據(jù)SwRI機(jī)械工程師Jeffrey Moore博士介紹，該10MW渦輪機(jī)僅僅只有大約一張普通桌子的尺寸大小，卻可以提供全球工業(yè)透平范圍內(nèi)最高的功率密度，目前只有用于航天飛機(jī)引擎的渦輪泵可與之匹敵。
圖：超臨界二氧化碳渦輪機(jī)
傳統(tǒng)光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率一般為35%至40%，而配備sCO2渦輪機(jī)的光熱發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)近50%的熱效率。
提高動(dòng)力循環(huán)的熱效率是降低CSP裝置的平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)的關(guān)鍵。 美國(guó)能源部(DOE)已為CSP設(shè)定了到2030年儲(chǔ)能12小時(shí)的光熱發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到50美元/兆瓦時(shí)的成本目標(biāo)，低于2017年估計(jì)的103美元/兆瓦時(shí)。美國(guó)能源部太陽(yáng)能技術(shù)辦公室(SETO)光熱發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)理Avi Shultz表示，實(shí)現(xiàn)50%的熱效率使得這一成本目標(biāo)向前邁進(jìn)了五分之一。
這種尺寸小但功力強(qiáng)大的渦輪機(jī)可耐受高達(dá)715℃的高溫以及近3,600psi(pounds per square inch，1psi=6.895kPa)的高壓，且應(yīng)用范圍極廣，適用電站裝機(jī)最高達(dá)450MW。GE高級(jí)首席工程師Doug Hofer表示，在超過(guò)700℃的工況下，基于超臨界二氧化碳的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)會(huì)比蒸汽循環(huán)系統(tǒng)更高效。
得益于sCO2動(dòng)力循環(huán)所帶來(lái)的效率提升，光熱電站即使在沒(méi)有規(guī)模效益的條件下也可以獲得頗具競(jìng)爭(zhēng)力的電價(jià)。
Shultz表示，即使在裝機(jī)規(guī)模低于百兆瓦的光熱電站中，sCO2動(dòng)力循環(huán)依然可以保障相對(duì)較高的運(yùn)行效率，其可幫助裝機(jī)規(guī)模較小(≤50MW)且成本較低的小型光熱電站實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)大型光熱電站相同的運(yùn)行效率，這將為小型光熱電站的開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的市場(chǎng)契機(jī)。另外，sCO2渦輪機(jī)還應(yīng)具備更優(yōu)良的快速啟動(dòng)性能，因?yàn)槠潴w積較傳統(tǒng)大型蒸汽輪機(jī)更小，需要更強(qiáng)的“爆發(fā)力”。
Shultz進(jìn)一步指出，渦輪膨脹機(jī)和渦輪機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)化離不開(kāi)與之相關(guān)部件的同步研發(fā)。由SETO和DOE資助的一些項(xiàng)目正在研發(fā)與該sCO2渦輪機(jī)相匹配的其他部件，例如壓縮機(jī)、換熱器、軸承和密封零件，以及熱交換器等。
已有研究表明，熱交換器才是制約發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行的部件。對(duì)此，一群來(lái)自美國(guó)大學(xué)的研究人員于近期開(kāi)發(fā)出一種由新型“金屬陶瓷”(陶瓷和金屬制成的材料)制成的換熱器，可用于高溫SCO2電站。測(cè)試證明，這種金屬陶瓷換熱器比目前采用鋼和鎳基設(shè)計(jì)的換熱器更堅(jiān)固耐用。
GE研究小組將在全球首個(gè)10MW的sCO2電站--超臨界轉(zhuǎn)化電力(STEP)試驗(yàn)電站中對(duì)該sCO2渦輪機(jī)的各種“版本”進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，不同“版本”的其他相關(guān)關(guān)鍵部件也會(huì)進(jìn)行測(cè)試。
Shultz指出，超高溫光熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)部署還需要幾年時(shí)間，當(dāng)下需要通過(guò)測(cè)試來(lái)降低關(guān)鍵部件的風(fēng)險(xiǎn)性，并證明技術(shù)的可行性。測(cè)試成功后，將sCO2動(dòng)力循環(huán)集成到商業(yè)塔式光熱電站中是沒(méi)有問(wèn)題的，采用先進(jìn)熔鹽塔式技術(shù)路線的電站可直接實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳循環(huán)改造。
目前，北京首航艾啟威節(jié)能技術(shù)股份有限公司與法國(guó)電力公司、EDF(中國(guó))投資有限公司正針對(duì)首航節(jié)能敦煌10MW光熱示范電站實(shí)施超臨界二氧化碳循環(huán)改造，整體改造計(jì)劃于2020年底完工。
