4月26日，2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会在内蒙古呼和浩特盛大召开，西安热工研究院有限公司（简称：西安热工院）清洁能源技术研究所所长张一帆先生出席会议并作《超临界CO2循环发电及其高效灵活运行调控技术》的主题报告。

图：张一帆

以下为演讲内容。

各位专家、各位同仁，大家下午好！非常荣幸能够在这里跟大家进行一次技术交流，今天我汇报的技术题目是《超临界CO2循环发电及其高效灵活运行调控技术》，报告分为四个部分。

超临界CO2光热发电

一、背景和技术原理

首先给各位专家介绍一下超临界CO2光热发电背景以及一些基本的技术原理。

2020年9月22日习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话：明确提出中国将采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现双碳目标的重要途径。随着新能源比例的不断提升，对电力系统的灵活性和稳定性提出了前所未有的挑战。以水蒸气为工质的传统热力发电技术在能源利用效率提升和机组灵活性方面已不能满足当前能源变革的要求。

迫切需要发展具有变革性意义的新型高效灵活热力发电技术，支撑高比例可再生能源并网，对构建新型电力系统，实现双碳目标具有重要意义。

二、光热发电技术特点

光热发电是典型的绿色发电技术，相比于其他新能源发电技术，具备能够实现热电联供、稳定电网输出、参与调峰调频的优势。但光热发电最大的问题就是效率偏低、度电成本较高，要降低发电成本，大规模推广太阳能热发电技术，就要提高电站效率，一方面是装备的开发，另一方面是循环发电技术的升级迭代。

▲政策支持

三、光热发电技术的发展阶段

如下图，目前，光热发电基本处于第二代，光-电转换效率约20%。未来要提高光热发电效率、降低度电成本，需要开发更高温的储热技术，采用更高效的热-电转化系统，即第三代光热发电技术。通过效率提升，同发电功率下，大幅降低镜场、集热器、熔盐的需求量，度电成本将下降50%-70%。

四、新一代光热发电技术的典型特征

第三代光热发电系统，储热温度达700℃以上，同时采用热电转化效率更高的布雷顿循环做为动力系统。高效、灵活是第三代光热发电的典型特征。

1、高效：

1)三元盐/颗粒商用推广，集热温度提升至700℃以上；

2)动力岛采用超临界CO2布雷顿循环，循环效率大幅提升。

采用CO2布雷顿循环作为动力循环，有什么好处？

如下图所示，主汽温度越高，CO2循环发电效率的收益越高，700℃时，CO2循环发电比水发电循环效率高出6%~8%。

2、灵活：

目前，光热发电较燃煤发电而言更为灵活。为什么采用第三代光热发电技术，调峰的深度和速度会大幅度提升？

因为整个水循环发电工质流程中，有两次相变，技术流程较长、相对复杂。CO2布雷顿循环替代水循环后，动力转化过程中没有相变，都是类气态的状态，灵活性能得到更好的释放。

因此，采用CO2循环以后，整个光热机组的调峰调频能力、深度调节范围都会得到进一步提升。

国内外光热超临界CO2发电技术进展

接下来，给各位专家汇报一下国内外超临界CO2光热发展的研究进展。

一、国外光热超临界CO2发电技术进展

国外光热超临界CO2发电技术的研究美国做的相对较多：

2010年，美国桑迪亚国家实验室SNL：Wright等首次提出将超临界CO2循环与太阳能热发电结合；

2011年，美国能源部DOE发起“Sunshot”计划以推动太阳能热发电技术发展；

2012年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO发起太阳能热利用研究项目计划“ASTRI”计划；

2020年，欧盟：“Horizon 2020”正在建设欧洲第一个面向光热应用的MW级超临界CO2循环机组；

2023年，美国能源部DOE等，“STEP”项目10MW超临界CO2发电机组机械竣工。

▍美国10MWe“超临界变革性发电”（STEP）示范试点项目

美国能源部（DOE）牵头，美国西南研究院、GTI Energy公司和GE Vernova公司等联合开发，投资1.69亿美元。

2023年3月，成功实现压缩机部分在超临界条件下的首次运行；2023年10月，中试机组机械竣工；2024年1月，天然气锅炉点火加热，将透平运行至18000rpm中间转速；预计2025年完成整体测试。

