超临界二氧化碳循环分析3

超临界二氧化碳动力循环

1.超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机

（1）美国桑迪亚国家实验室研发超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机 美国桑迪亚国家实验室研究人员研发出一种新的超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机，目前正在进行发电系统的示范阶段。这种新轮机可将热电转换效率提高多达50%，为核电站配备的蒸汽轮机可改善50%，或者一个单独的燃气轮机效率可提高40%。该系统十分紧凑，意味着资金成本会相对较低。

研究主要集中在超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环轮机，这种轮机通常是用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆。目标是最终取代蒸汽驱动的兰金循环轮机（效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍）。布雷顿循环每个组合可以产出20 MW的电力，占用空间只有四个立方米。

桑迪亚国家实验室目前有两个超临界二氧化碳测试循环。第一个发电循环位于科罗拉多州Arvada，从2010年3月开始运行，发展阶段的发电量大约为240 kW，现在正在进行升级。第二个循环位于Albuquerque桑迪亚国家实验室，用于研究临界点附近存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题。

桑迪亚国家实验室近期计划继续开发和运行小的测试循环以确定关键功能和技术。测试结果将说明概念容量（尤其是它的紧凑性）、效率和更大系统的可扩展性。未来计划是进行技术的商业化，先在10 MW的工业示范电厂开展。 桑迪亚还有一种采用氦作为工作流体的布雷顿循环，设计运行温度约为925℃，预计发电效率达43%-46%。相比之下，超临界二氧化碳布雷顿循环作为氦布雷顿系统提供了同样的效率，但温度相对较低（250-300℃）。S-CO2设备比氦气循环紧凑（它又比传统蒸汽循环紧凑小巧）。 （2）东芝开发超临界二氧化碳循环火力发电系统

东芝公司日前针对正在开发的超临界二氧化碳循环火力发电系统，在达到目标压力的状态下，成功完成了燃气轮机燃烧器的燃烧试验。由此，向实现发电效

率高、可回收二氧化碳、环境负荷低的系统迈进了一大步。这种系统具备与组合利用燃气和蒸汽的燃气联合循环发电同等水平的效率，同时无需另外设置分离及捕集设备就可回收高压二氧化碳。

图1-1 超临界二氧化碳循环火力发电系统示意图

超临界指的是气体和液体的界限消失、性质介于气体和液体之间的状态。二氧化碳在温度和压力超过31℃、74个大气压时会达到超临界状态。燃烧试验利用了美国加利福尼亚州试验机构的设备，于1月开始，分阶段提高燃气轮机燃烧器的压力，对其燃烧特性进行评估。此次，成功实现了在300个大气压的目标压力下燃烧。

现有燃气轮机发电设备可在20个大气压左右的压力下燃烧，而超临界二氧化碳循环火力发电系统的目标是300个大气压，因此能在高温高压条件下工作的燃气轮机燃烧器成为课题。此次试验成功意味着完成了第1阶段的开发。在开发的系统以天然气为燃料，在燃烧时，使用氧替代空气，因此也不会产生氮氧化物（NOx）。

东芝与美国大型电力企业爱克斯龙电力公司（Exelon）、工程企业芝加哥桥

梁及钢铁公司（Chicago Bridge and Iron Company）等于2012年6月达成合作协议，共同进行系统开发，主要负责重要部件高温高压涡轮机和燃烧器。今后，各家公司将于2015年在美国建设试验成套设备，实施实证试验，力争在2017年实现250兆瓦（25万千瓦）级设备的商用化。

2. 超临界二氧化碳在核反应堆中的应用

目前，在役的核电厂主要采用二代和二代改进型压水堆技术，随着第三代核电厂开始进入建设阶段，追求更高安全性和经济性、更少废物排放和可有效抑制核扩散的第四代先进核能系统的研究工作已逐渐成为世界各核电强国的研发热点。在实现第四代核能系统主要技术指标方面，采用气体冷却剂，避免了临界热流密度等热工安全限制，易于实现堆芯出口温度提升、系统结构简化以及快谱堆芯设计等，具有特殊的优势。

