shí)，sCO2循環(huán)效率高于水蒸汽朗肯循環(huán)。③sCO2循環(huán)整個(gè)系統(tǒng)高壓運(yùn)行，系統(tǒng)緊湊。在燃煤發(fā)電、核能、太陽(yáng)能、余熱利用等領(lǐng)域具備應(yīng)用前景。 2017年以來(lái)，華北電力大學(xué)徐進(jìn)良教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金、國(guó)家能源集團(tuán)重大項(xiàng)目的支持下，對(duì)sCO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)構(gòu)建、超臨界CO2傳熱特性、sCO2鍋爐及透平等關(guān)鍵部件概念設(shè)計(jì)等開(kāi)展了研究，取得了重要進(jìn)展。相關(guān)成果獲得中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，基于相關(guān)成果獲評(píng)全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)，接受科技日?qǐng)?bào)專訪：加上高溫高壓二氧化碳也能當(dāng)發(fā)電“能手”，重點(diǎn)論文入選SDG7研究論文精選集，該文集是過(guò)去5年Elsevier能源類期刊針對(duì)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的精選論文（中國(guó)約20篇），是能源領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵性研究資源。具體成果如下： 1、超臨界二氧環(huán)塔燃煤發(fā)電循環(huán)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù) 引入?yún)f(xié)同學(xué)，提出多級(jí)壓縮sCO2循環(huán)，結(jié)合再熱及間冷，構(gòu)成sCO2循環(huán)提升效率的廣義路徑。是國(guó)家能源集團(tuán)sCO2燃煤發(fā)電技術(shù)路線的基礎(chǔ)。提出能量復(fù)疊利用原理解決循環(huán)與熱源耦合面臨的煙氣熱量全溫區(qū)吸收難題，是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中sCO2燃煤發(fā)電煙氣余熱吸收的關(guān)鍵技術(shù)。相關(guān)技術(shù)已授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)，中國(guó)專利4項(xiàng)。 2、sCO2鍋爐關(guān)鍵技術(shù) 圍繞sCO2燃煤發(fā)電鍋爐面臨的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題，使用分流減阻、模塊化設(shè)計(jì)鍋爐解決壓降懲罰效應(yīng)，相關(guān)成果獲得國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。提出受熱面溫度控制技術(shù)，形成鍋爐鍋側(cè)與爐側(cè)協(xié)同設(shè)計(jì)方法。獲得燃煤sCO2循環(huán)及全生命周期特性，構(gòu)建循環(huán)側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及尺度標(biāo)度律，解決機(jī)組深度調(diào)峰關(guān)鍵問(wèn)題，從效率、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)態(tài)特性等方面全面論證了sCO2燃煤發(fā)電優(yōu)勢(shì)。相關(guān)技術(shù)已授權(quán)中國(guó)專利3項(xiàng)。 3、sCO2傳熱及換熱器關(guān)鍵技術(shù) 提出類沸騰理論，建立高溫高壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具備取得數(shù)據(jù)的能力，能夠?qū)CO2循環(huán)關(guān)鍵受熱面的流動(dòng)阻力、傳熱系數(shù)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，關(guān)聯(lián)式精度明顯改善，并在此基礎(chǔ)上提出了sCO2水冷壁設(shè)計(jì)，對(duì)超臨界應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)具有廣義指導(dǎo)意義。相關(guān)成果被國(guó)家能源集團(tuán)新能源研究院、西安熱工院等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)廣泛引用，推動(dòng)了我國(guó)sCO2燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)具備回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)能力，形成了sCO2多臺(tái)回?zé)崞鱾鞑⒙?lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)。 4、太陽(yáng)能光熱發(fā)電與低品位能源利用技術(shù) 科研團(tuán)隊(duì)對(duì)中高溫超臨界二氧化碳太陽(yáng)能發(fā)電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有豐富經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在中低溫太陽(yáng)能與余熱利用領(lǐng)域深耕多年。自主研發(fā)了有機(jī)朗肯循環(huán)ORC發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了專利向企業(yè)轉(zhuǎn)讓，推動(dòng)了ORC在余熱利用、制氫、海水淡化等領(lǐng)域的工程應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化及工質(zhì)篩選、多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化及全生命周期評(píng)價(jià)、膨脹機(jī)中多相流理論及實(shí)驗(yàn)等方面具有深厚基礎(chǔ)。相關(guān)技術(shù)已授權(quán)中國(guó)專利10項(xiàng)。超高參數(shù)CO2流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（包括主循環(huán)回路系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、工質(zhì)充液回收系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最大運(yùn)行壓力和溫度分別為25MPa和500oC，實(shí)現(xiàn)全周均勻加熱和半周非均勻加熱，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了超高參數(shù)傳熱數(shù)據(jù)的不足，為發(fā)展新的超臨界傳熱理論提供數(shù)據(jù)支撐，為鍋爐設(shè)計(jì)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。） 1000MW級(jí)sCO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)圖（采用了以下創(chuàng)新性成果：鍋爐模塊化設(shè)計(jì)，消除了壓降懲罰效應(yīng)；引入?yún)f(xié)同學(xué)原理，構(gòu)建了三壓縮循環(huán)；能量復(fù)疊利用原理，實(shí)現(xiàn)煙氣熱量全溫區(qū)吸收。在透平入口參數(shù)為630℃/35 MPa條件下，發(fā)電效率達(dá)到51%，比現(xiàn)有超超臨界水蒸氣機(jī)組提高4個(gè)百分點(diǎn)。）團(tuán)隊(duì)通過(guò)原始創(chuàng)新，在該領(lǐng)域具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，能夠獨(dú)立承擔(dān)該領(lǐng)域的項(xiàng)目。同時(shí)在本領(lǐng)域具有較強(qiáng)的影響力，與國(guó)內(nèi)多家高校團(tuán)隊(duì)、科研院所、重點(diǎn)企業(yè)有實(shí)質(zhì)合作。創(chuàng)新點(diǎn) 1、提出了能量復(fù)疊利用原理及設(shè)備共享概念，解決了sCO2循環(huán)平臺(tái)搭建關(guān)鍵難題。 2、發(fā)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(yīng)，為sCO2鍋爐的研發(fā)提供可行的技術(shù)路徑； 3、提出了超臨界類沸騰理論，建立了超高參數(shù)二氧化碳傳熱系統(tǒng)，為sCO2換熱器設(shè)計(jì)制造提供支撐。應(yīng)用案例本成果是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”的主要支撐，是國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的主要研究對(duì)象，同時(shí)本成果應(yīng)用于我國(guó)國(guó)家能源集團(tuán)~20MW燃煤超臨界二氧化碳平臺(tái)設(shè)計(jì)。獲獎(jiǎng)情獲得中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

華北電力大學(xué) 2023-07-19

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