二、国内光热超临界CO2发电技术进展

实际上，国内光热超临界CO2发电技术的研究历经近10年，从高校到研究机构到企业已投入了大量精力。

2015年，西安交通大学启动国家重点研发项目（十三五），光热超临界CO2循环系统理论研究；

2021年，西安热工研究院：成功投运5MW超临界CO2循环发电机组；

2021年，中科院工热所：MW级超临界CO2压缩机测试成功；

2023年，中国科学院电工研究所&西安热工院：依托国家重点研发项目（十三五）建成200kW光热超临界CO2机组；同年，西安热工院完成青海50MW光热超临界CO2项目可行性研究。

▍国家重点研发计划-200kW光热超临界CO2循环系统试验机组

中国科学院电工研究所王志峰老师牵头，西安热工院负责超临界CO2机组研发。

2022年，建成超临界CO2机组、集热系统、颗粒/超临界CO2换热器；2023年，超临界CO2机组通过第三方调试；2024年，延庆基地光热-超临界CO2机组联调。

西安热工院前期研究成果

一、西安热工院超临界CO2发电技术研发历程

接下来介绍一下西安热工院在超临界CO2发电，尤其是光热超临界CO2发电领域的研究工作。

2014年6月，西安热工院成立超临界流体先进动力系统初创团队；8月，在国家自然科学基金支持下，开始探索性研究；

2015年6月，华能集团重大科技项目正式揭开序幕；12月，发改委创新能力建设项目获批，加大投资力度；

历时5年，2020年8月，整个装置研制完成，完成在阎良基地的整机安装；12月，超临界CO2锅炉点火成功。

机组调试运行近一年后，2021年11月，完成了72小时满功率、长周期试运。

在此基础，我们希望把超临界CO2发电技术向潜在应用方向推广，包括新一代高效灵活火电、第四代核电、大规模电热储能以及高温光热发电。

二、西安热工院光热超临界CO2发电技术研发规划

1、国家重点研发计划项目提供理论基础：国家重点研发计划项目——200kWe光热发电试验机组已完成整机第三方测试，运往延庆光热基地。

2、华能青海50MW光热/光伏一体化：完成华能青海50MW超临界CO2光热发电机组可研。

三、200kW光热超临界CO2发电机组

1、整体情况

接下来给大家汇报下200kW光热超临界CO2发电机组的整体情况，项目于2018年立项，包括整套聚光集热及动力系统，聚光集热系统由中国科学院和清华大学研制，CO2动力系统由西安热工院研制。

透平热功转换系统研究技术路线：

1)光热与热力循环协同优化

2)透平压缩机高效宽负荷热功转换特性

3)开发高效紧凑换热器样机

4)适用光热频繁启停气动-结构-传热一体化设计

5)研制200kW超临界CO2发电装置

6)利用5MW及200kW试验平台研究系统动态特性

2、压缩机设计：掌握了高效宽工况超临界CO2压缩机设计关键技术

揭示了超临界CO2压缩机与传统空气压缩机不同的流动损失机理和失稳机制，提出基于叶轮轮盖处理的超临界CO2压缩机扩稳流动控制方法，完成了200kW超临界CO2透平发电系统的两级压缩机设计。

3、透平设计：掌握了高能量密度超临界CO2压缩机透平设计关键技术

阐明了不纯超临界CO2对透平输出功的影响，揭示了超临界CO2透平有别于传统燃气透平的通道涡与泄漏涡相互作用机制，建立了考虑通道涡与泄漏涡相互作用的超临界CO2透平叶轮通道流动损失模型，完成了200kW超临界CO2透平发电系统的四级轴流透平设计。