从物理化学稳定性的角度考虑，一般气冷堆采用氦气作为冷却剂。但氦气低密度带来的压缩功耗过大问题降低了氦气冷堆的净效率，因此氦气冷却的反应堆要求堆芯出口温度较高（一般要求在 800~1000℃）以保证其经济性，这对目前的材料及工业制造技术提出了挑战。

采用超临界流体作为堆芯冷却剂，利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将反应堆运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现气冷堆在中等堆芯出口温度下达到较高效率的目标。超临界流体的这一性质使其在作为核反应堆二回路能量转换工质时同样具有明显的优势。二氧化碳（CO2）由于其临界压力相对适中（7.38 MPa），具有较好的稳定性和核物理性质在反应堆堆芯冷却剂的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是核反应堆内最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳（S-CO2）在核反应堆运行参数范围内密度较大且无相变，因此以 S-CO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，可降低核电厂的建造成本，实现模块化建造技术，缩短核电厂建造周期。 （1）S-CO2布雷顿循环基本原理

S-CO2工质用于核反应堆一般采用布雷顿热力循环模式。布雷顿循环一般包

括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热 4 个基本过程，其基本循环温熵图如图2- 1 所示。

对于核反应堆内的 S-CO2布雷顿循环，其最简单、最基本的系统流程如图 2-2 所示，主要由压缩机、回热器、气轮机、冷却器和热源构成。直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环下的热源是反应堆一、二回路之间的换热器。低温低压的气体经压缩机升压，再经回热器高温侧流体预热后进入热源，吸收热量后直接进入气轮机做功，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近，使流体密度增大，流体压缩性较好，从而降低了压缩功耗，提高了热力系统净效率。

图2-1 基本布雷顿循环温熵图

图2-2 最简布雷顿循环流程图

现有研究表明，在图 2-2 所示的 S-CO2热力循环方案中，回热器高、低温侧工质比热容不同引起回热器存在“夹点”的问题将对循环效率造成较大影响；为提高效率，可加入中间冷却、分流、再压缩等热力过程；S-CO2布雷顿循环用于核反应堆的堆芯最佳出口温度在 450~650℃之间，最佳堆芯进、出口温差在150~200℃之间；S-CO2布雷顿循环设备简化、体积小，有利于降低投入成本和实现模块化建造技术。

（2）S-CO2用于核反应堆的研究现状

CO2的临界压力为7.38 MPa，对应的临界温度为31℃，从这一性质并结合核反应堆的工作温度可以看出，以 S-CO2为冷却剂的核反应堆既不同于采用液体冷却的传统压水堆，也不同于液态和超临界状态共存的超临界水冷堆，而是一种堆芯整体完全由超临界低密度冷却剂冷却的气冷堆概念。尽管英国已经投入运行的先进气冷堆（AGR）也采用 CO2作为冷却剂，且出口运行温度已达到650℃，但其运行压力约为 4.2 MPa，仍属亚临界条件，压缩机功耗相对较大，设备体积也相对庞大。针对采用 S-CO2作为堆芯冷却剂的先进气冷堆，以美国、日本为主的核能发达国家目前已开展了一些研究，美国能源部下属几大国家实验室及部分高校还开展了 S-CO2用作核反应堆二回路能量转换工质的相关研究。 （a）美国研究现状

美国对S-CO2工质用于核反应堆的研究主要基于 3 个方面的需求：①代替现有的氦气冷却剂实现气冷堆在中等出口温度下保持较高效率的目标，解决氦气冷堆的高温材料问题；②利用 S-CO2气冷堆相对较高的出口温度在中短期内实现核能制氢；③以 S-CO2布雷顿循环代替蒸汽兰金循环，实现动力转换系统的高效率和小型化，为多功能中小型模块化反应堆的开发提供支持。 a.S-CO2气冷堆概念研究

美国早在 20 世纪五、六十年代就研究了 S-CO2用于核反应堆的可行性，并提出了一些初步的概念。S-CO2用于核反应堆系统时，压缩机入口温度在拟临界温度31℃附近，堆芯出口温度在 500℃以上，回热器的回热量约为堆芯释热量的 2 倍，回热器必须足够高效、紧凑。但受限于当时的工业技术和高性能换热器设计制造技术水平，这一方案被迫放弃。随着 20 世纪 90 年代高性能换热器设计制造技术的突破，美国从 21 世纪初重新开始了S-CO2工质用于核反应堆系统的探索研究。

