4月26日，2024第十一屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會在內蒙古呼和浩特盛大召開，西安熱工研究院有限公司（簡稱：西安熱工院）清潔能源技術研究所所長張一帆先生出席會議并作《超臨界CO2循環發電及其高效靈活運行調控技術》的主題報告。

圖：張一帆

以下為演講內容。

各位專家、各位同仁，大家下午好！非常榮幸能夠在這里跟大家進行一次技術交流，今天我匯報的技術題目是《超臨界CO2循環發電及其高效靈活運行調控技術》，報告分為四個部分。

超臨界CO2光熱發電

一、背景和技術原理

首先給各位專家介紹一下超臨界CO2光熱發電背景以及一些基本的技術原理。

2020年9月22日習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話：明確提出中國將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。

構建以新能源為主體的新型電力系統是實現雙碳目標的重要途徑。隨著新能源比例的不斷提升，對電力系統的靈活性和穩定性提出了前所未有的挑戰。以水蒸氣為工質的傳統熱力發電技術在能源利用效率提升和機組靈活性方面已不能滿足當前能源變革的要求。

迫切需要發展具有變革性意義的新型高效靈活熱力發電技術，支撐高比例可再生能源并網，對構建新型電力系統，實現雙碳目標具有重要意義。

二、光熱發電技術特點

光熱發電是典型的綠色發電技術，相比于其他新能源發電技術，具備能夠實現熱電聯供、穩定電網輸出、參與調峰調頻的優勢。但光熱發電最大的問題就是效率偏低、度電成本較高，要降低發電成本，大規模推廣太陽能熱發電技術，就要提高電站效率，一方面是裝備的開發，另一方面是循環發電技術的升級迭代。

▲政策支持

三、光熱發電技術的發展階段

如下圖，目前，光熱發電基本處于第二代，光-電轉換效率約20%。未來要提高光熱發電效率、降低度電成本，需要開發更高溫的儲熱技術，采用更高效的熱-電轉化系統，即第三代光熱發電技術。通過效率提升，同發電功率下，大幅降低鏡場、集熱器、熔鹽的需求量，度電成本將下降50%-70%。

四、新一代光熱發電技術的典型特征

第三代光熱發電系統，儲熱溫度達700℃以上，同時采用熱電轉化效率更高的布雷頓循環做為動力系統。高效、靈活是第三代光熱發電的典型特征。

1、高效：

1)三元鹽/顆粒商用推廣，集熱溫度提升至700℃以上；

2)動力島采用超臨界CO2布雷頓循環，循環效率大幅提升。

采用CO2布雷頓循環作為動力循環，有什么好處？

如下圖所示，主汽溫度越高，CO2循環發電效率的收益越高，700℃時，CO2循環發電比水發電循環效率高出6%~8%。

2、靈活：

目前，光熱發電較燃煤發電而言更為靈活。為什么采用第三代光熱發電技術，調峰的深度和速度會大幅度提升？

因為整個水循環發電工質流程中，有兩次相變，技術流程較長、相對復雜。CO2布雷頓循環替代水循環后，動力轉化過程中沒有相變，都是類氣態的狀態，靈活性能得到更好的釋放。

因此，采用CO2循環以后，整個光熱機組的調峰調頻能力、深度調節范圍都會得到進一步提升。

國內外光熱超臨界CO2發電技術進展

接下來，給各位專家匯報一下國內外超臨界CO2光熱發展的研究進展。

一、國外光熱超臨界CO2發電技術進展

國外光熱超臨界CO2發電技術的研究美國做的相對較多：

2010年，美國桑迪亞國家實驗室SNL：Wright等首次提出將超臨界CO2循環與太陽能熱發電結合；

2011年，美國能源部DOE發起“Sunshot”計劃以推動太陽能熱發電技術發展；

2012年，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CSIRO發起太陽能熱利用研究項目計劃“ASTRI”計劃；

2020年，歐盟：“Horizon 2020”正在建設歐洲第一個面向光熱應用的MW級超臨界CO2循環機組；

2023年，美國能源部DOE等，“STEP”項目10MW超臨界CO2發電機組機械竣工。

▍美國10MWe“超臨界變革性發電”（STEP）示范試點項目

美國能源部（DOE）牽頭，美國西南研究院、GTI Energy公司和GE Vernova公司等聯合開發，投資1.69億美元。

2023年3月，成功實現壓縮機部分在超臨界條件下的首次運行；2023年10月，中試機組機械竣工；2024年1月，天然氣鍋爐點火加熱，將透平運行至18000rpm中間轉速；預計2025年完成整體測試。