4、换热器设计：开发了PCHE流动换热性能优化设计方法

开发了高效低阻类菱形翅片印刷电路板换热器流道，提出了印刷电路板换热器结构多目标优化设计方法，提出了大型超临界CO2印刷电路板换热器数据处理方法，揭示了交叉流换热对PCHE性能影响规律。

5、样机研发：研发了200kW超临界CO2机组样机

2023年初，所有设备完成加工制造，运到西安热工院实验基地现场安装；2023年底，西安热工院委托中国特种设备检测研究院开展机组的第三方测试、运行调试相关工作。

机组组建完成，这套系统如何控制？如何运行？如何与前面聚光集热系统的控制要求协调工作？是当时困扰我们的难题。

6、动态仿真：搭建了通用型动态特性及控制策略开发逻辑框架

因为200kW光热超临界CO2发电机组的动力系统与传统水循环动力系统及燃机布雷顿循环动力系统差距较大。

结合前期火电5MW项目的研究经验，在通用模块库的基础上，开发了动态仿真模型，进行了各个动态控制模块的性能分析，最终完成控制策略的开发。通过动态仿真初步提出深度调峰和快速调峰控制策略。

7、控制策略开发

将运行控制策略在5MW试验机组上进行深度调峰试验验证，下图为0到100%供电功率全负荷调节的实测情况。

通过快速调峰试验，验证了控制模块和控制策略；另外，进行了典型的控制工况，包括定温运行、定压运行等不同控制策略的评估。

最终在上述经验的基础上，针对200kW的光热超临界CO2发电机组开发了专属的控制逻辑和策略。动态响应、冷罐热罐的温变速率都是制约动态控制开发的关键因素。

在光热发电典型边界条件的要求下，我们分别进行了加热功率控制、工质存量控制、质量流量控制、转速控制等一系列控制策略评估。

8、运行测试

200kW光热机组测试分析和国重任务对标分析：

在上述控制策略的支撑下，2023年年底，我们请中国特种设备检测研究院在实验基地进行了200kW超临界CO2装置的性能测试。性能监测分析结果表明，我们圆满完成了国家重点研发计划项目的指标要求。

9、延庆联调

200kW光热机组装置通过第三方检测后，已运至北京延庆和聚光系统进行对接，预计今年夏季集中验收。

典型应用推广案例

最后，“十四五”期间推广应用的项目，在5MW试验机组研究的基础上，几个方向同步开展工作，其他领域不再赘述，主要介绍下青海海西地区50MW的超临界CO2示范项目。

▍青海50MW光热超临界CO2机组

1、前期科技项目：

考虑是首台套，难度系数较大，没有采用700℃的储热温度，沿用现阶段成熟太阳盐565℃的温度；

“青海海西地区50MW光热超临界CO2循环发电项目可行性研究”，该项目为期一年，已于2023年7月结题验收。

2、工程可行性研究：

“华能青海公司格尔木50万超临界CO2光热融合示范项目可行性研究”，该项目主办单位为青海分公司，由西安热工院和西北电力设计院联合承担。

3、发展规划：

青海海西地区50MW超临界CO2光热发电技术经济性及工程示范研究；

华能青海公司格尔木45万光伏+5万超临界CO2项目。

4、技术特点

光热和光伏结合，强化电源侧灵活调节作用；

优化电源规模配比，多能互补后打捆送出，5万千瓦超临界CO2循环发电机组拟采用发电、调相两用模式，白天空载运行主要作为调相机使用，夜间大负荷运行支撑晚高峰用电需求，有效解决用电高峰期和低谷期电力输出的不平衡问题和提高电网的稳定性；

提供转动惯量，保障机组安全；

助力风光基地一体化发展。

2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会4月25-26日在内蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召开，大会由CSPPLAZA光热发电平台联合常州龙腾光热科技股份有限公司共同主办，大会主题为“在多变的形势下实现规模化发展”，共有来自海内外约800名代表出席本届大会。