美国开展 S-CO2冷却的气冷堆概念研究主要集中在麻省理工学院（MIT）、爱达荷国家实验室（INL）、阿贡国家实验室（ANL）、桑迪亚国家实验室（SAND）等研究机构，其中 MIT 的研究比较深入且较有代表性。MIT 针对用于核反应堆的S-CO2循环，在早期 Feher 循环的基础上通过去掉 CO2冷凝过程并以压缩机代替泵等方面的改进，形成了 S-CO2再压缩直接循环模式（图 2-3）。相比于最简布雷顿循环，MIT 提出的循环模式设置了高、低温回热器并增加了再压缩压缩机，以解决由于回热器高、低温侧比热不同导致的换热器“夹点”问题并降低冷却器带走的热量以提高循环效率。在该循环中，高低温回热器以及冷却器均采用 Heatric 公司设计制造的高效紧凑印刷电路板式换热器（PCHE）。

图2-3 再压缩布雷顿循环流程图

MIT 在循环优化分析的基础上，提出了 3 种热力循环参数方案：①基本设计方案：最高压力20 MPa、堆芯出口温度 550℃、净效率达 43%；②先进设计方案：最高压力 20 MPa、堆芯出口温度 650℃、净效率达 47%；③高性能设计方案：最高压力 20 MPa、堆芯出口温度 700℃、净效率可达 49%。MIT 分析认为，先进设计方案既能满足高效率要求，也与近期的工业技术水平相适应，是一种可行的方案。

MIT 针对先进设计方案，提出了 S-CO2冷却快堆（GFR）的总体方案。反应堆热功率为2400 MW，电功率约 1200 MW，采用2环路或4环路设置，设计寿命 60 a；系统热效率 51%，净效率47%；堆芯进、出口温度分别为 485.5、650℃，运行压力 20 MPa。核电厂总体布置简图见图 2-4。

图2-4 MIT GFR整体系统布置图

在堆芯设计方面，MIT 采用柱状堆芯结构，考虑到抑制核扩散问题，去掉了传统快堆堆芯设计中的钚增殖层。这种设计必须增大燃料中可裂变材料的体积份额，因此 MIT 在传统气冷堆块型燃料组件的基础上，创新性地提出了一种 TID（Tube-in-Duct）燃料组件结构，以满足这方面的要求。这种燃料的元件外形为正六边形，内部圆孔为冷却剂流道，冷却剂流道与元件外表面之间填充二氧化铀/氧化铍燃料，冷却剂与燃料之间的包壳材料采用ODSMA956，多个燃料元件叉排构成一个燃料组件，如图 2-5 所示。

图2-5 TID燃料组件横截面示意图

MIT 针对这种堆芯结构开展了较为细致的中子物理分析及热工水力分析，提出了采用在燃料中加氧化铍并利用高压 S-CO2作为径向反射层的方案，基本解决了快堆设计中正空泡反应性的难题。MIT 还开展了压缩机、气轮机、PCHE 等关键设备的论证设计以及能动与非能动余热排出系统、控制系统等方面的设计与分析，特别比较了S-CO2气轮机与目前使用的蒸汽轮机和氦气轮机的体积（图 2-6），进一步证实了 S-CO2气轮机系统在缩小体积方面的优势。

图2-6 不同汽/气轮机体积的比较

b. S-CO2能量转换系统研究

美国对S-CO2用作核反应堆二回路能量转换工质的研究主要也集中在 MIT 及 ANL、INL、SAND 等国家实验室。以 S-CO2作为二回路能量转换工质的核反应堆一般采用液态金属或气体冷却，以达到较高的堆芯出口温度。美国对这方面的研究主要是利用 S-CO2动力系统高效率、设备简化紧凑等特点开发多功能模块化中小型核反应堆。