二、國內光熱超臨界CO2發電技術進展

實際上，國內光熱超臨界CO2發電技術的研究歷經近10年，從高校到研究機構到企業已投入了大量精力。

2015年，西安交通大學啟動國家重點研發項目（十三五），光熱超臨界CO2循環系統理論研究；

2021年，西安熱工研究院：成功投運5MW超臨界CO2循環發電機組；

2021年，中科院工熱所：MW級超臨界CO2壓縮機測試成功；

2023年，中國科學院電工研究所&西安熱工院：依托國家重點研發項目（十三五）建成200kW光熱超臨界CO2機組；同年，西安熱工院完成青海50MW光熱超臨界CO2項目可行性研究。

▍國家重點研發計劃-200kW光熱超臨界CO2循環系統試驗機組

中國科學院電工研究所王志峰老師牽頭，西安熱工院負責超臨界CO2機組研發。

2022年，建成超臨界CO2機組、集熱系統、顆粒/超臨界CO2換熱器；2023年，超臨界CO2機組通過第三方調試；2024年，延慶基地光熱-超臨界CO2機組聯調。

西安熱工院前期研究成果

一、西安熱工院超臨界CO2發電技術研發歷程

接下來介紹一下西安熱工院在超臨界CO2發電，尤其是光熱超臨界CO2發電領域的研究工作。

2014年6月，西安熱工院成立超臨界流體先進動力系統初創團隊；8月，在國家自然科學基金支持下，開始探索性研究；

2015年6月，華能集團重大科技項目正式揭開序幕；12月，發改委創新能力建設項目獲批，加大投資力度；

歷時5年，2020年8月，整個裝置研制完成，完成在閻良基地的整機安裝；12月，超臨界CO2鍋爐點火成功。

機組調試運行近一年后，2021年11月，完成了72小時滿功率、長周期試運。

在此基礎，我們希望把超臨界CO2發電技術向潛在應用方向推廣，包括新一代高效靈活火電、第四代核電、大規模電熱儲能以及高溫光熱發電。

二、西安熱工院光熱超臨界CO2發電技術研發規劃

1、國家重點研發計劃項目提供理論基礎：國家重點研發計劃項目——200kWe光熱發電試驗機組已完成整機第三方測試，運往延慶光熱基地。

2、華能青海50MW光熱/光伏一體化：完成華能青海50MW超臨界CO2光熱發電機組可研。

三、200kW光熱超臨界CO2發電機組

1、整體情況

接下來給大家匯報下200kW光熱超臨界CO2發電機組的整體情況，項目于2018年立項，包括整套聚光集熱及動力系統，聚光集熱系統由中國科學院和清華大學研制，CO2動力系統由西安熱工院研制。

透平熱功轉換系統研究技術路線：

1)光熱與熱力循環協同優化

2)透平壓縮機高效寬負荷熱功轉換特性

3)開發高效緊湊換熱器樣機

4)適用光熱頻繁啟停氣動-結構-傳熱一體化設計

5)研制200kW超臨界CO2發電裝置

6)利用5MW及200kW試驗平臺研究系統動態特性

2、壓縮機設計：掌握了高效寬工況超臨界CO2壓縮機設計關鍵技術

揭示了超臨界CO2壓縮機與傳統空氣壓縮機不同的流動損失機理和失穩機制，提出基于葉輪輪蓋處理的超臨界CO2壓縮機擴穩流動控制方法，完成了200kW超臨界CO2透平發電系統的兩級壓縮機設計。

3、透平設計：掌握了高能量密度超臨界CO2壓縮機透平設計關鍵技術

闡明了不純超臨界CO2對透平輸出功的影響，揭示了超臨界CO2透平有別于傳統燃氣透平的通道渦與泄漏渦相互作用機制，建立了考慮通道渦與泄漏渦相互作用的超臨界CO2透平葉輪通道流動損失模型，完成了200kW超臨界CO2透平發電系統的四級軸流透平設計。

