超臨界二氧化碳發電系統技術
成果完成人瞄準1000MW超臨界二氧化碳燃煤(sCO2)發電系統,主持了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”。
本成果從系統和部件兩個層面進行研究,被推薦為2020年度國家重點研發計劃重點科技成果,并在2021年1月27日科技日報上做了報導。具體成果如下:
1、sCO2鍋爐模塊化設計:sCO2循環流量是水蒸氣機組的6-8倍,導致S-CO2鍋爐嚴重堵塞,發現機組效率懲罰效應。首次提出1/8分流減阻原理,在保持吸熱量及循環流量不變條件下,將壓降降低為傳統設計的1/8,由此提出模塊化鍋爐設計,將鍋爐壓降減小到與水蒸氣鍋爐相當或更低水平,徹底解決大壓降難題。
2、煙氣熱量全溫區吸收:針對sCO2循環適合中高溫熱源,單個sCO2循環無法吸收煙氣全溫區熱量,提出頂低復合循環,實現熱量全溫區吸收。提出能量復疊利用原理及設備共享,完全消除頂底循環效率差并簡化系統。1000MWe級燃煤sCO2發電效率達到~50%,比水蒸氣機組高3-4個百分點。
3、鍋側和爐側綜合調溫方法:針對sCO2進入鍋爐溫度較高,抬高受熱面溫度,提出鍋側和爐側綜合調溫方法,發明“冷熱匹配、層級降溫”原理,提出“上大下小+雙爐膛+煙氣再循環”的創新型鍋爐設計。建成壓力達26MPa的超高參數sCO2傳熱系統,提出超臨界傳熱類沸騰理論,結合實驗數據,給出了鍋爐管發生傳熱惡化的臨界判據。誕生第一臺超臨界二氧化碳燃煤鍋爐原理樣機。
本成果闡明了能量復疊利用原理,是能量梯級利用的繼承和發展,消除了復合循環中頂循環和低循環的效率差,最大限度挖掘了sCO2燃煤發電系統的效率優勢。并首次闡明超臨界流體分子尺度下的非均勻物質結構,顛覆了人類對超臨界流體物質結構的認知,首次將亞臨界壓力下的多相流體理論體系引入到超臨界傳熱中,初步實現了亞臨界和超臨界壓力下能量傳遞與轉換理論的統一,達到國際領先水平。
華北電力大學
2022-07-06