INL 与 MIT 联合开发了以 S-CO2作为动力转换工质的铅-铋合金冷却反应堆，该反应堆堆芯出口温度为 555℃，S-CO2动力回路的最高运行压力为 20 MPa，反应堆净效率为 41%。ANL 开展了 S-CO2再压缩循环用于一种安全可运输式反应堆——液态金属冷却反应堆（Star-LM reactor）的评估工作。该堆堆芯采用液态铅作为冷却剂，运行压力为 0.1 MPa，冷却剂以完全自然循环的方式带走堆芯热量并在中间换热器（IHX）进行热量交换。二回路工质为 S-CO2，最高运行压力为20MPa。

MIT 在研究 S-CO2气冷快堆的同时，对S-CO2布雷顿循环用于先进核反应堆动力转换系统也进行了研究，对 300 MW 电功率的直接循环和间接循环核反应堆系统的经济性、核电厂总体布置以及动力转换系统设计进行了分析研究，对20 MW 电功率的简单循环模式进行了初步设计。 (b).日本研究现状

日本开展 S-CO2气冷堆概念研究主要是基于中短期内可实现的先进气冷快堆发电和制氢技术。日本针对 S-CO2冷却的气冷堆研究主要集中在东京工业学（TIT）。TIT 在热力循环分析与优化的基础上，提出了 S-CO2部分预先冷却直接循环（Partial pre-cooling direct cycle）模式，该模式主要是在图 2 所示的最简模式上增加了分流、中间压缩和中间冷却过程，以降低冷却器带走的热量，提高循环效率，其流程如图 2-7 所示。

图2-7部分预先冷却直接循环流程图

TIT 经过综合分析与论证，确定反应堆热功率为600 MW，堆芯出口温度为 650℃，反应堆出口运行压力约为7 MPa，系统效率为45.8%，并初步给出了核反应堆系统的总体布置图（图2-8）。TIT 初步分析认为，目前在传统气冷堆中使用的球形燃料和块型燃料均能在 S-CO2冷却的堆芯中使用，若采用传统的棒型燃料，316 不锈钢可作为包壳材料。TIT 对堆内隔热材料也进行了相应的分析与论证。

图2-8 TIT提出的反应堆系统布置图

1-控制棒；2-堆芯；3-发电机；4-回热器；5-气轮机；6-中间冷却器；7-预先冷却器；8-气轮

机压力容器；9-压缩机；10-反应堆腔；11-反应堆压力容器；12-回热压力容器

PCHE 是 S-CO2循环中最大的设备，其热工水力性能对整个反应堆系统的效率及体积有着直接的影响。TIT 在 PCHE 的设计、改进方面开展了大量的工作，对 PCHE 通道结构、通道内扩展表面的设置等方面进行了大量的设计优化。为获得可用于 S-CO2气冷堆内运行环境的堆内材料，TIT 最近还建成了 S-CO2腐蚀考验回路，并正在开展候选材料的筛选验证试验。 (c).其余各国研究概况

除美国和日本外，许多国家也开展了 S-CO2工质用于核反应堆相关的研究工作，但这些研究主要是针对一些局部问题，缺乏整体概念的支撑。

欧盟的捷克技术大学（CTU）早在1997年就开展了 S-CO2循环用于新一代反应堆的相关研究，并对循环中的涡轮系统进行了论证。韩国原子能研究院（KAERI）分析了 S-CO2循环与钠冷快堆结合的可行性，并对 S-CO2循环中使用的 PCHE 进行了优化设计和分析，计划进一步开展 PCHE 热工水力性能的实验研究。最近，国内清华大学核能与新能源技术研究院基于MIT提出的再压缩循环模式对S-CO2热力循环进行了初步分析，并对 INL 提出的柱状堆芯结构开展了初步的物理计算分析。

（3）S-CO2布雷顿循环的潜在应用对象

从国外对S-CO2工质用于核反应堆系统的相关研究可以看出，S-CO2作为目前氦气冷堆的替代冷却工质，在当前及中短期内的工业水平条件下具有比较突出的优势，作为动力转换工质更容易实现动力系统效率高、系统简化、体积小以及模块化建造等目标。结合我国先进核能系统的发展情况，笔者认为S-CO2工质的应用将为我国未来在气冷堆、钠冷快堆、熔盐堆等先进反应堆技术研发领域内的技术攻关提供思路和方案。 （a）高温气冷堆