4、換熱器設計：開發了PCHE流動換熱性能優化設計方法

開發了高效低阻類菱形翅片印刷電路板換熱器流道，提出了印刷電路板換熱器結構多目標優化設計方法，提出了大型超臨界CO2印刷電路板換熱器數據處理方法，揭示了交叉流換熱對PCHE性能影響規律。

5、樣機研發：研發了200kW超臨界CO2機組樣機

2023年初，所有設備完成加工制造，運到西安熱工院實驗基地現場安裝；2023年底，西安熱工院委托中國特種設備檢測研究院開展機組的第三方測試、運行調試相關工作。

機組組建完成，這套系統如何控制？如何運行？如何與前面聚光集熱系統的控制要求協調工作？是當時困擾我們的難題。

6、動態仿真：搭建了通用型動態特性及控制策略開發邏輯框架

因為200kW光熱超臨界CO2發電機組的動力系統與傳統水循環動力系統及燃機布雷頓循環動力系統差距較大。

結合前期火電5MW項目的研究經驗，在通用模塊庫的基礎上，開發了動態仿真模型，進行了各個動態控制模塊的性能分析，最終完成控制策略的開發。通過動態仿真初步提出深度調峰和快速調峰控制策略。

7、控制策略開發

將運行控制策略在5MW試驗機組上進行深度調峰試驗驗證，下圖為0到100%供電功率全負荷調節的實測情況。

通過快速調峰試驗，驗證了控制模塊和控制策略；另外，進行了典型的控制工況，包括定溫運行、定壓運行等不同控制策略的評估。

最終在上述經驗的基礎上，針對200kW的光熱超臨界CO2發電機組開發了專屬的控制邏輯和策略。動態響應、冷罐熱罐的溫變速率都是制約動態控制開發的關鍵因素。

在光熱發電典型邊界條件的要求下，我們分別進行了加熱功率控制、工質存量控制、質量流量控制、轉速控制等一系列控制策略評估。

8、運行測試

200kW光熱機組測試分析和國重任務對標分析：

在上述控制策略的支撐下，2023年年底，我們請中國特種設備檢測研究院在實驗基地進行了200kW超臨界CO2裝置的性能測試。性能監測分析結果表明，我們圓滿完成了國家重點研發計劃項目的指標要求。

9、延慶聯調

200kW光熱機組裝置通過第三方檢測后，已運至北京延慶和聚光系統進行對接，預計今年夏季集中驗收。

典型應用推廣案例

最后，“十四五”期間推廣應用的項目，在5MW試驗機組研究的基礎上，幾個方向同步開展工作，其他領域不再贅述，主要介紹下青海海西地區50MW的超臨界CO2示范項目。

▍青海50MW光熱超臨界CO2機組

1、前期科技項目：

考慮是首臺套，難度系數較大，沒有采用700℃的儲熱溫度，沿用現階段成熟太陽鹽565℃的溫度；

“青海海西地區50MW光熱超臨界CO2循環發電項目可行性研究”，該項目為期一年，已于2023年7月結題驗收。

2、工程可行性研究：

“華能青海公司格爾木50萬超臨界CO2光熱融合示范項目可行性研究”，該項目主辦單位為青海分公司，由西安熱工院和西北電力設計院聯合承擔。

3、發展規劃：

青海海西地區50MW超臨界CO2光熱發電技術經濟性及工程示范研究；

華能青海公司格爾木45萬光伏+5萬超臨界CO2項目。

4、技術特點

光熱和光伏結合，強化電源側靈活調節作用；

優化電源規模配比，多能互補后打捆送出，5萬千瓦超臨界CO2循環發電機組擬采用發電、調相兩用模式，白天空載運行主要作為調相機使用，夜間大負荷運行支撐晚高峰用電需求，有效解決用電高峰期和低谷期電力輸出的不平衡問題和提高電網的穩定性；

提供轉動慣量，保障機組安全；

助力風光基地一體化發展。

2024第十一屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會4月25-26日在內蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召開，大會由CSPPLAZA光熱發電平臺聯合常州龍騰光熱科技股份有限公司共同主辦，大會主題為“在多變的形勢下實現規模化發展”，共有來自海內外約800名代表出席本屆大會。