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基于能量复叠利用的1000MW级S-CO2燃煤发电系统

成果完成人瞄准1000MW超临界二氧化碳燃煤（sCO2）发电系统，主持了国家重点研发计划项目“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”。

正常传热和传热恶化临界判据

本成果从系统和部件两个层面进行研究，被推荐为2020年度国家重点研发计划重点科技成果，并在2021年1月27日科技日报上做了报导。

具体成果如下：

1、sCO2锅炉模块化设计：sCO2循环流量是水蒸气机组的6-8倍，导致S-CO2锅炉严重堵塞，发现机组效率惩罚效应。首次提出1/8分流减阻原理，在保持吸热量及循环流量不变条件下，将压降降低为传统设计的1/8，由此提出模块化锅炉设计，将锅炉压降减小到与水蒸气锅炉相当或更低水平，彻底解决大压降难题。

2、烟气热量全温区吸收：针对sCO2循环适合中高温热源，单个sCO2循环无法吸收烟气全温区热量，提出顶低复合循环，实现热量全温区吸收。提出能量复叠利用原理及设备共享，完全消除顶底循环效率差并简化系统。1000MWe级燃煤sCO2发电效率达到～50%，比水蒸气机组高3-4个百分点。

3、锅侧和炉侧综合调温方法：针对sCO2进入锅炉温度较高，抬高受热面温度，提出锅侧和炉侧综合调温方法，发明“冷热匹配、层级降温”原理，提出“上大下小+双炉膛+烟气再循环”的创新型锅炉设计。建成压力达26MPa的超高参数sCO2传热系统，提出超临界传热类沸腾理论，结合实验数据，给出了锅炉管发生传热恶化的临界判据。诞生第一台超临界二氧化碳燃煤锅炉原理样机。

本成果阐明了能量复叠利用原理，是能量梯级利用的继承和发展，消除了复合循环中顶循环和低循环的效率差，最大限度挖掘了sCO2燃煤发电系统的效率优势。并首次阐明超临界流体分子尺度下的非均匀物质结构，颠覆了人类对超临界流体物质结构的认知，首次将亚临界压力下的多相流体理论体系引入到超临界传热中，初步实现了亚临界和超临界压力下能量传递与转换理论的统一，达到国际领先水平。

燃煤发电和可再生能源互补发电是实现碳中和的重要手段，传统的水蒸气燃煤发电面临深度调峰和效率惩罚巨大挑战。本成果是区别于水蒸气发电的能源领域变革性技术，具有以下优势：

1、能效提升：现有水蒸气机组发电效率以接近最大效率潜力，继续提升空间很小，sCO2燃煤发电效率可比水蒸气发电高3-4个百分点，对于节省国家能源资源意义大；

2、燃煤发电深度调峰：sCO2燃煤发电系统紧凑，响应迅速，可实现燃煤发电深度调峰，是解决弃风弃光、减小储能系统压力的有效手段。

3、空冷运行：我国具有富煤缺水的国情，燃煤发电消耗水资源大，水蒸气发电对空冷机组具有效率惩罚。sCO2燃煤发电，由于循环侧和空气侧温差大，降低了空冷机组的效率惩罚，有利于机组的空冷运行，节省水资源。

我国以煤为主，燃煤发电面临提高效率及降低污染物排放重大需求，超超临界燃煤发电效率已达47%，进一步提高效率受到耐高温高压材料限制。另外，为实现碳达峰碳中和，我国未来能源消费增量主要来自清洁能源，随着新能源发电比例的提高及并网需求，需要燃煤发电具有深度调峰能力，sCO2燃煤发电循环系统紧凑，非常适合调峰及变负荷运行，其在灵活性上的优势，可为我国当前面临的能源安全、环境治理、气候变化挑战，推进煤炭灵活智能清洁高效发电，提供技术保障。

本成果促进了学科发展，例如，对超临界物质结构的新认识，同时，促进了热物理学科和材料、自动控制等交叉学科的发展。本成果具有重要的推广应用价值，已经和神华国华（北京）电力研究院签订协议，进行小容量sCO2燃煤机组的概念设计，为后续建立小型示范机组奠定基础，为十四五期间sCO2动力循环的关键技术及示范系统建立奠定基础。本成果对于发展核能、太阳能及中高温烟气余热驱动的超临界二氧化碳动力循环也有借鉴和参考意义，有利于推动我国能源领域供给侧结构性调整，提升能源产业竞争力，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，更好支撑我国经济持续稳定发展。

由于循环工质采用CO2，布雷顿循环运行温度较高，最终冷源采用空气冷却时，空冷器两侧流体温差较高，其尺寸远小于同等规模水蒸气发电系统，空冷带来的效率惩罚小。据估算，采用sCO2循环的燃煤发电系统效率在600℃等级初温条件下即可达50%以上。与水蒸汽工质相比，CO2工质与高温合金的反应惰性更强、传热流动性更好，能够进一步提高蒸气初温和发电效率。按1000MW级发电系统年运行4500h计，则年节约标煤12万吨，减少CO2、SO2和NOx排放分别为30万吨、150吨和200吨，节能减排效果显著。同时，由于CO2蒸汽的高密度，可使关键设备小型化和系统简单化，降低投资成本。

主要完成人：徐进良

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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