CO2工质用作高温气冷堆堆芯冷却剂在英国早期的Magnox气冷堆及以此为基础改良的AGR上已有大量的运行经验，且AGR的运行温度已超过650℃。采用S-CO2作为冷却剂可解决传统气冷堆冷却剂密度低、压缩功耗大的缺点，使其在中等堆芯出口温度下可获得与第四代堆同等的效率，降低了对反应堆材料及相关高温技术的要求；同时其密度相对较大的特点可进一步缩小动力转换系统相关设备的体积，降低投入成本，在保证高温气冷堆固有安全性的同时，进一步提高

其经济竞争力。 （b）钠冷快堆

钠水反应是钠冷快堆中最主要的安全问题之一。虽然目前的钠冷快堆一般设置一个中间钠回路以防止蒸汽发生器传热管破裂时钠水反应危及堆芯，但钠水反应产生氢气仍然是钠冷快堆主要的安全隐患，而增加中间钠回路也会削弱钠冷快堆的热效率。以S-CO2作为动力转换工质则可在原理上避免钠水反应。已有研究表明，CO2与钠发生作用的主要产物是氧化钠、碳酸钠、碳等固体物质，基本不会产生爆炸性气体。同时，S-CO2动力转换系统相比于蒸汽动力系统在体积、效率上的优势可进一步提高钠冷快堆的经济性。 （c）熔盐堆

现有研究表明，S-CO2布雷顿循环热源最高温度在450~650℃之间时其循环效率具有明显优势，高于同等条件的蒸汽兰金循环和氦气布雷顿循环，且动力系统设备简化、体积小，可降低投入成本。因此，针对我国目前已开展的钍基熔盐堆研发工作，采用S-CO2布雷顿循环的动力转换系统可能是一种具有较强竞争力的方案。

3.超临界二氧化碳光热发电

美国能源部针对SunShot计划中的太阳能光热发电的规划是到2020年使光热发电的成本降至6美分每千瓦时，这无疑需要技术上的巨大进步。美国CSP联盟创始人Tex Wilkins说道，从技术上来降低成本是必须要进行的。CSP行业正在不断的进行创新，能源部的规划目标如果想要实现，CSP技术上必将出现巨大突破。

图3-1 槽式超临界二氧化碳光热发电示意图

超临界二氧化碳作为工质的太阳能热发电系统的出现或将大幅拉低光热发电的成本。超临界二氧化碳优良的传热和流动性能具有提供发电效率的巨大潜力。而此项研究也被列入美国能源部的支持范围之中。美国能源部针对SunShot计划中的太阳能光热发电的总额度达5600万美元的科研支持计划中，共有21个项目受益其中。国家可再生能源实验室NREL获得的800万美元资助是用来示范一个采用超临界二氧化碳作为工作介质的多元的兆瓦级发电循环。

NREL光热发电项目领导者Craig Turchi表示，经过此前的一系列研究，他们认为超临界二氧化碳作为工质的光热发电系统在高达600到700摄氏度的温度范围内运行都可以有良好表现。超临界二氧化碳发电可以在500摄氏度以上，20兆帕的大气压下实现高效率的热能利用，大约可以达到45%，这将有效提高电力产能。美国能源部之所以支持此项研发，也是看到了此项技术在提高发电效率和降低成本方面的巨大潜力。

超临界二氧化碳发电系统的体积更小、重量更轻、热损更小。其应用于太阳能光热发电系统可实现效率的显著提升。系统仅需要较低的热量即可启动发电机、其应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，这些优点是普通发电系统所无法比拟的。SolarReserve首席技术官Bill Gould表示，此种技术对光热发电站启动过慢的缺陷是一种有益的改善。

NREL预期将通过两个阶段完成相关测试。首先，建立一个布雷顿循环，与熔融盐为传热介质的光热电站耦合；然后，超临界二氧化碳将被用作传热和工作介质，类同于一个直接的蒸汽发生系统。此项试验将会在一个10MW的光热电站上进行测试，总耗费预计达1600万美元，美国能源部提供其中800万美元支持。 用二氧化碳这种常见的气体作为光热发电循环工质的想法已被理论验证是可行的。和常规蒸汽发电相比，此种系统具有明显高的转换效率，同时还可以节约大量水资源，这在阳光资源好但水资源紧缺的地区是十分有益的。

（1）超临界CO?布雷顿循环可使光热发电降低10%的LCOE（平准化能源成本） LCOE依然是光热发电产业化的最重要影响因子，新技术的革新可以帮助我们找到更具成本效益的CSP解决方案。美国能源部通过SunShot计划的实施以推动使太阳能热发电的LCOE在2020年降低75%，达到6美分/千瓦时，其于去年6月份批准了最大规模的光热发电科研支持计划，共计拨款5600万美元支持21

个CSP相关项目。

在一个布雷顿循环中，加热并压缩二氧化碳产生超临界状态的二氧化碳（简称S-CO?）并利用其作为传热介质可显著提高CSP电站的效率。这种技术也成为了Sunshot计划重点支持的方向。包括Brayton能源公司、国家可再生能源实验室、西南研究所等多家单位都获得了资金支持研究与此相关的技术。

S-CO?对光热发电的LCOE到底将造成何种影响？为此，进行了相关分析。 美国能源部认为，太阳能发电的成本下降应从三个方面着手：降低技术成本、降低并网成本、促进规模化全球化应用。如果再加上一点，应归于提升电站效率。S-CO?的应用即可达到此目标。在最乐观的情景分析下，S-CO?可帮助提高8%左右的发电效率。 （a）超临界CO?系统

S-CO?系统是一种高级电力循环系统，其采用二氧化碳作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中循环做功，热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机。

美国桑迪亚实验室和NREL正在研究S-CO?应用于塔式热发电系统的潜在影响，这是因为塔式技术可实现更高的工作温度，能更好的验证S-CO?的效能。但同时，这并不意味着S-CO?不能应用于槽式系统。 a.削减CAPEX(资本性支出)

S-CO?对光热发电CAPEX的影响还在研究之中，尚未形成十分权威的研究成果。根据2006年有人做过的一份相关研究，相较传统的郎肯循环，S-CO?布雷顿循环可以实现电力系统20%~25%的成本下降。

NREL已经将20%作为其研发目标，对于整个电站的CAPEX而言，电力系统的投资成本占总成本的11%左右，这意味着20%的电力系统投资削减将带来2.2%的CAPEX削减。

但同时，S-CO?电力循环系统的应用可能将增加储热的成本。这些研究目前还未能得到验证，为弥补这种不确定性，本文所应用的敏感性分析模型对S-CO?对光热发电CAPEX的影响采取1.65%~2.75%的宽泛数据进行分析。 b. OPEX影响

从目前的研究来看， S-CO?的应用对光热发电的OPEX没有直接的影响。

c.效率和性能

目前在各方面综合表现最为优秀的太阳能热电技术应为塔式配空冷的技术路线，其热电转换效率为41%~42%。据NREL的分析，S-CO?电力循环可将这种电站的效率提升至44%~50%。所应用的敏感性分析模型采取7.5%的提高比例进行分析。

以一个100MW、配置6小时储热的塔式光热电站为例进行分析，下表是该电站的各项参数。在此参数的基础上，来研究采用超临界二氧化碳循环后对各项参数的影响。

根据LCOE的计算公式，我们来计算当采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统后，按照上文采取的设定数据来计算对LCOE造成的影响。（式中r:贴现率，n：电站寿命期，CAPEX=总的项目初始投资；OPEX=运维总支出；Electricity Generated=发电量。）

图3-2显示的是，CAPEX削减和LCOE降低的对应关系、性能即效率提升和LCOE降低的对应关系。参照电站的LCOE是14.42欧分/kwh，CAPEX从参考电站的成本降低2.75%后，实现LCOE降至14.07欧分/kwh，降幅1.5%。而如果提高7.5%的运行效率，则可以使LCOE降低至13.41欧分/kwh左右，降幅6.98%。

图3-2 CAPEX削减以及性能效率提升和LCOE降低的对应关系

更有意义的结果是，如果将CAPEX降低和效率提升两个方面综合起来进行分析，如图3-3，提升1.5%的效率，降低1.65%的CAPEX，可以实现LCOE降低2.91%，达到14欧分/kwh。如果提升4.5%的效率，降低2.2的CAPEX，可以实现LCOE降低6.16%，达到13.53欧分/kwh左右。

图3-3 CAPEX降低和效率提升综合曲线图

从此可以看出，边际变化越大，结果也越理想。最为理想的情景是实现CAPEX降低2.75%，效率增加7.5%。这将可以帮助光热发电实现9.23%的LCOE削减，达到13.1欧分/kwh。

在实现CSP成本降低75%的SunShot规划目标下，S-CO?的应用预期可以帮助实现10%左右的成本削减。

如果期待太阳能热发电产业在LCOE削减方面一夜之间实现重大突破，结果一定是失望的。LCOE削减不是一朝之功，采取二氧化碳超临界布雷顿循环发电等类似的变革性技术将大大助力光热发电及早迈向平价上网。目前需要做的，就是将此类新技术尽快实现工业化应用。 4. 超临界二氧化碳在余热方面的应用

超临界二氧化碳发电系统是以超临界二氧化碳液体为郎肯循环系统的工质，以二氧化碳透平专用涡轮机为核心技术的最新余热发电技术。此发电系统在余热发电方面有较宽泛的应用优势，各项技术指标都优于在用的水蒸汽朗肯循环系统和当前最先进的有机朗肯循环系统，特别是在发电效率和设备体积方面有着明显的优势。超临界二氧化碳热机是一种平台技术，目前可提供的功率范围为250kWe至50Mwe的设计，效率可达30%。应用范围包括燃气轮机、固定式动力发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热、混合内燃机等的循环热能。

超临界二氧化碳循环发电系统是基于超临界二氧化碳涡轮机为核心技术，以超临界二氧化碳为工作介质的余热发电循环系统，是具有突破性的热机技术，曾被业界专家们称之为，是一项改变游戏规则的技术，是一种进一步改善功率效率的方法。

由于超临界二氧化碳的高密度液体使其具有更高的能量密度，意味着可以在不损失性能的情况下，使涡轮机、换热器和泵等器械的设计能够非常紧凑或体积变小，这样就会使整个系统的碳足迹更小，更符合当前人类活动的最新理念。

（1）超临界二氧化碳发电系统运行管理及维护成本低

由于超临界二氧化碳循环发电系统是采用全封闭循环设计，在运行中不需要真空维持系统，结构相对简单，没蒸汽循环系统的水处理设备及相关的水处理技术管理人员，没有排污设备及相关的排污操作，简化了管理的程序，省掉很多的维护工作，与蒸汽循环发电系统相比管理维护成本有较大的降低。

（2）超临界二氧化碳循环发电最具潜力的应用

超临界二氧化碳能够取代蒸汽进行燃气轮机的底部循环，它能提供更好的输出功率，具有较低的安装成本和运行及维护成本，可减少平准化能源成本达10%～20%。

二氧化碳发电技术在工业企业上广泛应用

目前国内工业企业的350℃以下的低温余热占余热总量的60%以上，因其利用价值较低，回收技术相对落后，回收率和回收价值低，且投资收回期长（6～7年）而被大多数企业放弃。而超临界二氧化碳发电技术，以其先进的技术使其有较高的余热发电效率和较低的投资成本，将会成为在中国普遍采用的低温余热发电技术。该技术以其多方面的优势和更低的碳足迹可以很快的替代更多的余热发电技术。

超临界二氧化碳发电技术在舰船上广泛应用

目前国内95%民用船舶动力是柴油机，热效率在50%左右，其中排气损失热能量为25%，温度在250℃～350℃之间。其排气余热只有很少的热能被用于柴油加热和蒸汽利用，大多数热量被排掉。如果这些热能被超临界二氧化碳发电装置利用发电的话，能节油10%以上，获得很大的效益。

军用舰艇上的动力绝大多数是用燃气轮机，动力效率在40%以内，排气能量更大、温度更高，配用超临界二氧化碳热机，将会节约更多的燃油，创造更大的效益。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o31o.html